[发明专利]地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及卫星激光通信技术领域，具体是一种在地面到地球静止轨道(GEO)卫星的上行激光通信中，降低大气湍流及对准误差引起的信号衰落，从而降低平均发射光功率的一种方法。 

背景技术

卫星激光通信具有通信容量大、体积小、抗干扰能力强、保密性能好等优点，是卫星通信技术一个重要发展方向。在卫星到地面的激光通信及地面到卫星的激光通信必然会受到地球大气湍流层的影响。大气湍流会使激光束的波前产生畸变，使激光信号强度起伏(闪烁)、产生衰落，强度起伏的时间尺度约为10毫秒量级，这会严重影响卫星激光通信系统的性能。

大气湍流对卫星到地面的激光通信及地面到卫星的激光通信的影响是不同的。对于卫星到地面的下行激光通信，激光束首先经过远距离的自由空间传输，再穿过约20公里的大气湍流层到达地面站的光接收机。湍流只在靠近接收机的相对比较短的一段距离内起作用。对于采用强度调制/直接探测的卫星－地面的激光通信系统，通过增大地面接收天线直径，利用大孔径的孔径平滑效应或采用多孔径的阵列接收等方法可显著降低湍流强度闪烁的影响。

对于地面到卫星的上行激光通信，大气湍流引起的强度闪烁更严重。上行激光束首先穿过约20公里的大气湍流层，然后再经过至少几百公里的自由空间传输。由于卫星上接收天线孔径尺寸有限(一般小于25厘米)，难以采用大孔径或阵列接收天线，因此激光到达卫星上后，强度闪烁很大，会产生深度衰落。对于地面到卫星的上行激光传输，多光束发射技术是目前最常用的一种湍流强度闪烁抑制技术，具有较好的工程实现性。如采用N个互不相关的子光束发射，则总的强度闪烁将降为单个光束强度闪烁的1/N。但这种方法要求各子光束都具有独立的捕获、跟踪及对准（ATP）子系统，并具有独立的光学天线。因此多光束发射系统的总成本将为单光束发射系统的N倍。并且导致激光通信端机体积增大，不便于移动。

抑制无线信道的信号强度起伏还有一种很常用的方法，就是自动功率控制技术。发射机发出的载波信号经过无线信道传输后，由接收机测量接收信号的强度起伏，然后由反向链路将这个强度起伏传送到发射端，再根据这个强度起伏控制发射机的发射功率，从而使接收机接收到的信号强度起伏程度减弱，保持接收功率稳定。

这种发射端自动功率控制方法已在无线移动通信中得到了广泛应用，在空间光通信中也可采用类似的方法（刘自力，涂翠霞，自由空间光通信系统及其发送功率的控制方法，中国专利，申请号：200410052212.0），但这种方法只适用于发射机、接收机相距较近，并且信号强度起伏频率较低的应用条件下。对于地面与卫星之间的通信，由于距离很远，衰落信号波形的回传延时很大，而湍流引起的信号衰落的持续时间只有10毫秒级，此时信道的衰落早已不相关了，因此无法采用这种形式的自动功率控制技术来抑制湍流引起的快速信号衰落。为便于地面站发射的激光束准确对准卫星，卫星需要向地面站发射一束下行信标光，地面站的图像传感器可以根据这束下行信标光，获得目标卫星的方位信息，然后驱动快速偏转镜使上行激光束准确指向卫星，从而消除各种对准误差的影响。

本专利申请人的前期研究发现，对于采用收发共用天线系统的地面与卫星之间的双向激光传输，如使地面光学天线处发射的上行激光束的空间振幅及相位分布，与无湍流时下行信标光的空间振幅及相位分布一致，则存在湍流时，下行信标光在地面接收光学天线焦点处的强度起伏与上行激光束在卫星平面光轴上的强度起伏将是一致的、强相关的。利用这个特性，通过下行信标光，地面站不仅可获得目标卫星的方位信息，还可获得上行激光束在卫星上的光强起伏波形，而不需要在卫星上测量上行激光束的强度起伏波形并回传到地面站，从而可继续采用自动功率控制技术来自动控制上行激光束的发射功率，达到降低上行激光信号衰落，提高激光通信系统性能的目的。

对于地面到GEO（对地静止轨道）卫星的上行激光通信，为了克服大气湍流及地面发射机对准误差引起的上行激光束的信号衰落。利用下行信标光在地面接收光学天线后焦点处的强度起伏与上行激光束在GEO卫星处的强度起伏规律是一致的这一特点，采用一根单模光纤实时测量下行信标光的强度起伏波形，然后利用这个强度起伏波形对上行激光束的发射功率进行自适应控制，使GEO卫星接收到的信号功率平稳，从而抑制上行激光束的信号衰落，由于上行激光束在卫星上的光强与下行信标光在地面光学天线后焦点处的强度起伏相关的角度很小，因此这种湍流强度闪烁抑制方法只能应用于地面站(可高速运动)到GEO卫星的上行激光通信中。

发明内容