原子濾光器在衛(wèi)星光纜鏈路上的應用研究

原子濾光器在衛(wèi)星光纜鏈路上的應用研究

1fadof多峰特性的光鏈路探測方案衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)具有碼率高、信噪比低、接收天線小、保密性強等特點。然而，如何在高速運動衛(wèi)星之間實現(xiàn)對超窄光的識別、捕捉和跟蹤（即光路徑建設）一直是一個復雜的技術問題。法拉迪原子濾光器是20世紀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光學鏈。該技術是1996年美國科學研究創(chuàng)新獎的五個納入技術之一。引入窄帶fdof光路徑，有效地抑制了太陽的接收，擴大了視場的角度，降低了捕捉時間。文獻所采用的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.文曾報導了一種利用FADOF多峰特性的衛(wèi)星光鏈路捕捉方案,它相對文獻的進展在于利用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(切點),上述方案的共同點在于濾光器采用了固定工作條件設計.本文與文獻不同在于利用器件可調諧特性,其特色是:(1)從軌道方程出發(fā),計算了低軌道衛(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諧特性的新型鏈路發(fā)射、接收方案,新方案突破了文獻只能選擇切點作為捕捉點的限制,指出當LEO處于軌道任意位置,都可以建立光鏈路;(3)初步進行了新方案的實驗室模擬研究.2衛(wèi)星信標信號的多普勒頻移信標激光信號在衛(wèi)星的相對運動中會產生多普勒頻移,如果到達接收機的信標頻率移動到接收機FADOF透射峰的通帶以外,就會被濾除,因此必須充分考慮衛(wèi)星間信標信號的多普勒頻移.下面以LEO軌道半徑1100km,軌道傾角分別為0°、60°為例,利用軌道方程計算一天內LEO和GEO間的多普勒頻移,其結果見圖2(a)、2(b).(其中縱軸、橫軸分別表示多普勒頻移和時間),圖中粗、細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利用原子濾光器調整特性的新檢測方案3.1基于多普勒頻移的觀測系統(tǒng)設計方案在可見軌道區(qū)域內,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,即對捕捉點的選擇具有隨機性.原子濾光器具有多透射峰、可調諧的特點.所謂可調諧性,就是原子濾光器的透射峰會根據工作條件的變化(汽室溫度、磁場)而發(fā)生移動.圖3給出了Rb85-FADOF在不同工作條件下的透射譜.信標發(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大大超出FADOF的單峰帶寬.因此本文的構思是:首先根據軌道方程、捕捉起始時刻、衛(wèi)星各自位置等參數(shù)計算出多普勒頻移,然后將用于鎖定信標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節(jié)到大致等于衛(wèi)星間多普勒頻移;隨著衛(wèi)星運動,多普勒頻移發(fā)生變化,通過實時調節(jié)發(fā)射、接收濾光器的溫度和磁場,使發(fā)射、接收峰間距的變化等于多普勒頻移的變化.則可以保證在整個捕捉過程中,信標光頻率始終落在接收濾光器帶寬內.使用上述構思時,根據多普勒頻移大小,可以有多種設計方案:(1)雙邊峰調諧法:發(fā)射與接收端仍各自采用一個FADOF,發(fā)射采用一個邊峰鎖頻,而接收端采用另一個邊峰接收;發(fā)射、接收端都可以進行調諧,利用兩個邊峰的較大固有間距,可以適應比較大的多普勒頻移;(2)中心峰鎖定、邊峰調諧接收法:利用低溫弱磁場時FADOF的中心透射峰鎖頻(見圖3(a)),一個邊峰接收;發(fā)射端不調諧,接收端可調諧,邊峰和中心峰固有間距相對比較小,這個方案可以適應中等數(shù)值的多普勒頻移;(3)單邊峰調諧法:發(fā)射、接收采用相同的邊峰;發(fā)射、接收都可以進行調諧,這種方案可以適應多普勒頻移不大甚至為零時的情況.3.2新方案適用于衛(wèi)星光束路徑將這個新方案應用于軌道半徑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處,多普勒頻移值大(8.826GHz),但±5分鐘的捕捉時間內多普勒頻移變化只有0.346GHz.利用方案(1),把雙邊峰間距調得大致等于多普勒頻移,利用單峰帶寬適應很小的多普勒頻移變化.把這一方案拓展到切點附近時,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(達到1-2GHz),此時不能一味地增大透射峰帶寬去適應多普勒頻移的變化,而應對濾光器工作條件進行調諧,使雙峰間距始終等于多普勒頻移,并適當增大單峰帶寬以適應多普勒頻移變化量.使用方案(1)的捕捉區(qū)間占T3V3U3時間段的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向頂點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間段的使用.此時我們考慮方案(2)應用的可能性,這個方案適應的范圍占T3V3U3整個時間段的20%.3.2.3濾光器帶寬的設計在頂點附近,多普勒頻移不是很大,只有3GHz;但以頂點為中心±5分鐘捕捉時間內多普勒頻移從2.965GHz變?yōu)?2.951GHz,動態(tài)范圍達到5.916GHz.而且多普勒頻移由正變成零再變成負值,所以只能采用方案(3)的設計,采用相同的邊峰發(fā)射、接收.以頂點為捕捉時間段中點將面臨捕捉時間內最大的多普勒頻移變化量,因此設計濾光器接收方案將是難度最大的.設計中可以通過將調諧量平均分配給了發(fā)射和接收端,使得單峰的調諧量只有3GHz,大大降低了設計難度.這個方案適應的范圍占T3V3U3整個時間段的30%.三個方案所適用的時間段存在重合,綜合利用上述三種調諧方案,可以滿足在T3V3U3周期任意時間段內多普勒頻移對濾光器帶寬的要求.4實驗結果與分析對于利用原子濾光器調諧特性的新型捕捉方案進行了實驗室初步模擬,重點探討了方案(1),信標發(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,接收端采用另一個原子濾光器實現(xiàn)濾光接收.在實驗中由于條件所限,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、磁場調諧特性.圖4所示為新型捕捉方案模擬實驗框圖.虛線框A內為信標光路(外腔光反饋鎖定),原子濾光器1為信標光鎖頻之用,信標輸出激光用斬波模擬數(shù)字信號,B框內為接收原子濾光器系統(tǒng).通過以下過程進行模擬:當信標光頻率鎖定在A峰上時,由于多普勒頻移,發(fā)射頻率會發(fā)生變化,若FADOF的AB峰間距正好等于頻移值,則到達捕捉接收端的信標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光檢測器.圖5所示為兩個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0.4GHz的多普勒頻移變化.圖6為采用A、B兩個透射峰鎖頻和接收的實驗記錄.左圖為采用原子濾光器1的A峰鎖頻、原子濾光器2的A峰接收的實驗結果,圖中上線為經過斬波器后的信標激光信號,調制頻率為200Hz,下線為透過FADOF2的A峰,經光檢測器的信標激光信號.圖6右圖為采用B峰進行鎖頻和接收的實驗.綜合考慮左右圖說明信標激光用A峰鎖頻,當發(fā)射激光頻率發(fā)生頻移時,可以用B峰進行濾光接收.上述實驗結果可以類比軌道高度為3500km的赤道平面圓軌道LEO與GEO之間在切點附近的捕捉情況.該方案接收機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用于衛(wèi)星光鏈路的一種利用FADOF的可調諧特點的新型捕捉方案,該方案要點是:首先利用軌道方程計算衛(wèi)星間多普勒頻移數(shù)值,而后選擇