高 輝，趙學(xué)陽

(哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)信息時代背景下，空間激光通信產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)技術(shù)快速發(fā)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(shù)存在的問題以及運行環(huán)境的影響，導(dǎo)致通信終端存在相對運動，影響其實際效果。當(dāng)天線表面存在面型誤差時，出射光場的波前位置將出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，導(dǎo)致光束的指向性受到影響，形成劣質(zhì)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(zhuǎn)與波前畸變補償機制研究，探究空間激光通信發(fā)生畸變的機理，分析相關(guān)的測試技術(shù)和補償技術(shù)，盡量減少畸變帶來的影響，提升其運行服務(wù)能力。

1 光束角度偏轉(zhuǎn)分析

1.1 光束角度偏轉(zhuǎn)技術(shù)

光束角度偏轉(zhuǎn)的技術(shù)較多，當(dāng)前常用的技術(shù)主要為機械式光束偏轉(zhuǎn)和非機械式光束偏轉(zhuǎn)兩種模式。

1.1.1 機械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)

機械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)，主要裝置為萬向節(jié)、快速反射鏡和Risley棱鏡，屬于發(fā)生偏轉(zhuǎn)的主要設(shè)備[4]。其中，萬向節(jié)可以完成自轉(zhuǎn)，促使與之接觸的探測器轉(zhuǎn)動，致使光束或者視軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但萬向節(jié)受到自身形狀和重量的影響，不能滿足較高重復(fù)性和穩(wěn)定性的光束偏轉(zhuǎn)需求[5]。快速反射鏡能夠借助制動器調(diào)整反射鏡角度，致使入射光束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，其精準(zhǔn)性較強，適用于微弧度量級。Risley棱鏡需要對不同級聯(lián)的棱鏡實施旋轉(zhuǎn)，且數(shù)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(fā)生變化，實現(xiàn)片狀，其精度較高，適用于大角度光束偏轉(zhuǎn)。

1.1.2 非機械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)

相比而言，非機械式光束偏轉(zhuǎn)不需要借助機械轉(zhuǎn)動的力量來實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)技術(shù)的設(shè)備主要為聲光偏轉(zhuǎn)器、電光偏轉(zhuǎn)器、液晶光學(xué)相控陣。其中，聲光偏轉(zhuǎn)器和電光偏轉(zhuǎn)器主要借助聲光效應(yīng)和電光效應(yīng)對材料折射實施約束，使其折射率隨之變化，產(chǎn)生相位光柵，影響入射光束，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)角難以分辨。液晶光學(xué)相控陣需要通過電壓變化建立鋸齒形狀的相位模型，產(chǎn)生光柵，影響入射光的方向，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)影響因素及評價

1.2.1 影響因素

根據(jù)上述的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)分析，不同技術(shù)的優(yōu)缺點各有不同。影響偏轉(zhuǎn)的因素主要包括以下3個方面：(1)偏轉(zhuǎn)技術(shù)選擇。不同偏轉(zhuǎn)技術(shù)的原理、設(shè)備、效果皆各有不同，因此相關(guān)單位應(yīng)提高重視，保證技術(shù)選擇合理，滿足實際所需。(2)光線來源。光束偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)生的條件。不同光束偏轉(zhuǎn)發(fā)生的條件各有不同，例如障礙物、空氣濕度、雜質(zhì)含量等皆會對偏轉(zhuǎn)效果產(chǎn)生影響。因此，在進行相關(guān)實驗時，科研人員應(yīng)注重環(huán)境控制。

1.2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

不同的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，其效果也不同。在選擇時，科研人員應(yīng)對分辨率、精準(zhǔn)度、可操作性、適應(yīng)性等方面進行分析，綜合考量，得出最終結(jié)果，保證光束偏轉(zhuǎn)方案達到預(yù)期目標(biāo)。在分辨率方面，光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)適應(yīng)高角度分辨率的光束偏轉(zhuǎn)，分辨率越高，適應(yīng)性越強。在精準(zhǔn)度方面，應(yīng)提升光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)的精準(zhǔn)度，保證偏轉(zhuǎn)與實際需求之間的差距“最小”。在操作性方面，應(yīng)保證光束偏轉(zhuǎn)所使用的儀器和設(shè)備便于攜帶和操作，盡量減少其體量，形狀規(guī)整。在適應(yīng)性方面，盡量降低其對環(huán)境的要求，消除環(huán)境帶來的影響。

1.3 光束角度偏轉(zhuǎn)方案設(shè)計

根據(jù)以上研究，LC-OPA更適用于空間激光通信系統(tǒng)小型化、輕量化、低能耗的要求。但是，通過LC-OPA裝置實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)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(xué)裝置級聯(lián)在一起，實施光束偏轉(zhuǎn)角的壓縮處理，增加分辨率。例如使用雙光柵結(jié)構(gòu)，與LC-OPA實施級聯(lián)，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(xiàn)分辨率提升為主。

2 光束波前畸變檢測技術(shù)及應(yīng)用

2.1 光束波前檢測技術(shù)

光束波前畸變檢測技術(shù)屬于測定光束偏轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)保證這一技術(shù)便于實施，且具有較高的精準(zhǔn)性。常用技術(shù)如下：(1)夏克哈特曼波前探測技術(shù)。夏克哈特曼波前探測技術(shù)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(shù)，但精準(zhǔn)性還需繼續(xù)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(tài)，完成測量工作。(3)相位恢復(fù)測試法。相位恢復(fù)測試法是以焦面成像作為基礎(chǔ)進行實施的方法。該方法注重相位恢復(fù)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(xué)表面連接，對每個測點的位置信息進行搜集，作為測量依據(jù)。在實踐過程中，不同測量技術(shù)便捷性、精準(zhǔn)度、適應(yīng)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(shù)應(yīng)用方案實例分析

2.2.1 應(yīng)用方案

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

(1)開展測試需求調(diào)研。

在選擇測試方案之前，科研人員應(yīng)進行逆行測試需求分析，包括測試的精準(zhǔn)度、測試的環(huán)境、測試的效率等?；诜治鼋Y(jié)果選擇測試技術(shù)，避免盲目選擇和應(yīng)用帶來的測試問題。

(2)對測試設(shè)備進行檢查。

每一種測試工作需要依賴于相應(yīng)的儀器設(shè)備才能完成測試，而相應(yīng)的設(shè)備種類較多，不同設(shè)備的性能各有不同。因此，在進行設(shè)備選擇時，應(yīng)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(guī)范性。

在操作時，操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照程序和要求開展測試工作，避免人為因素導(dǎo)致的測量誤差。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，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(shù)實例分析。詳細(xì)的測量過程設(shè)計如下：

(1)測量需求整理。

科研人員主要對被測對象、所處環(huán)境、測量標(biāo)準(zhǔn)等實施整合與分析，并將結(jié)果作為測量技術(shù)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

(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(shè)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(shè)備。該設(shè)備是在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)之上進行改進的，性能相對較好。

(4)進行測試前的準(zhǔn)備。

在使用這一設(shè)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(fù)雜，難以模仿，則需要在參考面設(shè)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(yán)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(jié)果，則需要剔除，避免某一項失誤對測量結(jié)果帶來的影響。例如，要求測量誤差在±0.5°以內(nèi)，經(jīng)過20次測量，存在誤差為1°以上的結(jié)果，則需要剔除(見表1)。

表1 測試誤差結(jié)果匯總(<±0.5°)

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

3 光束畸變補償技術(shù)與應(yīng)用

3.1 光束畸變補償技術(shù)

當(dāng)前，光束畸變補償技術(shù)正處于快速發(fā)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(chǎn)生的相位反方向，起到間接補償作用，從而盡量減小光學(xué)發(fā)射天線面型誤差產(chǎn)生的光前畸變，實現(xiàn)激光天線增益、空間光通信終端的指向、減少誤碼發(fā)生概率等。波前校正和補償器具主要包括常規(guī)的變形鏡、基于MEMS技術(shù)的微變形鏡、液晶空間光調(diào)制器等。其中，液晶空間光調(diào)制器應(yīng)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(diào)制器的具體使用過程中，注重液晶電控雙折射效應(yīng)的產(chǎn)生，從而調(diào)整光束的具體相位，使光束盡量接近不受干擾狀態(tài)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(shù)值超出其規(guī)定范圍，液晶分子受到電場作用力的影響，出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)效應(yīng)。在這一狀態(tài)下，光束射入會受到限制，產(chǎn)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(fā)生變化，從而形成相位調(diào)制作用。這一技術(shù)具有高空間分辨率和較高的調(diào)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(shè)置，適用于激光通信行業(yè)。

3.2 光束畸變補償方案

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

首先，分析光學(xué)天線質(zhì)量及其產(chǎn)生的影響，盡量減少光學(xué)天線對光束波前的影響。具體操作時應(yīng)搭建具有液晶空間光調(diào)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(diào)制器僅適用于E光產(chǎn)生的電控相位調(diào)制，閉關(guān)通過光波偏振干涉作用，進行光束波前畸變測試。測試結(jié)果如果未能達到要求，則需要繼續(xù)測試。

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

3.3 光束畸變補償應(yīng)用保障措施

在使用上述方法進行光束畸變補償時，應(yīng)注重相關(guān)干擾和影響的排除，盡量保證這一工作的精準(zhǔn)性。

3.3.1 解決響應(yīng)非線性問題

液晶會對施加的電壓產(chǎn)生非線性影響，科研人員應(yīng)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(yīng)。將其用于輸入灰度值時，輸出的線性響應(yīng)范圍可以達到0～360°。所以，通過液晶空間光調(diào)制器開展畸變補償工作之前，應(yīng)關(guān)注液晶相位調(diào)制特點，對其進行精準(zhǔn)測試，總結(jié)其存在的規(guī)律。簡而言之，則是加載不同電壓和灰度值時，應(yīng)關(guān)注相位延遲量變化，借助差值法處理數(shù)據(jù)，產(chǎn)生LUT。

3.3.2 注重補償結(jié)果檢驗

采取補償措施之后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)未必達到既定的目標(biāo)，需要對補償之后的結(jié)果與補償之前的結(jié)果對比分析，并多次計量，得出結(jié)論。如果補償未能達到標(biāo)準(zhǔn)，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(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，強化其實際效果，得出較為優(yōu)異的LUT。在使用這一方法時，可以根據(jù)補償要求，進行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對補償所涉的內(nèi)容進行學(xué)習(xí)，并對每一種設(shè)計結(jié)果進行學(xué)習(xí)之后的整體情況測試，包括其精準(zhǔn)性、便捷性、經(jīng)濟性、波動性等，得出最優(yōu)的設(shè)計方案。

4 結(jié)語

綜上所述，面向空間激光通信的光束偏轉(zhuǎn)與波前畸變補償機制研究，能夠為激光通信相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有力支持，因此，應(yīng)在有關(guān)方面加強研究投入，提升有關(guān)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(yīng)注重激光通信偏轉(zhuǎn)技術(shù)、應(yīng)用方案、實施影響因素分析，作為研究基礎(chǔ)。同時，還應(yīng)對光束波前畸變檢測技術(shù)和相關(guān)的方案進行研究，保證其檢測精準(zhǔn)性。最后，對于畸變補償方案進行設(shè)計和應(yīng)用，有效優(yōu)化處理結(jié)果，保證結(jié)果的精準(zhǔn)性，為這一行業(yè)整體技術(shù)水平的提升奠定基礎(chǔ)。