Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen von Fehlersignalen für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers.
Informationsübertragung mittels Licht ist im Weltraum eine interessante Alternative gegenüber Mikrowellen-Verbindungen, da mit der Erhöhung der Trägerfrequenz eine bessere Strahlbündelung und damit ein wesentlich grösserer Antennengewinn verbunden ist. Dieser Vorteil kann dazu ausgenutzt werden, die Antennen zu verkleinern, die Sendeleistung zu verringern oder die Datenrate zu erhöhen. Dadurch können das Gewicht und der Energieverbrauch, beides Kriterien, welche für Satellitensysteme wichtig sind, reduziert werden.
In der optischen Kommunikation bieten sich sowohl der unkomplizierte, aber gegenüber Hintergrundlicht anfällige Direktempfang als auch der höchstempfindliche und deshalb für Weltraumanwendungen besonders geeignete Überlagerungsempfang an. Der Empfindlichkeitsgewinn bei Überlagerungsempfang gegenüber Direktempfang hat jedoch eine erheblich aufwendigere Realisierung zur Folge und stellt ausserdem höhere Anforderungen an die verwendeten Komponenten.
Mit dem hohen Antennengewinn optischer Antennen bzw. Teleskope ist ein sehr kleiner Divergenzwinkel verbunden, weshalb eine sehr genaue Ausrichtung der Antennen zueinander notwendig ist. Die Strahlregelungssysteme müssen dabei in der Lage sein, trotz systematischer und stochastischer Bewegungen der Satelliten eine unterbrechungsfreie Verbindung zu ermöglichen.
Wie bei Wittig, M. et al. "In Orbit-Measurement of Microaccelerations of ESA's Communication Satellite OLYMPUS", SPIE Proceedings, Vol. 1218 (1990), S. 205-213 beschrieben, können die stochastischen Bewegungen für einen Satelliten als zwei voneinander unabhängige gaussverteilte Winkelschwankungen modelliert werden, die ein im Folgenden wiedergegebenes Leistungsdichtespektrum S phi haben:
EMI2.1
wobei mit f die Frequenz der Winkelschwankungen bezeichnet ist.
Ein Teil dieser Winkelschwankungen kann durch ein Strahlregelungssystem ausgeregelt werden, und es wird eine Standardabweichung eines unkompensierten Fehlersignals jeder Komponente erhalten (siehe Hayden, W. et al., "Wide-band precision twoaxis beam steerer tracking servo design and test results", SPIE Proceedings, Vol. 1866, S. 271-279 (1993),):
EMI2.2
wobei mit sigma phi x,Rest, sigma phi y,Rest die Standardabweichung des unkompensierten Fehlersignals der beiden Komponenten und mit G(f) die Störsignal-Übertragungsfunktion des Strahlregelungssystems bezeichnet sind. Die unkompensierten Winkelschwankungen hängen mit einem Schwanken der detektierten Leistung zusammen und führen zu einer Erhöhung der Fehlerwahrscheinlichkeit des Kommunikationssystems.
In vielen Fällen kann die Störsignal-Übertragungsfunktion näherungsweise als Hochpass erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz fg beschrieben werden:
EMI3.1
Die Winkelschwankungen werden also um so besser unterdrückt, je höher die Bandbreite des Strahlregelungssystems ist.
Ein zentrales Problem bei der Strahlregelung besteht jedoch darin, ein für eine breitbandige Regelung geeignetes, rauscharmes Fehlersignal zu gewinnen.
Zur Gewinnung eines Fehlersignals bei optischen Überlagerungssystemen werden üblicherweise folgende Konzepte unterschieden. Bei einer Gewinnung eines Fehlersignals mittels Direktempfang wird das empfangene Licht mittels eines Strahlteilers, beispielsweise halbdurchlässiger Spiegel, in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Hierbei wird ein Anteil gewöhnlich in eine Glasfaser eingekoppelt, in einem Faserkoppler mit dem Licht des lokalen Lasers überlagert und dem kohärenten Empfänger des Kommunikationssystems zugeführt.
Ein zweiter Teil wird einem Positionsdetektor; einer CCD-Kamera oder einer sogenannten 4-Quadranten-Photodiode zugeführt und es wird ein Fehlersignal erzeugt. Dabei ist auch eine Kombination verschiedener Detektoren möglich. Die Aufteilung des Strahls in zwei Anteile kann entfallen, falls im Sender ausser dem Kommunikationslaser ein zusätzlicher Laser anderer Wellen länge (BEACON) für die Strahlregelung verwendet wird.
Die Gewinnung eines Fehlersignals mittels Direktempfangs ist jedoch problematisch, wenn vom Empfangsteleskop auch Hintergrundlicht eingefangen wird. In diesem Fall ist das Signal-Rausch-Verhältnis des Fehlersignals und damit auch die Störunterdrückung schlecht. Der für die Strahlregelung gegebenenfalls abgespaltene Anteil des Empfangslichtes steht dem Kommunikationszweig nicht zur Verfügung. Dadurch erhöht sich die für eine bestimmte Fehlerwahrscheinlichkeit notwendige Sendeleistung.
Ferner muss die Justierung der Detektoren des Strahlregelungssystems gegenüber dem Kommunikationssystem höchsten Anforderungen genügen. Die erreichbare Bandbreite der Störunterdrückung ist wegen hoher Signalverarbeitungszeiten im Falle von CCD-Kameras oder wegen des schlechten Signal-Rauch-Verhältnisses aufgrund von Hintergrundlicht in der Regel deutlich kleiner als 1 kHz.
Bei dem sogenannten Nutator-Prinzip wird die Richtcharakteristik eines Empfangsteleskops periodisch, beispielsweise durch eine kreisförmige Bewegung der Glasfaser des Empfängers verändert. Alternativ hierzu kann der Empfangsstrahl mittels beweglicher Linsen, Spiegel oder auch akusto-optisch bzw. elektro-optisch abgelenkt werden.
Falls das Empfangsteleskop hierbei nicht optimal ausgerichtet ist, schwankt die vom Empfänger detektierte Lichtleistung. Durch geeignete Demodulation dieser detektierten Leistung kann ein Fehlersignal für die Strahlregelung erzeugt werden. Zur Akquisition des Empfangsstrahls wird auch hier zusätzlich eine CCD-Kamera verwendet.
Nachteilig bei dem vorstehend kurz skizzierten Nutator-Prinzip ist, dass bei diesem Verfahren die maximal erreichbare Bandbreite der Störunterdrückung etwa ein Zehntel der Frequenz der dem Empfangsstrahl überlagerten Kreisbewegung ist. Die Dreh frequenz muss hierbei für optische Satelliten-Kommunikation üblicherweise grösser als 10 kHz sein und stellt im Falle einer mechanischen Ablenkung des Empfangsstrahls bzw. der Glasfaser des Empfängers höchste Anforderungen an die verwendeten Komponenten. Daher erscheint die Verwendung solcher Komponenten im Weltraum kritisch. Dieser Nachteil ist beispielsweise bei einer elektro-optischen bzw. akusto-optischen Strahlablenkung vermieden, wobei diese jedoch mit teilweise erheblichen optischen Verlusten verbunden ist.
Die Gewinnung des Fehlersignals für räumliche Strahlregelung erfolgt dabei mittels synchroner Demodulation der detektierten optischen Leistung. Hierbei muss beispielsweise die von der Temperatur abhängige Phasenverschiebung der an der Strahlregelung beteiligten Komponenten berücksichtigt und gegebenenfalls ausgeregelt werden. Ein in der Praxis unvermeidbarer Restfehler führt hierbei ebenso wie die Kreisbewegung der Empfangscharakteristik um ihr Maximum zu einem systematischen Verlust an Empfindlichkeit.
Aus der europäischen Patentanmeldung 642 236 A2 ist ein Verfahren zum Gewinnen von Fehlersignalen für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers bekannt, bei welchem eine Anordnung von Silizium-Photodioden zum kohärenten Empfangen eines Datensignals und zum direkten Empfangen von Fehlersignalen benutzt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der systematischen Verluste ein Fehlersignal für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers und gleichzeitig ein Datensignal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Gemäss der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zur Gewinnung von Fehlersignalen für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Ferner ist gemäss der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen.
Bei der erfindungsgemässen Lösung wird das mit einer optischen Einrichtung aufbereitete Empfangslicht mit dem Licht eines lokalen Lasers im freien Raum überlagert, und das sich ergebende Überlagerungssignal wird mit einer Anzahl Photodioden detektiert. Anschliessend wird durch eine zweckmässige Addition bzw. Subtraktion der Photodiodenströme sowohl ein Fehlersignal für die Strahlregelung als auch das beliebig modulierte Datensignal gewonnen. Hierbei ist die Form sowie die Ausrichtung der einzelnen Photodioden so gewählt, dass einerseits bereits bei einer kleinen Abweichung des Empfangsstrahls von dessen optimaler Lage ein deutliches Fehlersignal entsteht und andererseits das Datensignal ein möglichst grosses Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Hierzu werden als Photodioden vorzugsweise halbkreisförmige Photodioden verwendet.
Bei ausgeschaltetem Lokaloszillator ist mit dem erfindungsgemässen Konzept ausserdem eine Akquisition und Nachführung des Empfangslichts mittels Direktempfang möglich. Dies wiederum ist für eine Inbetriebnahme eines kohärenten Übertragungssystems notwendig.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren sind die Vorteile der Gewinnung eines Fehlersignals mittels Direktempfang bzw. des sogenannten Nutator-Prinzips verbunden und gleichzeitig deren Nachteile vermieden. Da gemäss der Erfindung das zur Regelung benutzte Signal aus den Überlagerungsströmen von Photodioden gewonnen wird, ist das Signal-Rausch-Verhältnis hoch und praktisch unabhängig von Hintergrundlicht. Zusammen mit einer sehr kurzen Verzögerungszeit des Fehlersignals ermöglicht dies eine grosse Bandbreite des Strahlregelungssystems und führt somit zu einer hohen Störunterdrückung.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren braucht auch nicht ein Anteil des Empfangslichts zur Gewinnung des zur Regelung verwendeten Signals abgespaltet zu werden. Eine systematische Fehlausrichtung des Empfangsteleskops wie bei dem Nutator-Prinzip entfällt ebenfalls. Deshalb treten bei dem erfindungsgemässen Verfahren die bei den eingangs kurz behandelten Verfahren festgestellten, systematischen Verluste nicht auf.
Ferner sind die für Anwendungen im Weltraum besonders kritischen, mechanischen Anforderungen zum Teil erheblich reduziert. Ferner können optische Abbildungsfehler, die aufgrund von Aberration auftreten, wegen der langen Brennweite vernachlässigt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine mit Hilfe von Blockdiagrammen schematische Wiedergabe des erfindungsgemässen Verfahrens, und
Fig. 2 eine ebenfalls zum Teil mit Hilfe von Blockdiagrammen wiedergegebene Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, wird mittels einer Empfangsoptik aufgenommenes, sowie anschliessend gebündeltes und fokussiertes Licht einem Strahlteiler 2 zugeführt. In dem Strahlteiler 2 wird das fokussierte Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser 3 überlagert. Das mit dem Licht des lokalen Lasers überlagerte Empfangslicht wird durch den Strahlteiler 2 entsprechend aufgeteilt und die entstehenden Teilstrahlen werden jeweils einer durch Photodioden gebildeten Detektoranordnung 41 und 42 zugeführt. Aus den Ausgangsströmen der beiden Detektor-Anordnungen 41 und 42 werden in einer nachgeordneten Elektronik 5, deren prinzipieller Aufbau nachstehend anhand von Fig. 2 näher beschrieben wird, sowohl ein mit der Information behaftetes Überlagerungssignal als auch eine x- und y-Komponente des Fehlersignals gebildet.
Die Fehlersignal-Komponenten x und y werden über eine Regelungsein heit 6 zur Strahlsteuerung verwendet. Aus dem Überlagerungssignal wird zusätzlich die Frequenz- und gegebenenfalls die Phasenregelung des lokalen Oszillators abgeleitet.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird nunmehr anhand von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 wird auftreffendes Empfangslicht, was durch drei waagrechte Pfeile links in Fig. 2 angedeutet ist, mittels einer Linsenanordnung aus zwei aberrationskorrigierten Linsen 10 und 13 über Kippspiegelsysteme 11 und 12 auf die Photodetektoren fokussiert. Die Kombination aus einer konvexen Linse 10 und einer konkaven Linse 13 ergibt eine kurze Bauform bei grosser Brennweite. Bei den beiden Kippspiegelsystemen handelt es sich um ein langsames Kippspiegelsystem 11 mit grosser Dynamik und um ein schnelles Kippspiegelsystem 12 mit kleiner Dynamik. In dem polarisationsunabhängigen Strahlteilerwürfel 20 wird das gebündelte und fokussierte Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser 3 im freien Raum überlagert.
Die durch den Strahlteilerwürfel 20 gebildeten Teilstrahlen werden von jeweils einem Photodiodenpaar 41 bzw. 42 detektiert. Vorzugsweise werden als Photodioden 411, 412, 421 und 422 halbkreisförmige Photodioden verwendet.
Die Ausgangsströme der Photodioden 411 bis 422 werden in rauscharmen Verstärkern 511 bis 522 verstärkt und dann vorzeichenrichtig in Addiergliedern 54 und 55 addiert bzw. in Subtrahiergliedern 51 bis 53 subtrahiert und anschliessend getrennt in nachgeordneten Verstärkern 561 bis 563 verstärkt. Zur Bildung der Fehlersignal-Komponente x ist dem Verstärker 561 ein Gleichrichter 571 und zur Bildung der Fehlersignal-Komponente y ist dem Verstärker 562 ein Gleichrichter 572 zugeordnet. Nach der vorzugsweise synchron erfolgten Gleichrichtung der Fehlersignal-Komponente (x, y) werden diese einer Regelungseinheit 6 zugeführt, deren Ausgangssignale zu einer entsprechenden räumlichen Strahlregelung mittels der beiden Kippspiegelsysteme 11 und 12 benutzt werden.
Das informationsbehaftete Überlagerungssignal am Ausgang des Verstärkers 563 wird sowohl der Einheit 7 zur Gewinnung des Datensignals als auch der Einheit 30 zur Frequenz- und gegebenenfalls zur Phasenregelung des lokalen Lasers 3 zugeführt.
Wie vorstehend bereits kurz ausgeführt, weist das Datensignal ein hohes Signal-Rauch-Verhältnis auf und ist praktisch unabhängig von Hintergrundlicht. Gleichzeitig ist bedingt durch die sehr geringe Verzögerungszeit in den x- und y-Komponenten des Fehlersignals eine grosse Bandbreite im Strahlregelungssystem geschaffen, wodurch wiederum eine sehr hohe Störunterdrückung erreichbar ist.