▎導(dǎo)讀

在星地激光通信系統(tǒng)中，光束經(jīng)過大氣湍流產(chǎn)生波前畸變，激光束發(fā)生彌散，導(dǎo)致到靶功率大幅下降。通常需要采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)波前畸變進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以恢復(fù)信號(hào)光，降低誤碼率。然而，由于通信衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)，下行激光和上行激光所經(jīng)歷的大氣路徑是不同的，其夾角稱為提前角。提前角過大（即衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)過快或湍流太強(qiáng)）時(shí)，下行激光測(cè)量到的波前畸變與上行激光所經(jīng)過的大氣湍流引起的波前畸變會(huì)完全不同，此時(shí)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)上行激光的預(yù)校正完全無效。

為了解決星地自由空間光學(xué)通信系統(tǒng)中的提前角問題，近日，國(guó)防科技大學(xué)梁永輝教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光強(qiáng)傳輸?shù)男滦筒ㄇ疤綔y(cè)技術(shù)——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern，PPPP），并在《光學(xué) 精密工程》（EI、Scopus收錄，中文核心期刊，《儀器儀表領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》和《光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域高質(zhì)量科技期刊分級(jí)目錄》“T1級(jí)”期刊）2024年32卷7期上發(fā)表了題為“基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探測(cè)”的封面文章。

▎正文

由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射，其測(cè)量的大氣湍流方向與通信衛(wèi)星方向一致，因此可以有效解決星地激光通信中的提前角問題。

圖1：基于PPPP的星地激光通信中自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)原理

PPPP的原理是基于強(qiáng)度傳輸方程TIE，通過不同傳輸距離下光強(qiáng)分布的演變來反解出波前畸變信息。本文通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)對(duì)PPPP方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)主要包含三個(gè)模塊：上行激光束在大氣湍流中的傳播；對(duì)上行激光的兩個(gè)不同高度的瑞利后向散射光斑的成像；利用Zernike模式法進(jìn)行相位重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)?zāi)M1 m口徑地基望遠(yuǎn)鏡，兩個(gè)傳輸高度分別為10 km和17 km，采用空間光調(diào)制器和透明塑料片作為兩組畸變模擬器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PPPP和通用的夏克哈特曼波前探測(cè)器得到了相似的重構(gòu)相位，兩者的差異約為初始相位的30%。如果進(jìn)一步擴(kuò)大地面望遠(yuǎn)鏡的口徑，可以有效降低PPPP的非線性效應(yīng)從而進(jìn)一步提高其波前探測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖2：實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量結(jié)果

本文采用的基于投影光瞳面分布的新型波前探測(cè)技術(shù)不僅可以用于解決星地激光通信中的提前角問題，還可以擴(kuò)展到任意“湍流”介質(zhì)引起的波前畸變的快速測(cè)量，僅通過兩個(gè)不同傳輸距離下的散射光信號(hào)就可以探測(cè)引起其光斑變化的畸變信號(hào)，不需采用額外的導(dǎo)星，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，探測(cè)精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

▎論文信息

楊慧哲,張貞鈺,劉進(jìn)等.基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探測(cè)[J].光學(xué)精密工程,2024,32(07):945-955. 

https://dx.doi.org/10.37188/OPE.20243207.0945