原子滤光器在卫星光缆链路上的应用研究

原子滤光器在卫星光缆链路上的应用研究

1fadof多峰特性的光链路探测方案卫星激光通信系统具有码率高、信噪比低、接收天线小、保密性强等特点。然而，如何在高速运动卫星之间实现对超窄光的识别、捕捉和跟踪（即光路径建设）一直是一个复杂的技术问题。法拉迪原子滤光器是20世纪90年代的一种新型算子装置。美国特洛伊研究所首次使用了fladius光学链。该技术是1996年美国科学研究创新奖的五个纳入技术之一。引入窄带fdof光路径，有效地抑制了太阳的接收，扩大了视场的角度，降低了捕捉时间。文献所采用的FADOF滤光带宽受限于卫星间的多普勒频移,不能使用滤光器的最小带宽值.文曾报导了一种利用FADOF多峰特性的卫星光链路捕捉方案,它相对文献的进展在于利用FADOF的多峰间距满足多普勒频移,能明显减小滤光带宽.该方案的不足之处是只能选择特殊捕捉点(切点),上述方案的共同点在于滤光器采用了固定工作条件设计.本文与文献不同在于利用器件可调谐特性,其特色是:(1)从轨道方程出发,计算了低轨道卫星(LEO)和同步轨道卫星(GEO)的多普勒频移;(2)提出了利用原子滤光器调谐特性的新型链路发射、接收方案,新方案突破了文献只能选择切点作为捕捉点的限制,指出当LEO处于轨道任意位置,都可以建立光链路;(3)初步进行了新方案的实验室模拟研究.2卫星信标信号的多普勒频移信标激光信号在卫星的相对运动中会产生多普勒频移,如果到达接收机的信标频率移动到接收机FADOF透射峰的通带以外,就会被滤除,因此必须充分考虑卫星间信标信号的多普勒频移.下面以LEO轨道半径1100km,轨道倾角分别为0°、60°为例,利用轨道方程计算一天内LEO和GEO间的多普勒频移,其结果见图2(a)、2(b).(其中纵轴、横轴分别表示多普勒频移和时间),图中粗、细线分别表示可见及遮挡区域.从图中可以看出多普勒频移具有很明显的规律性.3利用原子滤光器调整特性的新检测方案3.1基于多普勒频移的观测系统设计方案在可见轨道区域内,可能的通信方式是GEO在同一LEO的不同轨道位置或者不同的LEO轨道之间进行切换,发生多次的突发式的激光通信.这就要求LEO处于轨道的任意位置情况下,都可以与GEO建立链路,即对捕捉点的选择具有随机性.原子滤光器具有多透射峰、可调谐的特点.所谓可调谐性,就是原子滤光器的透射峰会根据工作条件的变化(汽室温度、磁场)而发生移动.图3给出了Rb85-FADOF在不同工作条件下的透射谱.信标发射激光波长为了和接收FADOF匹配,通常将其锁定在另一个与收端工作条件接近的FADOF透射峰上.而收端的窄带宽的FADOF可以有效地滤除太阳背景光,但图2中多普勒频移的变化范围已经大大超出FADOF的单峰带宽.因此本文的构思是:首先根据轨道方程、捕捉起始时刻、卫星各自位置等参数计算出多普勒频移,然后将用于锁定信标激光频率的透射峰和用于接收的滤光器透射峰频率间距调节到大致等于卫星间多普勒频移;随着卫星运动,多普勒频移发生变化,通过实时调节发射、接收滤光器的温度和磁场,使发射、接收峰间距的变化等于多普勒频移的变化.则可以保证在整个捕捉过程中,信标光频率始终落在接收滤光器带宽内.使用上述构思时,根据多普勒频移大小,可以有多种设计方案:(1)双边峰调谐法:发射与接收端仍各自采用一个FADOF,发射采用一个边峰锁频,而接收端采用另一个边峰接收;发射、接收端都可以进行调谐,利用两个边峰的较大固有间距,可以适应比较大的多普勒频移;(2)中心峰锁定、边峰调谐接收法:利用低温弱磁场时FADOF的中心透射峰锁频(见图3(a)),一个边峰接收;发射端不调谐,接收端可调谐,边峰和中心峰固有间距相对比较小,这个方案可以适应中等数值的多普勒频移;(3)单边峰调谐法:发射、接收采用相同的边峰;发射、接收都可以进行调谐,这种方案可以适应多普勒频移不大甚至为零时的情况.3.2新方案适用于卫星光束路径将这个新方案应用于轨道半径1100km、轨道倾角为60(的圆轨道LEO与GEO链路.3.2.1多峰带宽与组合误差处理在切点处,多普勒频移值大(8.826GHz),但±5分钟的捕捉时间内多普勒频移变化只有0.346GHz.利用方案(1),把双边峰间距调得大致等于多普勒频移,利用单峰带宽适应很小的多普勒频移变化.把这一方案拓展到切点附近时,需要注意的是多普勒频移值在减小,而频移的变化量却变大(达到1-2GHz),此时不能一味地增大透射峰带宽去适应多普勒频移的变化,而应对滤光器工作条件进行调谐,使双峰间距始终等于多普勒频移,并适当增大单峰带宽以适应多普勒频移变化量.使用方案(1)的捕捉区间占T3V3U3时间段的54%;接收端端滤光器多峰带宽最宽为0.007nm.3.2.2双固有间距限制下的方案随着捕捉点向顶点B靠拢,多普勒频移值将继续下降,然而双峰的固有间距限制了方案(1)在多普勒频移较小的时间段的使用.此时我们考虑方案(2)应用的可能性,这个方案适应的范围占T3V3U3整个时间段的20%.3.2.3滤光器带宽的设计在顶点附近,多普勒频移不是很大,只有3GHz;但以顶点为中心±5分钟捕捉时间内多普勒频移从2.965GHz变为-2.951GHz,动态范围达到5.916GHz.而且多普勒频移由正变成零再变成负值,所以只能采用方案(3)的设计,采用相同的边峰发射、接收.以顶点为捕捉时间段中点将面临捕捉时间内最大的多普勒频移变化量,因此设计滤光器接收方案将是难度最大的.设计中可以通过将调谐量平均分配给了发射和接收端,使得单峰的调谐量只有3GHz,大大降低了设计难度.这个方案适应的范围占T3V3U3整个时间段的30%.三个方案所适用的时间段存在重合,综合利用上述三种调谐方案,可以满足在T3V3U3周期任意时间段内多普勒频移对滤光器带宽的要求.4实验结果与分析对于利用原子滤光器调谐特性的新型捕捉方案进行了实验室初步模拟,重点探讨了方案(1),信标发射端以采用原子滤光器的外腔光反馈原理作为频率锁定方案,接收端采用另一个原子滤光器实现滤光接收.在实验中由于条件所限,采用了天然铷FADOF而不是Rb85同位素滤光器,二者透射谱有所不同但都具有温度、磁场调谐特性.图4所示为新型捕捉方案模拟实验框图.虚线框A内为信标光路(外腔光反馈锁定),原子滤光器1为信标光锁频之用,信标输出激光用斩波模拟数字信号,B框内为接收原子滤光器系统.通过以下过程进行模拟:当信标光频率锁定在A峰上时,由于多普勒频移,发射频率会发生变化,若FADOF的AB峰间距正好等于频移值,则到达捕捉接收端的信标激光频率恰好落在接收FADOF的B峰上,也能够通过该滤光器到达光检测器.图5所示为两个工作条件一样的原子滤光器透射谱.它们分别用到发射端锁频及接收端滤光.这样可以在信标发射激光锁频FADOF之透射峰和捕捉接收FADOF透射峰之间建立起7.16GHz的频率差,且B峰的3dB带宽为0.46GHz,这样可以适应0.4GHz的多普勒频移变化.图6为采用A、B两个透射峰锁频和接收的实验记录.左图为采用原子滤光器1的A峰锁频、原子滤光器2的A峰接收的实验结果,图中上线为经过斩波器后的信标激光信号,调制频率为200Hz,下线为透过FADOF2的A峰,经光检测器的信标激光信号.图6右图为采用B峰进行锁频和接收的实验.综合考虑左右图说明信标激光用A峰锁频,当发射激光频率发生频移时,可以用B峰进行滤光接收.上述实验结果可以类比轨道高度为3500km的赤道平面圆轨道LEO与GEO之间在切点附近的捕捉情况.该方案接收机原子滤光器的多峰带宽为1.47GHz(0.003nm).5基于多元吸收的fadof误差反射波的解决方案本文提出了应用于卫星光链路的一种利用FADOF的可调谐特点的新型捕捉方案,该方案要点是:首先利用轨道方程计算卫星间多普勒频移数值,而后选择