GEO光下行链路中自适应光学与模式多样性接收之间的相互作用

《Journal of Lightwave Technology》：Interaction Between Adaptive Optics and Mode Diversity Reception in GEO Optical Downlinks

大气湍流对GEO卫星激光通信的影响及AO+MDR协同优化研究。摘要通过GEO下行链路仿真模型，系统分析自适应光学（AO）与模式多样性接收（MDR）在各类湍流强度下的功率增益与频谱效率增益，揭示二者在弱湍流时相互削弱、强湍流时协同增强的相互作用机制，并通过实验验证该结论。

　　

摘要：

大气湍流严重影响了卫星与地面之间的激光通信的可靠性，对地球静止轨道（GEO）链路尤其构成挑战。自适应光学（AO）与模式多样性接收（MDR）相结合是一种有效的湍流缓解策略（称为AO+MDR）。本文利用GEO下行链路仿真模型，系统研究了在不同湍流强度下AO、MDR及其组合方法所实现的功率增益和频谱效率增益。重点探讨了AO+MDR方法内部的相互作用机制。我们发现了一个新现象：在弱湍流条件下，AO和MDR之间存在相互削弱的效果；而在强湍流条件下，则表现出相互增强的作用。这一重要观察结果通过桌面实验得到了进一步验证。

引言

卫星激光通信以其高传输速率、大带宽、强大的保密性和出色的抗干扰能力，在实现全球无缝通信覆盖、提升空间信息传输效率以及确保信息安全方面发挥着不可替代的作用[1]、[2]。特别是卫星与地面之间的激光下行链路对于满足大规模数据传输需求和支持空间科学研究至关重要[3]。卫星与地面之间的激光下行链路分为低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）两种类型。LEO卫星位于500–2000公里的高度，由于距离地球较近，因此能够实现低延迟、高速传输。例如，NASA的TBIRD（太比特/秒波束无线信息中继演示器）实验成功展示了高速LEO卫星与地面激光通信的可行性，实现了100 Gbit/s和200 Gbit/s的数据传输速率[4]。相比之下，位于36,000公里高度的GEO卫星虽然能够提供连续的广域覆盖，但却面临路径损耗大和严重的大气效应等挑战[5]。大气效应对LEO和GEO下行链路的可靠高速激光通信构成了重大威胁。恶劣的天气条件（如暴雨、暴风雪、强风和浓云）常常会阻挡激光信号，导致链路中断[6]。此外，大气分子吸收和颗粒物散射会导致信号功率随传输距离的增加而逐渐减弱。更为严重的是，大气湍流会导致折射率分布不均匀，从而引起激光相位失真、强度波动和接收端功率抖动。这些现象严重降低了信号检测和恢复的准确性，影响了通信的可靠性和性能[7]。为了减轻恶劣天气条件和地理位置限制导致的激光链路中断，通过部署多个地理位置分散的地面站来实现站点多样性成为了一种可行的解决方案。这种方法利用空间多样性显著降低了链路中断的概率，同时提高了链路容量和系统可用性[8]、[9]、[10]。大气湍流的影响是不可避免的，它会影响每个站点的卫星与地面激光系统的性能。目前，已经提出了多种方法来补偿下行链路中的大气湍流，包括孔径多样性[11]、[12]、多输入多输出（MIMO）[13]、自适应光学（AO）[14]、[15]、[16]、[17]以及模式多样性接收（MDR）[18]、[19]。孔径多样性通过单个地面站的多个孔径来利用孔径平均效应，减少闪烁并提高信噪比（SNR），但受到复杂硬件和空间资源要求的实际限制。MIMO技术在发射机和接收机处使用多个天线来利用空间多样性和多径传播。AO已成为补偿卫星与地面激光通信链路中大气湍流的主要技术，通过主动校正波前失真显著提升了系统性能。