DE19512966A1 - Verfahren zur Gewinnung eines Fehlersignals für eine räumliche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers - Google Patents
Verfahren zur Gewinnung eines Fehlersignals für eine räumliche Strahlregelung eines optischen ÜberlagerungsempfängersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Feh
lersignals für eine räumliche Strahlregelung eines optischen
Überlagerungsempfängers.
Informationsübertragung mittels Licht ist im Weltraum eine in
teressante Alternative gegenüber Mikrowellen-Verbindungen, da
mit der Erhöhung der Trägerfrequenz eine bessere Strahlbünde
lung und damit ein wesentlich größerer Antennengewinn verbun
den ist. Dieser Vorteil kann dazu ausgenutzt werden, die An
tennen zu verkleinern, die Sendeleistung zu verringern oder
die Datenrate zu erhöhen. Dadurch können das Gewicht und der
Energieverbrauch, beides Kriterien, welche für Satellitensy
steme wichtig sind, reduziert werden.
In der optischen Kommunikation bieten sich sowohl der unkom
plizierte, aber gegenüber Hintergrundlicht anfällige Direkt
empfang als auch der höchstempfindliche und deshalb für Welt
raumanwendungen besonders geeignete Überlagerungsempfang an.
Der Empfindlichkeitsgewinn bei Überlagerungsempfang gegenüber
Direktempfang hat jedoch eine erheblich aufwendigere Realisie
rung 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 Satel
liten 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 Sϕ haben:
wobei mit f die Frequenz der Winkelschwankungen bezeichnet
ist.
Ein Teil dieser Winkelschwankungen kann durch ein Strahlrege
lungssystem ausgeregelt werden, und es wird eine Standardab
weichung eines unkompensierten Fehlersignals jeder Komponente
erhalten (siehe Hayden, W. et al., "Wide-band precision two
axis beam steerer tracking servo design and test results",
SPIE Proceedings, Vol. 1866, S. 271-279 (1993), ):
wobei mit σd x,Rest, σϕ y,Rest die Standardabweichung des unkompen
sierten Fehlersignals der beiden Komponenten und mit G(f) die
Störsignal-Übertragungsfunktion des Strahlregelungssystems be
zeichnet sind. Die unkompensierten Winkelschwankungen hängen
mit einem Schwanken der detektierten Leistung zusammen und
führen zu einer Erhöhung der Fehlerwahrscheinlichkeit des Kom
munikationssystems.
In vielen Fällen kann die Störsignal-Übertragungsfunktion nä
herungsweise als Hochpaß erster Ordnung mit einer Grenzfre
quenz fg beschrieben werden:
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, rausch
armes Fehlersignal zu gewinnen.
Zur Gewinnung eines Fehlersignals bei optischen Überlagerungs
systemen werden üblicherweise folgende Konzepte unterschieden.
Bei einer Gewinnung eines Fehlersignals mittels Direktempfang
wird das empfangene Licht mittels eines Strahlteilers, bei
spielsweise halbdurchlässiger Spiegel, in zwei Teilstrahlen
aufgeteilt. Hierbei wird ein Anteil gewöhnlich in eine Glasfa
ser eingekoppelt, in einem Faserkoppler mit dem Licht des lo
kalen Lasers überlagert und dem kohärenten Empfänger des Kom
munikationssystems zugeführt.
Ein zweiter Teil wird einem Positionsdetektor, einer CCD-Kame
ra oder einer sogenannten 4-Quadranten-Photodiode zugeführt
und es wird ein Fehlersignal erzeugt. Dabei ist auch eine Kom
bination 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 Hinter
grundlicht eingefangen wird. In diesem Fall ist das Signal-
Rauch-Verhältnis des Fehlersignals und damit auch die Störun
terdrückung schlecht. Der für die Strahlregelung gegebenen
falls abgespaltene Anteil des Empfangslichtes steht dem Kommu
nikationszweig nicht zur Verfügung. Dadurch erhöht sich die
für eine bestimmte Fehlerwahrscheinlichkeit notwendige Sende
leistung.
Ferner muß die Justierung der Detektoren des Strahlregelungs
systems gegenüber dem Kommunikationssystem höchsten Anforde
rungen genügen. Die erreichbare Bandbreite der Störunter
drückung ist wegen hoher Signalverarbeitungszeiten im Falle
von CCD-Kameras oder wegen des schlechten Signal-Rauch-Ver
hältnisses aufgrund von Hintergrundlicht in der Regel deutlich
kleiner als 1 kHz.
Bei dem sogenannten Nutator-Prinzip wird die Richtcharakteri
stik eines Empfangsteleskops periodisch, beispielsweise durch
eine kreisförmige Bewegung der Glasfaser des Empfängers verän
dert. Alternativ hierzu kann der Empfangsstrahl mittels beweg
licher 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 Band
breite 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 Kompo
nenten. 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 opti
schen 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 Strahlrege
lung beteiligten Komponenten berücksichtigt und gegebenenfalls
ausgeregelt werden. Ein in der Praxis unvermeidbarer Restfeh
ler führt hierbei ebenso wie die Kreisbewegung der Empfangs
charakteristik um ihr Maximum zu einem systematischen Verlust
an Empfindlichkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung der sy
stematischen 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 eines Fehlersignals für eine räumliche
Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Ferner ist gemäß der Er
findung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ge
schaffen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird das mit einer optischen
Einrichtung aufbereitete Empfangslicht mit dem Licht eines lo
kalen Lasers im freien Raum überlagert, und das sich ergebende
Überlagerungssignal wird mit einer Anzahl Photodioden detek
tiert. Anschließend wird durch eine zweckmäßige Addition bzw.
Subtraktion der Photodiodenströme sowohl ein Fehlersignal für
die Strahlregelung als auch das beliebig modulierte Daten
signal 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 ande
rerseits das Datensignal ein möglichst großes Signal-Rausch-
Verhältnis aufweist. Hierzu werden als Photodioden vorzugswei
se halbkreisförmige Photodioden verwendet.
Bei ausgeschaltetem Lokaloszillator ist mit dem erfindungsge
mäßen Konzept außerdem eine Akquisition und Nachführung des
Empfangslichts mittels Direktempfang möglich. Dies wiederum
ist für eine Inbetriebnahme eines kohärenten Übertragungssy
stems notwendig.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Vorteile der Ge
winnung eines Fehlersignals mittels Direktempfang bzw. des so
genannten 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 prak
tisch 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 An
teil des Empfangslichts zur Gewinnung des zur Regelung verwen
deten Signals abgespaltet zu werden. Eine systematische Fehl
ausrichtung 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 kriti
schen, mechanischen Anforderungen zum Teil erheblich redu
ziert. Ferner können optische Abbildungsfehler, die aufgrund
von Aberration auftreten, wegen der langen Brennweite vernach
lässigt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh
rungsformen 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 Blockdia
grammen wiedergegebene Darstellung einer Einrich
tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens.
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 nach
stehend 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 Feh
lersignal-Komponenten x und y werden über eine Regelungsein
heit 6 zur Strahlsteuerung verwendet. Aus dem Überlagerungs
signal wird zusätzlich die Frequenz- und gegebenenfalls die
Phasenregelung des lokalen Oszillators abgeleitet.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nunmehr an
hand von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 wird auftreffendes Emp
fangslicht, was durch drei waagrechte Pfeile links in Fig. 2
angedeutet ist, mittels einer Linsenanordnung aus zwei aberra
tionskorrigierten Linsen 10 und 13 über Kippspiegelsysteme 11
und 12 auf die Photodetektoren fokussiert. Die Kombination aus
einer konvexer Linse 10 und einer konkaven Linse 13 ergibt
eine kurze Bauform bei großer Brennweite. Bei den beiden Kipp
spiegelsystemen handelt es sich um ein langsames Kippspiegel
system 11 mit großer Dynamik und um ein schnelles Kippspiegel
system 12 mit kleiner Dynamik. In dem polarisationsunabhängi
gen Strahlteilerwürfel 20 wird das gebündelte und fokussierte
Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser 3 im freien
Raum überlagert. Die durch den Strahlteilerwürfel 20 gebilde
ten 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 7₁₁ bis 7₁₂ verstärkt und dann vorzei
chenrichtig in Addiergliedern 54 und 55 addiert bzw. in Sub
trahiergliedern 51 bis 53 subtrahiert und anschließend ge
trennt 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 zu
geordnet. Nach der vorzugsweise synchron erfolgten Gleichrich
tung der Fehlersignal-Komponenten (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 Da
tensignals als auch der Einheit 30 zur Frequenz- und gegebe
nenfalls zur Phasenregelung des lokalen Lasers 3 zugeführt.
Wie vorstehend bereits kurz ausgeführt, weist das Datensignal
ein hohes Signal-Rauch-Verhältnis auf und ist praktisch unab
hängig von Hintergrundlicht. Gleichzeitig ist bedingt durch
die sehr geringe Verzögerungszeit in den x- und y-Komponenten
des Fehlersignals eine große Bandbreite im Strahlregelungssy
stem geschaffen, wodurch wiederum eine sehr hohe Störunter
drückung erreichbar ist.
Claims (4)
1. Verfahren zur Gewinnung eines Fehlersignals für eine räum
liche Strahlregelung eines optischen Überlagerungsempfängers,
bei welchem
- a) gebündeltes und fokussiertes Empfangslicht mit Licht von einem lokalen Laser (3) im freien Raum überlagert wird, und b) Detektoranordnungen (4₁, 4₂) zugeführt wird, so daß nach entsprechender Addition bzw. Subtraktion von Ausgangs strömen der Detektoranordnungen (4₁ bzw. 4₂) sowohl ein Fehler signal für eine Strahlregelung als auch das Datensignal gewon nen werden.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bündelung und Fokussierung von Empfangslicht eine Linsen
anordnung (10, 13) und zwei Kippspiegelsysteme (11, 12) vorge
sehen sind,
das fokussierte Empfangslicht in einem polarisationsunabhängi
gen Strahlteiler-Würfel (20) mit Licht des lokalen Lasers (3)
überlagert und in zwei Strahlhälften aufgeteilt wird,
die beiden aufgeteilten Strahlhälften zur Detektion zwei zu
einander orthogonal angeordneten Photodiodenpaaren (4₁ bzw.
4₂) zugeführt werden, deren Ausgangsströme nach einer Addition
oder Subtraktion in Addiergliedern (54, 55) bzw. Subtrahier
gliedern (51 bis 53) in nachgeordneten Verstärkern (56₁ bis
56₃) verstärkt und zum Teil in Gleichrichtern (57₁, 57₂)
gleichgerichtet werden, wodurch die x- und die y-Komponenten
eines Fehlersignals für die Strahlregelung sowie das modulier
te Überlagerungssignal erhalten werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Photodioden (4₁₁, 4₁₂; 4₂₁, 4₂₂) halbkreisförmige Photo
dioden sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3 zur Durchführung des Ver
fahrens, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschalten des loka
len Oszillators (3) die Einrichtung als Direktempfänger bei
spielsweise zur Akquisition im freien Raum verwendbar ist.
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