面向空間激光通信的光束偏轉與波前畸變補償機制研究

高 輝，趙學陽

(哈爾濱石油學院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引言

在網絡信息時代背景下，空間激光通信產業以及相關技術快速發展，民眾對通信的需求也不斷增加[1]。空間激光通信自身技術存在的問題以及運行環境的影響，導致通信終端存在相對運動，影響其實際效果。當天線表面存在面型誤差時，出射光場的波前位置將出現畸變現象，導致光束的指向性受到影響，形成劣質化的指向，減少增益[2-3]。本文注重面向空間激光通信的光束偏轉與波前畸變補償機制研究，探究空間激光通信發生畸變的機理，分析相關的測試技術和補償技術，盡量減少畸變帶來的影響，提升其運行服務能力。

1 光束角度偏轉分析

1.1 光束角度偏轉技術

光束角度偏轉的技術較多，當前常用的技術主要為機械式光束偏轉和非機械式光束偏轉兩種模式。

1.1.1 機械式光束偏轉技術

機械式光束偏轉技術導致的偏轉實現，主要裝置為萬向節、快速反射鏡和Risley棱鏡，屬于發生偏轉的主要設備[4]。其中，萬向節可以完成自轉，促使與之接觸的探測器轉動，致使光束或者視軸發生偏轉，但萬向節受到自身形狀和重量的影響，不能滿足較高重復性和穩定性的光束偏轉需求[5]。快速反射鏡能夠借助制動器調整反射鏡角度，致使入射光束產生偏轉效應，其精準性較強，適用于微弧度量級。Risley棱鏡需要對不同級聯的棱鏡實施旋轉，且數量為2個或者3個，改變投射光束的折射方向，傳輸方向也因此發生變化，實現片狀，其精度較高，適用于大角度光束偏轉。

1.1.2 非機械式光束偏轉技術

相比而言，非機械式光束偏轉不需要借助機械轉動的力量來實現偏轉，所使用的儀器形狀較小，便于搬運，具有便捷性特點。非機械式光束偏轉技術的設備主要為聲光偏轉器、電光偏轉器、液晶光學相控陣。其中，聲光偏轉器和電光偏轉器主要借助聲光效應和電光效應對材料折射實施約束，使其折射率隨之變化，產生相位光柵，影響入射光束，發生偏轉，其偏轉角難以分辨。液晶光學相控陣需要通過電壓變化建立鋸齒形狀的相位模型，產生光柵，影響入射光的方向，產生偏轉。通過試驗驗證，其分辨率相對較低，難以達到精度要求。

1.2 光束角度偏轉影響因素及評價

1.2.1 影響因素

根據上述的光束偏轉技術分析，不同技術的優缺點各有不同。影響偏轉的因素主要包括以下3個方面：(1)偏轉技術選擇。不同偏轉技術的原理、設備、效果皆各有不同，因此相關單位應提高重視，保證技術選擇合理，滿足實際所需。(2)光線來源。光束偏轉受到光線來源的影響，影響因素主要包括光線的強弱、方向、明暗等。因此，科研人員需要加強對光線源的分析。(3)偏轉發生的條件。不同光束偏轉發生的條件各有不同，例如障礙物、空氣濕度、雜質含量等皆會對偏轉效果產生影響。因此，在進行相關實驗時，科研人員應注重環境控制。

1.2.2 評價標準

不同的光束偏轉技術，其效果也不同。在選擇時，科研人員應對分辨率、精準度、可操作性、適應性等方面進行分析，綜合考量，得出最終結果，保證光束偏轉方案達到預期目標。在分辨率方面，光束偏轉技術應適應高角度分辨率的光束偏轉，分辨率越高，適應性越強。在精準度方面，應提升光束偏轉技術的精準度，保證偏轉與實際需求之間的差距“最小”。在操作性方面，應保證光束偏轉所使用的儀器和設備便于攜帶和操作，盡量減少其體量，形狀規整。在適應性方面，盡量降低其對環境的要求，消除環境帶來的影響。

1.3 光束角度偏轉方案設計

根據以上研究，LC-OPA更適用于空間激光通信系統小型化、輕量化、低能耗的要求。但是，通過LC-OPA裝置實現光束偏轉時，角度分辨率較低，限制了其使用范圍。為了解決這一問題，將LC-OPA與角度壓縮性能較強的光學裝置級聯在一起，實施光束偏轉角的壓縮處理，增加分辨率。例如使用雙光柵結構，與LC-OPA實施級聯，分辨率較高，壓縮效果較好。這一模式是對光束偏角的二次處理，且處理過程盡量降低其他因素的影響，僅以實現分辨率提升為主。

2 光束波前畸變檢測技術及應用

2.1 光束波前檢測技術

光束波前畸變檢測技術屬于測定光束偏轉的關鍵技術，應保證這一技術便于實施，且具有較高的精準性。常用技術如下：(1)夏克哈特曼波前探測技術。夏克哈特曼波前探測技術可以直接使用光的直線性特點，完成幾何模式的測量，較為便捷，屬于一種常用的測量技術，但精準性還需繼續提升。(2)剪切干涉測量方法。剪切干涉測量方法充分使用光的波動特點，實施干涉，保證光的波動性在可控狀態，完成測量工作。(3)相位恢復測試法。相位恢復測試法是以焦面成像作為基礎進行實施的方法。該方法注重相位恢復前后的差異測量。(4)接觸探針測量方法。接觸探針測量方法使用探針與待測光學表面連接，對每個測點的位置信息進行搜集，作為測量依據。在實踐過程中，不同測量技術便捷性、精準度、適應性等各有不同，需要綜合分析，合理選用，強化其效果。

2.2 光束波前畸變檢測技術應用方案實例分析

2.2.1 應用方案

不同的波前畸變檢測技術，優劣勢各有不同，其具體應用方案也存在差異。整體而言，不同的波前畸變檢測技術在應用時需要注重以下3點。

(1)開展測試需求調研。

在選擇測試方案之前，科研人員應進行逆行測試需求分析，包括測試的精準度、測試的環境、測試的效率等。基于分析結果選擇測試技術，避免盲目選擇和應用帶來的測試問題。

(2)對測試設備進行檢查。

每一種測試工作需要依賴于相應的儀器設備才能完成測試，而相應的設備種類較多，不同設備的性能各有不同。因此，在進行設備選擇時，應考慮其是否滿足需求，并對其性能進行試驗測試。

(3)保證操作過程的規范性。

在操作時，操作人員應嚴格按照程序和要求開展測試工作，避免人為因素導致的測量誤差。為了實現上述目標，可以在測量時，采取多次實驗測試，取平均值的方法，降低測量帶來的誤差。

2.2.2 實例分析

文章以干涉測量法為例，進行測量技術實例分析。詳細的測量過程設計如下：

(1)測量需求整理。

科研人員主要對被測對象、所處環境、測量標準等實施整合與分析，并將結果作為測量技術應用的前提和基礎。

(2)測量要點分析。

科研人員掌握測量工作開展過程中可能存在的影響因素，分析其注意事項，做好控制策略，盡量降低影響。

(3)測量設備選擇。

在實例研究中，科研人員選擇泰曼-格林干涉儀作為測驗設備。該設備是在邁克爾遜干涉儀的基礎之上進行改進的，性能相對較好。

(4)進行測試前的準備。

在使用這一設備測試時，需要基于待測面制作與之匹配的參考面，如果待測面較為復雜，難以模仿，則需要在參考面設計方面加大投入，盡量增強彼此的匹配度。

(5)開展測試工作。

測試工作要嚴格按照要求進行，多次測量取平均值。如果遇到誤差較大的測量結果，則需要剔除，避免某一項失誤對測量結果帶來的影響。例如，要求測量誤差在±0.5°以內，經過20次測量，存在誤差為1°以上的結果，則需要剔除(見表1)。

表1 測試誤差結果匯總(<±0.5°)

根據上述結果，剔除第6次和第14次測量結果，計算其他18次測量結果的平均值，具體為10.11°，作為本次測量的最終結果。

3 光束畸變補償技術與應用

3.1 光束畸變補償技術

當前，光束畸變補償技術正處于快速發展階段，在具體實施過程中，可以將波前校正器安置于光束相位畸變產生的相位反方向，起到間接補償作用，從而盡量減小光學發射天線面型誤差產生的光前畸變，實現激光天線增益、空間光通信終端的指向、減少誤碼發生概率等。波前校正和補償器具主要包括常規的變形鏡、基于MEMS技術的微變形鏡、液晶空間光調制器等。其中，液晶空間光調制器應用范圍較廣，效果較好，屬于常用的畸變補償器具。在液晶空間光調制器的具體使用過程中，注重液晶電控雙折射效應的產生，從而調整光束的具體相位，使光束盡量接近不受干擾狀態下的相位。液晶屬于正單軸晶體，在液晶兩端位置加載電壓，如果電壓數值超出其規定范圍，液晶分子受到電場作用力的影響，出現偏轉效應。在這一狀態下，光束射入會受到限制，產生波矢量與液晶光軸之間的角度變化，同時，E光也會受其影響，折射率改變。通過試驗研究，如果液晶厚度保持不變，光束穿越液晶層之后，折射率變化，光程也發生變化，從而形成相位調制作用。這一技術具有高空間分辨率和較高的調制分辨率，耗能較低，不存在機械慣性作用帶來的影響，可以靈活設置，適用于激光通信行業。

3.2 光束畸變補償方案

具體的方案設計必須綜合考慮各方面因素的影響，合理進行方案設置，盡量提升其有效性。詳細的方案設計如下：

首先，分析光學天線質量及其產生的影響，盡量減少光學天線對光束波前的影響。具體操作時應搭建具有液晶空間光調制器波前補償性能的光干涉法波前探測光，對波前探測光路實施試驗測試，使其滿足實際需求。

其次，進行測試。液晶空間光調制器僅適用于E光產生的電控相位調制，閉關通過光波偏振干涉作用，進行光束波前畸變測試。測試結果如果未能達到要求，則需要繼續測試。

最后，處理測量得到的波前畸變數據。處理時，通過液晶空間光調制器加載補償相位完成畸變補償。

3.3 光束畸變補償應用保障措施

在使用上述方法進行光束畸變補償時，應注重相關干擾和影響的排除，盡量保證這一工作的精準性。

3.3.1 解決響應非線性問題

液晶會對施加的電壓產生非線性影響，科研人員應注重這一影響的排除。具體操作時，科研人員可以對每一個SLM皆加載自定義的LUT，與之一一對應。將其用于輸入灰度值時，輸出的線性響應范圍可以達到0～360°。所以，通過液晶空間光調制器開展畸變補償工作之前，應關注液晶相位調制特點，對其進行精準測試，總結其存在的規律。簡而言之，則是加載不同電壓和灰度值時，應關注相位延遲量變化，借助差值法處理數據，產生LUT。

3.3.2 注重補償結果檢驗

采取補償措施之后產生的結構未必達到既定的目標，需要對補償之后的結果與補償之前的結果對比分析，并多次計量，得出結論。如果補償未能達到標準，還需要采取方法改進。例如，上述的LUT在制定時，其合理性有待進一步完善，可以使用BP神經網絡方法，強化其實際效果，得出較為優異的LUT。在使用這一方法時，可以根據補償要求，進行標準設計，建立BP神經網絡模型，對補償所涉的內容進行學習，并對每一種設計結果進行學習之后的整體情況測試，包括其精準性、便捷性、經濟性、波動性等，得出最優的設計方案。

4 結語

綜上所述，面向空間激光通信的光束偏轉與波前畸變補償機制研究，能夠為激光通信相關技術研究和產業發展提供有力支持，因此，應在有關方面加強研究投入，提升有關方面的研究層面和深度，助力于這一工作的良好運行。在這一過程中，科研人員應注重激光通信偏轉技術、應用方案、實施影響因素分析，作為研究基礎。同時，還應對光束波前畸變檢測技術和相關的方案進行研究，保證其檢測精準性。最后，對于畸變補償方案進行設計和應用，有效優化處理結果，保證結果的精準性，為這一行業整體技術水平的提升奠定基礎。