高 輝，趙學(xué)陽(yáng)

(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(shí)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(duì)通信的需求也不斷增加[1]?？臻g激光通信自身技術(shù)存在的問(wèn)題以及運(yùn)行環(huán)境的影響，導(dǎo)致通信終端存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，影響其實(shí)際效果。當(dāng)天線表面存在面型誤差時(shí)，出射光場(chǎng)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(bǔ)償機(jī)制研究，探究空間激光通信發(fā)生畸變的機(jī)理，分析相關(guān)的測(cè)試技術(shù)和補(bǔ)償技術(shù)，盡量減少畸變帶來(lái)的影響，提升其運(yùn)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(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)和非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)兩種模式。

1.1.1 機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)

機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，主要裝置為萬(wàn)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(wàn)向節(jié)可以完成自轉(zhuǎn)，促使與之接觸的探測(cè)器轉(zhuǎn)動(dòng)，致使光束或者視軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但萬(wàn)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]?？焖俜瓷溏R能夠借助制動(dòng)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(qiáng)，適用于微弧度量級(jí)。Risley棱鏡需要對(duì)不同級(jí)聯(lián)的棱鏡實(shí)施旋轉(zhuǎn)，且數(shù)量為2個(gè)或者3個(gè)，改變投射光束的折射方向，傳輸方向也因此發(fā)生變化，實(shí)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(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)

相比而言，非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)不需要借助機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的力量來(lái)實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，所使用的儀器形狀較小，便于搬運(yùn)，具有便捷性特點(diǎn)。非機(jī)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(duì)材料折射實(shí)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(guò)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，其分辨率相對(duì)較低，難以達(dá)到精度要求。

1.2 光束角度偏轉(zhuǎn)影響因素及評(píng)價(jià)

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(diǎn)各有不同。影響偏轉(zhuǎn)的因素主要包括以下3個(gè)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(shí)際所需。(2)光線來(lái)源。光束偏轉(zhuǎn)受到光線來(lái)源的影響，影響因素主要包括光線的強(qiáng)弱、方向、明暗等。因此，科研人員需要加強(qiáng)對(duì)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(huì)對(duì)偏轉(zhuǎn)效果產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，科研人員應(yīng)注重環(huán)境控制。

1.2.2 評(píng)價(jià)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(shí)，科研人員應(yīng)對(duì)分辨率、精準(zhǔn)度、可操作性、適應(yīng)性等方面進(jìn)行分析，綜合考量，得出最終結(jié)果，保證光束偏轉(zhuǎn)方案達(dá)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(qiáng)。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(shí)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(duì)環(huán)境的要求，消除環(huán)境帶來(lái)的影響。

1.3 光束角度偏轉(zhuǎn)方案設(shè)計(jì)

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(guò)LC-OPA裝置實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)時(shí)，角度分辨率較低，限制了其使用范圍。為了解決這一問(wèn)題，將LC-OPA與角度壓縮性能較強(qiáng)的光學(xué)裝置級(jí)聯(lián)在一起，實(shí)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(shí)施級(jí)聯(lián)，分辨率較高，壓縮效果較好。這一模式是對(duì)光束偏角的二次處理，且處理過(guò)程盡量降低其他因素的影響，僅以實(shí)現(xiàn)分辨率提升為主。

2 光束波前畸變檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

2.1 光束波前檢測(cè)技術(shù)

光束波前畸變檢測(cè)技術(shù)屬于測(cè)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(shí)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(cè)技術(shù)。夏克哈特曼波前探測(cè)技術(shù)可以直接使用光的直線性特點(diǎn)，完成幾何模式的測(cè)量，較為便捷，屬于一種常用的測(cè)量技術(shù)，但精準(zhǔn)性還需繼續(xù)提升。(2)剪切干涉測(cè)量方法。剪切干涉測(cè)量方法充分使用光的波動(dòng)特點(diǎn)，實(shí)施干涉，保證光的波動(dòng)性在可控狀態(tài)，完成測(cè)量工作。(3)相位恢復(fù)測(cè)試法。相位恢復(fù)測(cè)試法是以焦面成像作為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)施的方法。該方法注重相位恢復(fù)前后的差異測(cè)量。(4)接觸探針測(cè)量方法。接觸探針測(cè)量方法使用探針與待測(cè)光學(xué)表面連接，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行搜集，作為測(cè)量依據(jù)。在實(shí)踐過(guò)程中，不同測(cè)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(qiáng)化其效果。

2.2 光束波前畸變檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用方案實(shí)例分析

2.2.1 應(yīng)用方案

不同的波前畸變檢測(cè)技術(shù)，優(yōu)劣勢(shì)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(cè)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)需要注重以下3點(diǎn)。

(1)開(kāi)展測(cè)試需求調(diào)研。

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

(2)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行檢查。

每一種測(cè)試工作需要依賴于相應(yīng)的儀器設(shè)備才能完成測(cè)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(jìn)行設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)考慮其是否滿足需求，并對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

(3)保證操作過(guò)程的規(guī)范性。

在操作時(shí)，操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照程序和要求開(kāi)展測(cè)試工作，避免人為因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，可以在測(cè)量時(shí)，采取多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，取平均值的方法，降低測(cè)量帶來(lái)的誤差。

2.2.2 實(shí)例分析

文章以干涉測(cè)量法為例，進(jìn)行測(cè)量技術(shù)實(shí)例分析。詳細(xì)的測(cè)量過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

(1)測(cè)量需求整理。

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

(2)測(cè)量要點(diǎn)分析。

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

(3)測(cè)量設(shè)備選擇。

在實(shí)例研究中，科研人員選擇泰曼-格林干涉儀作為測(cè)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備是在邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)的，性能相對(duì)較好。

(4)進(jìn)行測(cè)試前的準(zhǔn)備。

在使用這一設(shè)備測(cè)試時(shí)，需要基于待測(cè)面制作與之匹配的參考面，如果待測(cè)面較為復(fù)雜，難以模仿，則需要在參考面設(shè)計(jì)方面加大投入，盡量增強(qiáng)彼此的匹配度。

(5)開(kāi)展測(cè)試工作。

測(cè)試工作要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行，多次測(cè)量取平均值。如果遇到誤差較大的測(cè)量結(jié)果，則需要剔除，避免某一項(xiàng)失誤對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。例如，要求測(cè)量誤差在±0.5°以內(nèi)，經(jīng)過(guò)20次測(cè)量，存在誤差為1°以上的結(jié)果，則需要剔除(見(jiàn)表1)。

表1 測(cè)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(cè)量結(jié)果，計(jì)算其他18次測(cè)量結(jié)果的平均值，具體為10.11°，作為本次測(cè)量的最終結(jié)果。

3 光束畸變補(bǔ)償技術(shù)與應(yīng)用

3.1 光束畸變補(bǔ)償技術(shù)

當(dāng)前，光束畸變補(bǔ)償技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，在具體實(shí)施過(guò)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(bǔ)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)償器具。在液晶空間光調(diào)制器的具體使用過(guò)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(chǎng)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(huì)受到限制，產(chǎn)生波矢量與液晶光軸之間的角度變化，同時(shí)，E光也會(huì)受其影響，折射率改變。通過(guò)試驗(yàn)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(jī)械慣性作用帶來(lái)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(bǔ)償方案

具體的方案設(shè)計(jì)必須綜合考慮各方面因素的影響，合理進(jìn)行方案設(shè)置，盡量提升其有效性。詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)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(duì)光束波前的影響。具體操作時(shí)應(yīng)搭建具有液晶空間光調(diào)制器波前補(bǔ)償性能的光干涉法波前探測(cè)光，對(duì)波前探測(cè)光路實(shí)施試驗(yàn)測(cè)試，使其滿足實(shí)際需求。

其次，進(jìn)行測(cè)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(guò)光波偏振干涉作用，進(jìn)行光束波前畸變測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如果未能達(dá)到要求，則需要繼續(xù)測(cè)試。

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

3.3 光束畸變補(bǔ)償應(yīng)用保障措施

在使用上述方法進(jìn)行光束畸變補(bǔ)償時(shí)，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(wèn)題

液晶會(huì)對(duì)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(shí)，科研人員可以對(duì)每一個(gè)SLM皆加載自定義的LUT，與之一一對(duì)應(yīng)。將其用于輸入灰度值時(shí)，輸出的線性響應(yīng)范圍可以達(dá)到0～360°。所以，通過(guò)液晶空間光調(diào)制器開(kāi)展畸變補(bǔ)償工作之前，應(yīng)關(guān)注液晶相位調(diào)制特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試，總結(jié)其存在的規(guī)律。簡(jiǎn)而言之，則是加載不同電壓和灰度值時(shí)，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(bǔ)償結(jié)果檢驗(yàn)

采取補(bǔ)償措施之后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)未必達(dá)到既定的目標(biāo)，需要對(duì)補(bǔ)償之后的結(jié)果與補(bǔ)償之前的結(jié)果對(duì)比分析，并多次計(jì)量，得出結(jié)論。如果補(bǔ)償未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，還需要采取方法改進(jìn)。例如，上述的LUT在制定時(shí)，其合理性有待進(jìn)一步完善，可以使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，強(qiáng)化其實(shí)際效果，得出較為優(yōu)異的LUT。在使用這一方法時(shí)，可以根據(jù)補(bǔ)償要求，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)補(bǔ)償所涉的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，并對(duì)每一種設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)之后的整體情況測(cè)試，包括其精準(zhǔn)性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性、波動(dòng)性等，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，面向空間激光通信的光束偏轉(zhuǎn)與波前畸變補(bǔ)償機(jī)制研究，能夠?yàn)榧す馔ㄐ畔嚓P(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(qiáng)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(yùn)行。在這一過(guò)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(shí)施影響因素分析，作為研究基礎(chǔ)。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)光束波前畸變檢測(cè)技術(shù)和相關(guān)的方案進(jìn)行研究，保證其檢測(cè)精準(zhǔn)性。最后，對(duì)于畸變補(bǔ)償方案進(jìn)行設(shè)計(jì)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)。