涡束耦合卡塞格林前端自由空间光通信链路结合LSTM与Transformer的信号恢复

《Photonics》：Vortex Beam-Coupled Cassegrain Front-End Free-Space Optical Links with LSTM and Transformer-Based Signal Recovery

　　

自由空间光通信（FSO）可提供大容量无线传输，但在采用紧凑型卡塞格林（Cassegrain）望远镜时，由于副镜遮挡入射光束中心部分，光学耦合效率会降低。研究人员提出一种涡旋光束辅助的FSO通信系统，将孔径匹配光学耦合与基于机器学习的信号恢复相结合。与传统高斯光束不同，拉盖尔-高斯涡旋光束的环形强度分布与中心遮挡卡塞格林望远镜的无遮挡环形孔径相匹配，从而降低遮挡引起的光学损耗。利用环形孔径重叠模型分析耦合特性，并在采用卡塞格林收发前端的100 m自由空间光链路中进行实验验证，测得望远镜输出平均功率较高斯参考提升超过30%。为克服系统引起的信号混叠，研究人员优化并应用Transformer与长短期记忆（LSTM）均衡器。两种模型均大幅优于优化阈值检测，而LSTM以远少于Transformer的乘加运算次数取得最低观测误码率。结果表明，孔径匹配光学耦合与计算高效的序列均衡（如LSTM）是紧凑高性能望远镜辅助FSO系统的关键组成部分。

研究背景与动机

自由空间光通信（FSO）具备高容量、免许可和空间受限链路优势，适用于地面与卫星通信。紧凑型远距离FSO终端需在小型光学包内提供足够光功率，并在实际硬件带宽与对准限制下可靠恢复数据。卡塞格林望远镜凭借折叠光路兼顾大孔径与长焦距，适合紧凑终端，但其副镜造成中心遮挡，阻断常规高斯光束最高强度部分，在链路余量本就紧张的紧凑终端中进一步降低有用发射功率。已有涡旋光束研究多关注轨道角动量（OAM）复用或单接收端遮挡匹配，未在同一个工作链路中联合演示“瞳孔匹配环形照明+低复杂度强度调制直接检测（IM/DD）均衡”，也未在物理链路而非信道模型上评估时序失真恢复。因此研究人员将空间侧的孔径匹配与时序侧的序列均衡作为同一紧凑FSO链路的两个互补部分处理。

论文发表于《Photonics》，研究通过“环形孔径重叠建模—100 m双程IM/DD实验—LSTM/Transformer均衡对比”三条主线，证明涡旋光束作孔径匹配照明可使接收光功率提升34.3%，且LSTM在误码率（BER）与乘加（MAC）复杂度上均优于Transformer，为紧凑望远镜辅助FSO提供光-数联合优化范例。

主要关键技术方法

研究人员搭建室内50 m×2双程总100 m FSO链路，收发端均用商用卡塞格雷恩望远镜（发端Celestron NexStar 8SE，收端Celestron 127EQ3M-MAK5）；激光经准直、螺旋相位板转为拓扑电荷l=1的拉盖尔-高斯涡旋光束，再经望远镜扩束准直，平面镜反射回收集。通信采用OOK（On-Off Keying）调制IM/DD，示波器以连续采样获波形，按因果滑窗取当前+前16样点共17样点作序列，按时间顺序切分40%训练、10%验证、50%测试（共4092 bit）。均衡器侧，Transformer按输入投影、自注意力Q/K/V/O投影、注意力得分与加权、两层前馈、二分类层估算MAC；LSTM按四门控（输入/遗忘/单元更新/输出）乘4隐元数估算MAC；训练复杂度以GMAC/epoch、推理以KMAC/bit比较，排除硬件依赖开销。

研究结果

4.1 孔径匹配耦合的实验验证

研究人员在接收望远镜后测量水平光束剖面与输出光功率。高斯光束因中心能量被副镜挡掉，环形剩余弱；涡旋光束能量重分布至环带，环峰半径38.4 mm，落于无遮挡环17.5–63.5 mm内，满足式(8)匹配判据。三次交替插拔螺旋相位板配对测量，接收平均光功率由0.603 mW升至0.810 mW，提升34.3%（配对t检验t=31.0, p=0.001；95% CI下限仍对应29.5%提升）。理论LG模型给上限，实测略低源于相位板非纯模及残余对中误差。该节确认孔径匹配原理可降低遮挡损耗、增大有效重叠。

4.2 基于深度学习的信号恢复

带宽受限调制与探测链引入码间干扰（ISI），阈值检测BER达0.179。研究人员调参Transformer：模型维数增大降BER但训练GMAC陡增，饱和后收益变薄；最优比例缩放Transformer测BER=0.0133。LSTM隐元约15时BER最低，继续增隐元仅微改善；最优LSTM在2047 bit测试序列零错，95%置信上限BER<1.46×10^-3。传统MMSE线性均衡BER=0.0298、DFE=0.0195，机器学习均衡进一步吃掉残差非线性失真。眼图显示LSTM睁开度最大。LSTM推理KMAC/bit显著低于Transformer（注意力O(L²d) vs 循环O(Ld²)结构差），故在性能与复杂度双优。

4.3 向更长链路距离的可扩展性

100 m折叠路径衍射扩展适中，Rytov方差随距离立方增长使公里级湍流不可忽略；但本研究涡旋光束仅作孔径匹配照明而非保OAM本征模，直接探测收集功率，故模式纯度退化不直接损耦合，光束漂移（beam wander）使环相对遮挡位移才需由设计裕度Δ吸收或跟踪补偿。均衡器补偿的ISI源自调制带宽、与距离无关，增益可迁移，但公里级需在线适应衰落。

讨论与结论翻译

讨论指出，光侧涡旋环形匹配与数侧LSTM均衡互补：前者提功率，后者消时序失真。LSTM以更低MAC取得最优BER，是紧凑FSO首选。结论部分表明：研究人员提出涡束辅助FSO系统，环形孔径耦合模型与100 m卡塞格雷恩双端实验证得接收光功率0.603→0.810 mW（+34.3%）；LSTM与Transformer均衡均远胜阈值检测，LSTM零错且复杂度更低；该光-数联合方案有效提升紧凑望远镜辅助FSO的耦合效率与通信可靠性。孔径匹配机制适用于任何中心遮挡望远镜前端，均衡增益来自发射调制带宽而与链路长度无关；向地基-无人机或卫星链扩展需另评大气湍流、指向跟踪及传播损耗，未来工作将涉湍流长距与神经网络均衡实时化，并将孔径重叠分析拓至多奇点非圆对称结构光场。