自由空间衰减信道的光终端
摘要
本文介绍了使用空间激光通信终端的多样性来减轻大气闪烁引起的衰减。

多接收孔被充分分离来捕捉传入束中的统计独立样本。

接收到的光信号通过照片与实测多样性增益被单独跟踪。

终端由现成的组件组成。

它用来成功演示了在2008年6月到9月之间的一个广泛的温度范围内超过5.4公里的地对地的链接。

提出了设计概要和硬件实现。

这篇文章是由美国国防部，RRCO复员急症室，空军合同FA8721 - 05 - C- 0002赞助的。

其中的意见，结论和建议都是作者的观点，不一定是美国政府支持的。

关键词：自由空间光通信，激光通信
1.引言
地面自由空间激光通信的链接工作由于必须克服大气湍流在低海拔的角度上所以面临重大挑战。

本文介绍一个终端设计来减少波前畸变和降低由于闪烁引起的瞬时功率损失的不利影响。

我们的设计采取的办法是使用无波前补偿的多重小孔径。

有三个原因。

首先，使用小孔径几乎消除了对波前校正的需要，因为小截面有效地降低了波前畸变的倾斜，它可进行追踪利用商业的快速控制反射镜。

第二，由于闪烁的存在，小孔增加了在瞳平面的理想的或接近理想的常量光强分布的可能性，从而导致更有效地耦合到单模光纤。

第三，通过增加小孔输出，有可能减少所有孔径同时衰减的可能性。

虽然空对地应用程序被假设为不对称，但主要是要求较高的下行数据速率，要求跟踪双向光信号。

通过该报告中对实验链接的描述，地面配置终端用来空间分集而飞机终端不能。

一种常见的光学模块设计应用于所有的孔径，包围了之间光纤和自由空间的组成部分，还包括指针机制和空间跟踪传感器。

由于空对地应用不要求前置发射和接收之间的光束共同自于光纤发射器和接收器，从而简化了指向机制的终端设计。

光纤元素实现了传输-接收的双重通信。

基于我们链接表明的孔径小于几厘米所引起的对模拟大气信道的影响将保
持波前畸变产生足够小的失真来避免波前恢复的需要，从而需要简化终端。

通过商用单模光纤准直器的观察我们选择了12毫米直径的孔径，这足以满足有关水平链接的空间分集技术。

合宜地，这使得整个终端很容易得到1”光学直径。

如果可以，增加扩展束，在将来的飞行设计中用来提供更多光学增益但是仍要满足
D<r0 的要求。

孔径必须以高强度的相关距离隔断是为了通过信道衰减的统计独立性来实现空间多样性的潜在利益。

我们链接的模拟大气使用10到20cm的孔径分离足以减少闪烁。

由于缺乏现场测量来证实我们的模拟，我们设计了地线接线柱有四个可调整的从10到20cm的分离孔径。

根据测量过程，我们制定了一个10cm 的正方形模型来很好地满足所有的空间分集增益要求的情况。

电力输送系统的测试始于2008年6月并延续到9月，通信试验主要集中在最后两个月内，具备一些24小时有很大差异的气候条件。

2.设计概述
图1所示为用于发射（飞机）和接收（地面）的终端的光学设计，分为光模块（OM）和电光模块（EOM）。

单模光纤被用于发射和接收的EOM设计，在纤维域实现发射/接收的双重通信。

这种方法减少了光学硬件的复杂性，能够在空对地链接中忽略前向点角。

图1.飞行发射终端的基本布局和地面接收终端的一个信道。

虽然数据传输率不对称，每个终端实际都是双向的。

T/R双工原理也是在每个执行情况时把光纤瞄准仪充当单一光动力
在预期更高动力的发射（飞机）EOM上，T/R双工通信通过一个循环器实现。

接收器的图表展示了一个四通道的地面接收器。

这里一个简单的光纤地址复用器（ADM）被用于发射器/接收器双工通信中通过光纤瞄准仪来阻止发射器的反射。

另一个ADM也用来作为一个紧接着前置放大器的75 GHz通频带的过滤器，即使在实际飞行应用中窄频带表现更好的工作性能。

更好调整路径长度的光纤机制实现了扩大信号匹配各个自阻放大器对输入的要求。

由于动态衰减将用于飞行运行来满足电子电路的动态范围的限制要求，为此固定衰减用来演示。

为了实现地面接收器的四通道的多样性，单信道设计应被重复四次。

图2表明了分集接收机的总体布局。

在操作一个普通时钟和数据恢复电路之前每个信道的各个自阻放大器的输出信号应被统计。

通过它们各自的接收孔径发出不同波长的四个单独的发射器用来充当飞行终端的跟踪发射器。

在飞行中，上行信标可以用来进行调制低数据率通信。

从信道到加法放大器的光程差被保持在不超过1cm。

为了实现这个目标，我们使用既与电缆匹配的OTDR，并同时使用通过校准四个接收器的信道的一个大调制光束来调整光纤延迟模块。

图2.四通道分集接收机的整体布局
OM公司共同设计如图3所示，除了控制回路以外。

初步波束对准了光纤和利用倒装空心锥棱镜的FPA之间。

4％电子束分裂器的直线用来使反馈信号的方向调整到在FPA上想得到的跟踪点。

在正常的运行中，三个跟踪回路用于保持跟踪模
块，光纤波束和快速控制反射镜（FSM）的偏移。

图3.光模块显示控制回路的路线框图和操作使用
主要的跟踪回路操纵着快速控制反射镜来保持传入光束以跟踪摄像机的焦
平面阵列轨道点为中心。

只要主要的跟踪回路运行着，该波束跟踪环就调整4%
来保持输入光束以光纤为中心。

这样保持了光纤到FPA的直线。

第三个回路调整了输出转向镜的指向来除去任何来自FSM的直流偏置，因此最大限度的利用了他的动态范围。

发射模块，代表飞机，利用一个单一的光学模块，而四通道地面接收器用四个不同设计的光模块。

两个信道被建在一个单独板子上，并且是另一个的影像。

输出转向反射镜是一个共同的导轨安装以便调整输出光束的分离来估计信道的相干长度，如图4所示。

图 4.频道配对布局示意图
第二个板子被反向安装在第一个上，这样板子的元件面彼此相对。

两块板子的间隔取决于它们的安装连接的长度。

为了水平连接测量，光束被放在4平方英寸的角落位置上。

这提供了相关传入闪烁模式来证明空间的多样性。

3.硬件实现
每个信道由安装在铁路上的允许调整孔径分离的转向反射镜组成。

快速反射镜补偿倾斜的跟踪检测到的光束变化。

光速分离器分出一小部分接收到的光并指引它通过聚焦镜头和相机的领域作为过滤器的跟踪服务。

大多数传入的光通过光束分离器进入光纤瞄准仪，它被连接到单模光纤到光电探测器结束。

两个商业18“× 18”面包板被各自的两个信道填充。

其中一个在图5中被画出。

所有的光学和主要组成部分是COTS硬件，同样是所有的动态悬置。

一些静态悬置，托架和逆电流器被建在内部。

光束路径在图中标出。

图5.两个接收通道的面包板
快速控制反射镜和控制器采用Newport模块FSM-300，控制反射镜是Newport 激光线介质通过Newport U-100新焦点的驱动器驱动，瞄准仪是光路PN10265900。

光束分离器来自于CVI且也由picomotors驱动。

焦点透镜是Newport BK7 平凸透镜。

光谱过滤器是BARR Associates的窄频带电信过滤器。

Thorlabs的中性密度过滤器用来跟踪信号的衰减。

两个面包板被组装成一个四通道的翻转装置，直接将它安装在另一个的顶端如图6和7所示。

这样做是为了获得信道间所需的最小间距。

垂直间距是通过沿线的站调节的。

图6提供了在适当位置上转换孔径来方便相关信道的孔径间隔的
测试。

图7是连接运行单元的一个侧面。

图.6鉴于前4个通道的光模块,展示了测试的一个孔径转换
图.7四通道接收机在链接操作中的侧视图
4.演示链接
一个近 5.4公里长的水平链接示范通过西部麻省理工学院的圆顶放置的4孔径接收器的望远镜展示。

收发器有类似的设计，但是它是由单独的发射机组成的，被安置在格罗顿.马护林员房间下面的小房间里。

链接下面的地形是郊区，包括道路，农田，鱼塘和森林。

这个链接是第一次运行于2008年6月，定期进行的测试是通过2008年9月，从而包括已过春，夏，秋初的气候条件。

终端所处的环境没有温度和湿度的控制，因此它们看到周围环境大约从高湿度的八月的100°F到九月阴凉干燥的夜晚的温度下降至40° F。

链接行动通常在白天工作时间，而且还包括一些晚上和一些24小时的连续操作。

终端运行在晴朗的天空和阳光直接照射的背景以及部分多云条件下的浓密云层，但从未在下雨。

接收视场（FOV）接近西部因此夕阳降在附近。

不过，太阳从未直接进入接收器的视场。

5.概要
简单的发送和接收终端用来支持在快速反应中缓解空间多样性的验证。

一种常见的光模块的方法简化了系统设计。

硬件主要由COTS电信部分执行。

光纤回转保持光纤在热环境控制的COTS部件的高耦合效率。

该系统表现良好，使信道特性和通信性能测试贯穿整个程序。