CN102857294B - 地面到geo卫星激光通信中信号衰落的抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法及装置。在地面站用一单模光纤测量GEO卫星发出的下行信标光的强度起伏波形，上行激光束通过同一根单模光纤沿与下行信标光相反的方向传输，然后从单模光纤端面出射。用从单模光纤中测量的下行信标光的强度起伏波形的倒数去调制待传上行数据波形，然后驱动激光器发出上行激光，该上行激光束传输到GEO卫星后，大气湍流及地面发射机对准误差引起的信号衰落即可自动消除，使卫星接收的激光功率平稳。在给定的衰落概率下，可降低上行激光束的平均发射功率。

Description

地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法及装置

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***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***，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***，并具有独立的光学天线。因此多光束发射***的总成本将为单光束发射***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***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***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***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

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术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，湍流强度闪烁抑制方法只能应用于地面站到GEO（对地静止轨道）卫星的上行激光通信中。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提出一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法。该方法包括，从GEO卫星发出的下行信标激光通过大气湍流后由光学天线(1-1)接收，经过快速偏转镜(1-2)及分光镜(1-3)后，由透镜(1-5)将下行信标光耦合进入后焦面的单模光纤(1-6)中，经过波分复用器(1-7)后用光电探测器(1-8)将信标光转换为电信号，信号处理模块(1-9)对该电信号进行放大以及滤波处理后，可得到下行信标光的强度起伏波形。由于下行信标光强度起伏与上行激光束强度起伏规律是相同的，因此该强度起伏波形可反映沿同一湍流路径传输的上行激光束的强度起伏。将该强度起伏波形送入信号处理中心 (1-10)完成信号功率的判断，再通过发送控制模块(1-11)对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，其中功率自动控制的方法可通过输入信号的光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，通过功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值；待传数据的调制过程则是利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。

最后利用所需功率得到匹配的驱动电流，驱动激光器(1-12)发出激光，该激光功率就具有下行信标光强度起伏波形倒数形式的功率起伏。激光器(1-12)发出的激光由波分复用器(1-7)耦合进入单模光纤(1-6)中，沿与下行信标光信号完全相反的方向传输。经过透镜(1-5)、分光镜(1-3)、快速偏转镜(1-3)后由光学天线(1-1)发射出去，形成准直的上行激光束，最后到达GEO卫星。

由于对准误差及大气湍流波前倾斜的存在，为保证下行信标光正确的耦合进入单模光纤(1-6)中，保证上行激光束准确指向GEO卫星，还需要一自动跟踪***消除对准误差及大气湍流的波前倾斜。

自动跟踪***由分光镜(1-3)分出一部分信标光束，通过光阑(1-15)、透镜(1-13)后在图像传感器(1-14)上成像。由图像传感器(1-14)上光斑图像可获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块(1-16)使快速偏转镜(1-2)偏转，消除对准误差及大气湍流的波前倾斜。

因为下行信标光与上行激光束是通过同一单模光纤的，其传输路径完全相同，只是方向相反，因此自动跟踪过程可同时完成下行信标光到单模光纤(1-6)的耦合及上行激光束对准GEO卫星，光阑(1-15)用来限制信标光束直径，使由图像传感器(1-14)测量的由湍流引起的波前倾斜可基本反映上行激光束的湍流波前倾斜。

在本发明中，采用单模光纤(1-6)获得下行信标光的强度起伏波形，并同时作为上行激光束的输出通道。由这根单模光纤(1-6)实现地面光学天线(1-1)处发射的上行激光束的空间振幅分布，与无湍流时下行信标光的空间振幅分布匹配。从后焦面单模光纤(1-6)输出的上行激光束传输到光学天线(1-1)处的空间振幅分布为高斯分布，其波前相位为一平面。

而无湍流时下行信标光在地面光学天线(1-1)处的波前相位也为一平面，但其空间振幅分布为均匀分布。这个均匀平面波继续传输到后焦面单模光纤(1-6)并耦合进入光纤中。根据光耦合理论，这根单模光纤对下行信标光的振幅起空间滤波作用，等效在光学天线(1-1)平面上，滤波后实际起作用的振幅分布将与上行激光束的高斯形振幅分布完全相同。这样,在存在湍流的条件下，单模光纤(1-6)接收的下行信标光的强度起伏可以完全反映卫星上接收的上行激光束的强度起伏。

除此之外，单模光纤(1-6)还可保证接收的下行信标光与地面发射的上行激光束的传输路径完全一致，但方向相反，实现更高精度的光束对准。而且在这种情况下，由自动跟踪***的残余对准误差引起的卫星上接收的上行激光束的强度起伏，与单模光纤接收的下行信标光的强度起伏，其变化规律也是完全相同的。因此这种方法可同时不加区分地抑制大气湍流及残余对准误差引起地信号衰落。

本发明的有益效果是：

(1)在发射机端可实时获得发射机发出的激光信号到达接收机端的强度起伏波形，避免了在接收机端测量强度起伏波形，并将强度起伏波形从接收机送回到发射机的回传过程，使得在远距离的地面到GEO卫星之间的激光通信中，仍然可以对发射机的发射功率进行自适应控制来抑制湍流引起快速信号衰落。

(2)只采用一个上行激光束就可极大的抑制大气湍流强度闪烁，降低了上行激光信号的衰落深度。

(3)本发明还可抑制地面发射机对准误差引起的上行激光束的信号衰落。

(4)技术方案简单，相对于单光束发射，成本增加不大，但可显著降低湍流强度闪烁。与多光束发射技术相比，可极大地降低成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是采用前向信号预测的强度起伏波形获取及处理结构示意图。

图3是根据多相位屏数值模拟的本发明实施例的有益结果图。

具体实施方式

利用下行信标光的强度起伏与上行激光束强度起伏的相关性来抑制上行激光束强度起伏的一个实施例如图1所示。从GEO（对地静止轨道）卫星上发出的下行信标激光通过大气湍流后由地面光学天线(1-1) (直径                                               约5～20厘米)接收，光学天线(1-1)为一共焦光学***，下行信标光经过光学天线(1-1)后仍为平行光束，但光束直径被压缩。然后再经过快速偏转镜(1-2)、分光镜(1-3)及透镜(1-5)后，在透镜(1-5)后焦面上耦合进入单模光纤(1-6)中，经过波分复用器(1-7)后用光电探测器(1-8)将信标光转换为电信号，信号处理模块(1-9)对该电信号进行放大以及滤波处理后，可得到下行信标光强度起伏波形。将该强度起伏波形送入信号处理中心 (1-10)完成信号功率的判断，再通过发送控制模块(1-11)对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，其中功率自动控制的方法可通过输入信号的光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，通过功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值。待传数据的调制过程则是利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。

最后利用所需功率得到匹配的驱动电流，驱动激光器(1-12)发出激光，该激光功率就具有下行信标光强度起伏波形倒数形式的功率起伏。激光器(1-12)发出的激光由波分复用器(1-7)耦合进入单模光纤(1-6)中，沿与下行信标光信号相反的方向传输到透镜(1-5)的右焦点处输出。再经过分光镜(1-3)、快速偏转镜(1-2)后到达光学天线(1-1)表面，形成准直的上行激光束。此处上行激光束的振幅分布为高斯分布，波前相位近似为一平面。

为消除地面发射机的对准误差及大气湍流的波前倾斜，使下行信标光高效进入单模光纤(1-6)中，并使上行激光束准确指向GEO卫星，还需一自动跟踪***。由分光镜(1-3)分出一部分信标光，通过光阑(1-15)、透镜(1-13)后在图像传感器(1-14)上成像。由图像传感器(1-14)上光斑图像可获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块(1-16)使快速偏转镜(1-3)偏转，消除对准误差及大气湍流波前倾斜。这一自动跟踪过程可同时完成下行信标光到单模光纤(1-6)的耦合及上行激光束对准GEO卫星。

单模光纤(1-6)与图像传感器(1-14)之间可能存在相对位置漂移，使自动跟踪***的基准位置发生变化，其结果使上行激光束的光轴偏离GEO卫星位置。通常的解决方法是增加一电子快门(1-17)及角锥棱镜(1-4)，使图像传感器(1-14)也可探测上行激光束的实际出射方向，从而校准自动跟踪***的跟踪基准。

短波长(0.85)单模光纤的模场半径一般约2～3微米左右，为使压缩后的信标光更能够高效耦合进入单模光纤(1-6)中，需满足如下条件：，式中为透镜的焦距，为激光波长，透镜(1-5)直径为,为单模光纤的模场半径。通常条件下，在该条件下，信标光到单模光纤的最大耦合效率为81.45%，如再考虑其它因素引起的损耗，50％的耦合效率是可以做到的。从单模光纤端面出射的高斯光束达到透镜(1-5)处时，高斯光束的光腰半径为。

光阑(1-15)用来限制在图像传感器(1-14)上成像的下行信标光束直径，使图像传感器(1-14)测量的由湍流引起的波前倾斜可基本反映上行激光束的湍流波前倾斜，然后通过快速偏转镜(1-2)的偏转消除湍流引起的波前倾斜及对准误差。一般光阑(1-15)的孔径半径与透镜(1-13)处上行高斯光束光腰半径相当，即。

如下行信标光与上行激光束采用不同的波长，则需要对光学天线(1-1)及透镜(1-5)消色差，以保证下行信标光可以会聚在透镜(1-5)后的单模光纤(1-6)端面处的同时，保证从单模光纤端面发出的上行激光束从光学天线(1-1)出射后是准直的。光学天线(1-1)可以采用透射式天线，也可采用反射式天线，反射式天线不存在色差问题。

从单模光纤(1-6)中获得下行信标光的强度起伏波形，并用这个强度起伏波形去控制上行激光束的发射功率，需要一定的信号处理时间，在这一段时间内，由于风速的影响，大气湍流会发生变化，使上行激光束的强度起伏与下行信标光的强度起伏可能不完全一样，另外机械振动也会使单模光纤的位置改变。一般大气湍流的强度闪烁及机械振动的频率在100Hz以下，为降低时间延迟引起的误差，信号处理时间必须足够短，小于1毫秒是需要的，最好能达到0.1毫秒以下。

在对强度起伏波形的获取及处理时间内，大气湍流及单模光纤位置可能会发生变化。一种更好的信号处理方式是利用强度起伏的相关性，根据以前的强度起伏值预测延时后的强度起伏值。

如图2所示，从单模光纤(1-6)中测量的下行信标光的强度起伏波形，经过 A/D转换器(2-1)变为数字信号，然后由前向信号预测模块(2-2)根据前n个采样时刻的数字信号,,…，,可采用自适应最小均方误差前向信号预测算法等预测算法预测延时后的值，再通过D/A转换器(2-3)转换为模拟信号，将该模拟信号送入信号处理中心 (1-10)完成其信号功率的判断，再通过发送控制模块(1-11)对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，然后利用所需功率得到匹配的驱动电流，最后驱动激光器(1-12)发出激光。

假设信号采样时间间隔与信号处理时间相等(),前向信号预测即根据信号以前时刻的采样值，得到的估计值，表示用于预测的已知数据的个数。可采用如下自适应最小均方误差前向信号预测算法：

(1)由以前时刻的采样信号，,表示计算自相关时的样本数据个数，表示采样数据的整数序数，要求足够大以得到更准确的信号自相关值，计算信号的自相关值,，表示两个采用信号时刻差。

(2)根据写出信号与自相关矩阵，，、表示采样数据的整数序数，和分别表示第个和第个时刻的信号采样值。然后求的逆矩阵。及都为矩阵。

(3)根据写出信号与的自相关矩阵，。为矩阵。

(4)计算信号预测系数。

(5)最后根据公式： ，，得到信号的估计值。

在本实施案例中，从单模光纤(1-6)中测量到的下行信标光的强度起伏来源主要有以下几方面：(1)GEO卫星上激光器的强度噪声，(2)下行激光束到地面站的对准误差引起强度起伏，(3)大气湍流引起的强度起伏，(4)透镜(1-5)后焦面信标光斑与单模光纤不能完全对准引起强度起伏，(5)光电探测电路噪声引起的测量误差。

而GEO卫星上接收的上行激光束的强度起伏来源包括：(1)地面激光器的强度噪声，(2)大气湍流强度起伏，(3)地面发射机对准误差引起的强度起伏, (4)下行信标光强度起伏倒数形式的强度起伏。如不考虑信号处理的时延及下行信标光与上行激光束波长不一致的影响，则由大气湍流及上行激光束到GEO卫星的对准误差引起的GEO卫星上光信号的强度起伏, 与大气湍流及透镜(1-5)后焦面信标光斑与单模光纤不能完全对准引起单模光纤中光信号的强度起伏规律是完全一致的，采用本发明的方案后，这两种因素的影响可抵消。

因此最后GEO卫星上接收的光信号将包含以下几种因素引起的强度起伏：

(1)GEO卫星上激光器的强度噪声，(2)地面激光器的强度噪声，(3)下行激光束到地面站的对准误差引起强度起伏，(4)光电探测电路噪声引起的测量误差。

一般激光器的强度噪声是比较小的，基本可忽略，下行激光束到地面站的对准误差引起的功率平均降低量及强度起伏方差为

  

式中为单轴对准误差标准差与下行信标光束宽度(功率点全宽)的比值，为无对准误差时的光轴上的最大光强，为有对准误差时的地面光学天线接收的光强。一般工程上要求，对应的强度起伏方差，功率平均降低量（平均光强为光轴上最大光强值的86%）。增大下行信标光束宽度可降低强度起伏方差并使平均光强增加。用下行激光束到地面站的对准误差引起的强度起伏波形的倒数(即)去调制待传上行数据后，不会引起GEO卫星上信号衰落，只会使信号增强，但相应地需要发射的上行激光束平均功率会增加1.16倍(约0.6dB)，功率代价并不大。

如何准确的测量单模光纤中下行信标光的强度起伏波形是需要仔细处理的一个问题，光电探测电路噪声会使强度起伏波形测量不准确，最后会反映到GEO卫星接收的光强上，需采用低噪声检测电路测量下行信标光强度起伏波形，大气湍流及对准误差的起伏频率一般在100Hz以下，因此需特别注意抑制各种低频噪声的干扰。强度起伏波形信噪比需大于20dB～30dB以上。

从以下两点进行具体说明，一是下行信标光在地面光学天线后焦点的强度起伏波形与上行激光束在卫星处的强度起伏波形具有强相关性。二是单模光纤可对光学天线上平均振幅近似均匀分布的下行信标光的振幅进行空间滤波，使实际起作用的下行信标光振幅分布与上行激光束的高斯形振幅分布完全相同。

对于第一个问题，采用多相位屏的方法，把湍流分为许多子层(为整数序数，表示第层)，各层之间的距离分别为，在各湍流子层中，湍流对传输的光波产生附加的相位扰动分别为，层与层之间的传播采用菲涅耳衍射原理。整个过程类似于激光传输的多相位屏数值模拟。

对于上行激光束，设发射光学天线位置处的初始光波复振幅分布为，则激光向上传输到各个子层时的复振幅，，...，为：

  (1)

   (2)

…

             (3)

式中为激光自由空间波数，为激光波长，表示各子层上的二维坐标，表示虚部单位。

顶层大气离卫星的距离很大，光波达到湍流顶层后，可根据夫琅和费衍射计算卫星处光波的复振幅。 

                           (4)

式(1)～(4)中未写出与复振幅空间分布无关的系数。将式(1)～(3)代入式(4)，得

    (5)

对于下行信标光(假设与上行激光束波长相同,实际应用中相差很小，可忽略其差异)，先经过远距离的自由空间传播，到达大气湍流顶部时光束直径已经很大，可认为是均匀平面波，假设振幅为1，然后从上到下传播到地面光学天线处，传输到各个子层时的复振幅分别为

      (6)

…

   (7)

    (8)

在地面，下行信标光的光斑直径很大，一般达10米以上，而用于光束捕获、对准及跟踪的光学天线直径比较小，一般小于0.2～0.3米，这样在信标光接收天线孔径内，无湍流时可认为信标光的空间复振幅分布是均匀的。对这个均匀分布的复振幅施加一个空间复振幅滤波函数，则在接收光学天线后焦点处光波的复振幅为

                    (9)

与前面一样，式(6)～(9)中也未写出与复振幅空间分布无关的系数。将式(6)～(8)代入式(9)，得

    (10)

由式(5)及式(10)可见，如下行信标光的空间复振幅滤波函数与上行激光束的初始复振幅的空间分布相同,即=，（A为常数因子），则卫星上光波复振幅与地面光学天线焦点处光波复振幅的变化规律将相同。即地面光学天线焦点处的信标光强度起伏波形与卫星上接收到的上行信标光信号的强度起伏波形相同。

下面说明采用同一根单模光纤来发射上行激光束及接收下行信标光，可以使。

设地面光学天线半径为，焦距为。模场半径为的单模光纤放置在焦点处，则单位功率的高斯光束从单模光纤出射后，到达光学天线处的复振幅分布为：

          (11)

其中为地面光学天线处上行高斯光束光腰半径。

耦合进单模光纤的下行信标光复振幅可在单模光纤端面处计算，也可在光学天线平面处计算，两种方法是等价的(Wallner O, Winzer P J, Leeb W R. Alignment tolerances for plane wave to single-mode fiber coupling and their mitigation by use of pigtailed collimators. Appl.Opt,2002,41(4):637-643)。如在天线平面处计算，相当于地面光学天线处的下行信标光复振幅与从单模光纤出射的高斯光束到达光学天线处的复振幅进行相关运算，即

                 (12)

与式(9)进行比较，有，即利用单模光纤的空间滤波作用，可使实际起作用的下行信标光复振幅分布与初始的上行激光束复振幅分布完全相同。即使在单模光纤存在位置误差及光学天线边缘对高斯光束产生截断效应的情况下，它们也是完全相同的。如单模光纤存在位置误差(随机起伏的)，则位置误差将在式(11)中产生一个波前倾斜量，该波前倾斜使上行激光束产生对准误差，使上行激光束光轴偏离卫星位置，卫星接收信号产生强度起伏。另一方面，单模光纤的位置误差也会使耦合进入单模光纤中的下行信标光产生强度起伏。两者的起伏规律是完全相同的。因此采用同一根单模光纤还可抑制地面发射机对准误差引起的上行激光束强度起伏。

在距地面10km高度处存在一湍流较强的区域，对上行激光束强度闪烁有较大贡献，并且该区域风速较大，可达30米/秒。

下行信标光从该区域经过10km湍流路径传播到地面，然后由地面发射的上行激光束返回到该区域的时间，至少需要0.07毫秒，而如天顶角较大，这个时间会更长。因此下行信标光强度起伏波形的获取及根据其倒数波形调制激光器产生上行激光束的时间，可参照这个时间设计，可取0.1～1毫秒，更短的信号处理时间意义不大。

采用本发明的方法后，地面到GEO卫星的上行激光束的强度闪烁值可大大降低。 图3所示为根据多相位屏数值模拟的本发明实施后的有益结果图（只考虑了大气湍流的影响）。模拟条件：采用Hufnagel-Valley 5/7大气湍流折射率模型，Bufton风模型（陈京元，大气湍流间歇性及其对光波传播的影响，中国工程物理研究院博士学位论文，2005.1），天顶角，上行激光束为高斯光束，光腰直径为7.5厘米，波长0.85微米，下行信标光波长0.83微米。未采用本发明时(即上行激光束初始发射功率恒定)，湍流波前倾斜跟踪后上行激光束在光轴附近的强度闪烁指数约为0.21。应用本发明并且信号处理时间为0.1毫秒时，湍流波前倾斜跟踪后上行激光束在光轴附近的强度闪烁指数约为0.0045，强度闪烁指数降低四十多倍。应用本发明并且信号处理时间为1毫秒时，倾斜跟踪后上行激光束在光轴附近的强度闪烁指数约为0.036，强度闪烁降低近六倍。

由于上行激光束与下行信标光强度起伏相关的角度范围很小，只有几微弧度。在实际应用中最好将上行激光束与下行信标光之间的角度偏差控制在1微弧度以下，这时才会有明显的有益效果。如上行激光束与下行信标光之间的角度偏差较大，则卫星上接收的光信号的强度起伏反而会增大。

另外本发明只能用在地面对GEO卫星的上行激光通信中，因为如果卫星相对地面站运动，则上行激光束需要超前瞄准，而这个超前瞄准角度一般情况下会达到几十微弧度，远远超过上行激光束与下行信标光强度起伏的相关角度。但地面站并不一定要求静止，可以是高速运动的。如地面站高速运动，则要求更短的信号处理时间，对信号处理时间的要求与地面站运动速度成反比。 

Claims (6)

1.一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制装置，其特征在于：地面光学天线将接收的GEO卫星发出的下行信标光耦合进入单模光纤，获得大气湍流及地面发射机对准误差引起的上行激光束在GEO卫星上光信号的强度起伏波形，测量单模光纤中信标光的强度起伏波形，信号处理中心对该强度起伏波形进行功率判断，发送控制模块对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，驱动激光器发出上行激光，该上行激光由波分复用器耦合进入单模光纤中，沿与下行信标光信号相反的方向传输到单模光纤的端面输出，再经过透镜、分光镜，快速偏转镜后，从光学天线出射形成准直的上行激光束；所述进行功率判断具体为，下行信标光的强度起伏波形，经过 A/D转换器后由前向信号预测模块根据前n个采样时刻的数字信号                                                ,,…，，预测延时后的值，通过D/A转换器转换为模拟信号，送入信号处理中心完成其信号功率的判断；所述对功率进行自动控制具体为：输入信号光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值；待传数据的调制具体为：利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。

2.根据权利要求1所述的抑制装置，其特征在于：为消除地面发射机的对准误差及大气湍流的波前倾斜，由分光镜分出一部分信标光，通过光阑、透镜后在图像传感器上成像，由图像传感器上形成的光斑图像获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块使快速偏转镜偏转，消除对准误差及大气湍流波前倾斜。

3.根据权利要求1所述的抑制装置，其特征在于：为使信标光高效耦合进入单模光纤中，需满足如下条件：，式中，为单模光纤模场半径，为透镜的焦距，为激光波长，为透镜直径。

4.一种地面到GEO卫星激光通信中信号衰落的抑制方法，其特征在于：地面光学天线将接收的GEO卫星发出的下行信标光耦合进入单模光纤，获得大气湍流及地面发射机对准误差引起的上行激光束在GEO卫星上光信号的强度起伏波形，测量单模光纤中信标光的强度起伏波形，信号处理中心对该强度起伏波形进行功率判断，发送控制模块对功率进行自动控制并完成待传数据的调制，驱动激光器发出上行激光，该上行激光由波分复用器耦合进入单模光纤中，沿与下行信标光信号相反的方向传输到单模光纤的端面输出，再经过透镜、分光镜，快速偏转镜后，从光学天线出射形成准直的上行激光束；所述进行功率判断具体为，下行信标光的强度起伏波形，经过 A/D转换器后由前向信号预测模块根据前n个采样时刻的数字信号,,…，，预测延时后的值，通过D/A转换器转换为模拟信号，送入信号处理中心完成其信号功率的判断；所述功率自动控制的方法具体为：输入信号光电转换之后的功率与发射所需的功率进行比较，功率反馈电路对功率进行补偿，使其达到所需的功率值；待传数据的调制具体为：利用下行信标光强度起伏的倒数波形去调制待传上行数据波形。

5.  根据权利要求4所述的抑制方法，其特征在于：为消除地面发射机的对准误差及大气湍流的波前倾斜，由分光镜分出一部分信标光，通过光阑、透镜后在图像传感器上成像，由图像传感器上形成的光斑图像获得下行信标光的入射方位，通过驱动控制模块使快速偏转镜偏转，消除对准误差及大气湍流波前倾斜。

6.根据权利要求4所述的抑制方法，其特征在于：为使信标光高效耦合进入单模光纤中，需满足如下条件：，式中，为透镜的焦距，为激光波长，为透镜直径，为单模光纤模场半径。