原子濾光器在衛(wèi)星光纜鏈路上的應(yīng)用研究

原子濾光器在衛(wèi)星光纜鏈路上的應(yīng)用研究

1fadof多峰特性的光鏈路探測(cè)方案衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)具有碼率高、信噪比低、接收天線小、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。然而，如何在高速運(yùn)動(dòng)衛(wèi)星之間實(shí)現(xiàn)對(duì)超窄光的識(shí)別、捕捉和跟蹤（即光路徑建設(shè)）一直是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題。法拉迪原子濾光器是20世紀(jì)90年代的一種新型算子裝置。美國特洛伊研究所首次使用了fladius光學(xué)鏈。該技術(shù)是1996年美國科學(xué)研究創(chuàng)新獎(jiǎng)的五個(gè)納入技術(shù)之一。引入窄帶fdof光路徑，有效地抑制了太陽的接收，擴(kuò)大了視場(chǎng)的角度，降低了捕捉時(shí)間。文獻(xiàn)所采用的FADOF濾光帶寬受限于衛(wèi)星間的多普勒頻移,不能使用濾光器的最小帶寬值.文曾報(bào)導(dǎo)了一種利用FADOF多峰特性的衛(wèi)星光鏈路捕捉方案,它相對(duì)文獻(xiàn)的進(jìn)展在于利用FADOF的多峰間距滿足多普勒頻移,能明顯減小濾光帶寬.該方案的不足之處是只能選擇特殊捕捉點(diǎn)(切點(diǎn)),上述方案的共同點(diǎn)在于濾光器采用了固定工作條件設(shè)計(jì).本文與文獻(xiàn)不同在于利用器件可調(diào)諧特性,其特色是:(1)從軌道方程出發(fā),計(jì)算了低軌道衛(wèi)星(LEO)和同步軌道衛(wèi)星(GEO)的多普勒頻移;(2)提出了利用原子濾光器調(diào)諧特性的新型鏈路發(fā)射、接收方案,新方案突破了文獻(xiàn)只能選擇切點(diǎn)作為捕捉點(diǎn)的限制,指出當(dāng)LEO處于軌道任意位置,都可以建立光鏈路;(3)初步進(jìn)行了新方案的實(shí)驗(yàn)室模擬研究.2衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)的多普勒頻移信標(biāo)激光信號(hào)在衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移,如果到達(dá)接收機(jī)的信標(biāo)頻率移動(dòng)到接收機(jī)FADOF透射峰的通帶以外,就會(huì)被濾除,因此必須充分考慮衛(wèi)星間信標(biāo)信號(hào)的多普勒頻移.下面以LEO軌道半徑1100km,軌道傾角分別為0°、60°為例,利用軌道方程計(jì)算一天內(nèi)LEO和GEO間的多普勒頻移,其結(jié)果見圖2(a)、2(b).(其中縱軸、橫軸分別表示多普勒頻移和時(shí)間),圖中粗、細(xì)線分別表示可見及遮擋區(qū)域.從圖中可以看出多普勒頻移具有很明顯的規(guī)律性.3利用原子濾光器調(diào)整特性的新檢測(cè)方案3.1基于多普勒頻移的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在可見軌道區(qū)域內(nèi),可能的通信方式是GEO在同一LEO的不同軌道位置或者不同的LEO軌道之間進(jìn)行切換,發(fā)生多次的突發(fā)式的激光通信.這就要求LEO處于軌道的任意位置情況下,都可以與GEO建立鏈路,即對(duì)捕捉點(diǎn)的選擇具有隨機(jī)性.原子濾光器具有多透射峰、可調(diào)諧的特點(diǎn).所謂可調(diào)諧性,就是原子濾光器的透射峰會(huì)根據(jù)工作條件的變化(汽室溫度、磁場(chǎng))而發(fā)生移動(dòng).圖3給出了Rb85-FADOF在不同工作條件下的透射譜.信標(biāo)發(fā)射激光波長為了和接收FADOF匹配,通常將其鎖定在另一個(gè)與收端工作條件接近的FADOF透射峰上.而收端的窄帶寬的FADOF可以有效地濾除太陽背景光,但圖2中多普勒頻移的變化范圍已經(jīng)大大超出FADOF的單峰帶寬.因此本文的構(gòu)思是:首先根據(jù)軌道方程、捕捉起始時(shí)刻、衛(wèi)星各自位置等參數(shù)計(jì)算出多普勒頻移,然后將用于鎖定信標(biāo)激光頻率的透射峰和用于接收的濾光器透射峰頻率間距調(diào)節(jié)到大致等于衛(wèi)星間多普勒頻移;隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng),多普勒頻移發(fā)生變化,通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射、接收濾光器的溫度和磁場(chǎng),使發(fā)射、接收峰間距的變化等于多普勒頻移的變化.則可以保證在整個(gè)捕捉過程中,信標(biāo)光頻率始終落在接收濾光器帶寬內(nèi).使用上述構(gòu)思時(shí),根據(jù)多普勒頻移大小,可以有多種設(shè)計(jì)方案:(1)雙邊峰調(diào)諧法:發(fā)射與接收端仍各自采用一個(gè)FADOF,發(fā)射采用一個(gè)邊峰鎖頻,而接收端采用另一個(gè)邊峰接收;發(fā)射、接收端都可以進(jìn)行調(diào)諧,利用兩個(gè)邊峰的較大固有間距,可以適應(yīng)比較大的多普勒頻移;(2)中心峰鎖定、邊峰調(diào)諧接收法:利用低溫弱磁場(chǎng)時(shí)FADOF的中心透射峰鎖頻(見圖3(a)),一個(gè)邊峰接收;發(fā)射端不調(diào)諧,接收端可調(diào)諧,邊峰和中心峰固有間距相對(duì)比較小,這個(gè)方案可以適應(yīng)中等數(shù)值的多普勒頻移;(3)單邊峰調(diào)諧法:發(fā)射、接收采用相同的邊峰;發(fā)射、接收都可以進(jìn)行調(diào)諧,這種方案可以適應(yīng)多普勒頻移不大甚至為零時(shí)的情況.3.2新方案適用于衛(wèi)星光束路徑將這個(gè)新方案應(yīng)用于軌道半徑1100km、軌道傾角為60(的圓軌道LEO與GEO鏈路.3.2.1多峰帶寬與組合誤差處理在切點(diǎn)處,多普勒頻移值大(8.826GHz),但±5分鐘的捕捉時(shí)間內(nèi)多普勒頻移變化只有0.346GHz.利用方案(1),把雙邊峰間距調(diào)得大致等于多普勒頻移,利用單峰帶寬適應(yīng)很小的多普勒頻移變化.把這一方案拓展到切點(diǎn)附近時(shí),需要注意的是多普勒頻移值在減小,而頻移的變化量卻變大(達(dá)到1-2GHz),此時(shí)不能一味地增大透射峰帶寬去適應(yīng)多普勒頻移的變化,而應(yīng)對(duì)濾光器工作條件進(jìn)行調(diào)諧,使雙峰間距始終等于多普勒頻移,并適當(dāng)增大單峰帶寬以適應(yīng)多普勒頻移變化量.使用方案(1)的捕捉區(qū)間占T3V3U3時(shí)間段的54%;接收端端濾光器多峰帶寬最寬為0.007nm.3.2.2雙固有間距限制下的方案隨著捕捉點(diǎn)向頂點(diǎn)B靠攏,多普勒頻移值將繼續(xù)下降,然而雙峰的固有間距限制了方案(1)在多普勒頻移較小的時(shí)間段的使用.此時(shí)我們考慮方案(2)應(yīng)用的可能性,這個(gè)方案適應(yīng)的范圍占T3V3U3整個(gè)時(shí)間段的20%.3.2.3濾光器帶寬的設(shè)計(jì)在頂點(diǎn)附近,多普勒頻移不是很大,只有3GHz;但以頂點(diǎn)為中心±5分鐘捕捉時(shí)間內(nèi)多普勒頻移從2.965GHz變?yōu)?2.951GHz,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到5.916GHz.而且多普勒頻移由正變成零再變成負(fù)值,所以只能采用方案(3)的設(shè)計(jì),采用相同的邊峰發(fā)射、接收.以頂點(diǎn)為捕捉時(shí)間段中點(diǎn)將面臨捕捉時(shí)間內(nèi)最大的多普勒頻移變化量,因此設(shè)計(jì)濾光器接收方案將是難度最大的.設(shè)計(jì)中可以通過將調(diào)諧量平均分配給了發(fā)射和接收端,使得單峰的調(diào)諧量只有3GHz,大大降低了設(shè)計(jì)難度.這個(gè)方案適應(yīng)的范圍占T3V3U3整個(gè)時(shí)間段的30%.三個(gè)方案所適用的時(shí)間段存在重合,綜合利用上述三種調(diào)諧方案,可以滿足在T3V3U3周期任意時(shí)間段內(nèi)多普勒頻移對(duì)濾光器帶寬的要求.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)于利用原子濾光器調(diào)諧特性的新型捕捉方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室初步模擬,重點(diǎn)探討了方案(1),信標(biāo)發(fā)射端以采用原子濾光器的外腔光反饋原理作為頻率鎖定方案,接收端采用另一個(gè)原子濾光器實(shí)現(xiàn)濾光接收.在實(shí)驗(yàn)中由于條件所限,采用了天然銣FADOF而不是Rb85同位素濾光器,二者透射譜有所不同但都具有溫度、磁場(chǎng)調(diào)諧特性.圖4所示為新型捕捉方案模擬實(shí)驗(yàn)框圖.虛線框A內(nèi)為信標(biāo)光路(外腔光反饋鎖定),原子濾光器1為信標(biāo)光鎖頻之用,信標(biāo)輸出激光用斬波模擬數(shù)字信號(hào),B框內(nèi)為接收原子濾光器系統(tǒng).通過以下過程進(jìn)行模擬:當(dāng)信標(biāo)光頻率鎖定在A峰上時(shí),由于多普勒頻移,發(fā)射頻率會(huì)發(fā)生變化,若FADOF的AB峰間距正好等于頻移值,則到達(dá)捕捉接收端的信標(biāo)激光頻率恰好落在接收FADOF的B峰上,也能夠通過該濾光器到達(dá)光檢測(cè)器.圖5所示為兩個(gè)工作條件一樣的原子濾光器透射譜.它們分別用到發(fā)射端鎖頻及接收端濾光.這樣可以在信標(biāo)發(fā)射激光鎖頻FADOF之透射峰和捕捉接收FADOF透射峰之間建立起7.16GHz的頻率差,且B峰的3dB帶寬為0.46GHz,這樣可以適應(yīng)0.4GHz的多普勒頻移變化.圖6為采用A、B兩個(gè)透射峰鎖頻和接收的實(shí)驗(yàn)記錄.左圖為采用原子濾光器1的A峰鎖頻、原子濾光器2的A峰接收的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖中上線為經(jīng)過斬波器后的信標(biāo)激光信號(hào),調(diào)制頻率為200Hz,下線為透過FADOF2的A峰,經(jīng)光檢測(cè)器的信標(biāo)激光信號(hào).圖6右圖為采用B峰進(jìn)行鎖頻和接收的實(shí)驗(yàn).綜合考慮左右圖說明信標(biāo)激光用A峰鎖頻,當(dāng)發(fā)射激光頻率發(fā)生頻移時(shí),可以用B峰進(jìn)行濾光接收.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以類比軌道高度為3500km的赤道平面圓軌道LEO與GEO之間在切點(diǎn)附近的捕捉情況.該方案接收機(jī)原子濾光器的多峰帶寬為1.47GHz(0.003nm).5基于多元吸收的fadof誤差反射波的解決方案本文提出了應(yīng)用于衛(wèi)星光鏈路的一種利用FADOF的可調(diào)諧特點(diǎn)的新型捕捉方案,該方案要點(diǎn)是:首先利用軌道方程計(jì)算衛(wèi)星間多普勒頻移數(shù)值,而后選擇