1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统，以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms，位置分辨率为0.83 μrad。经理论分析和实验验证，该系统的位置闭环跟踪-3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时，即光束探测精度小于12 μrad，对应的探测灵敏度为-45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下，误码率为1×10-3时对应的通信灵敏度为-44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性，可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。
自由空间光通信 四象限探测器 位置分辨率 跟踪带宽 通信灵敏度 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706013
1 中国科学技术大学光学与光学工程系，安徽 合肥 230026
2 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
4 上海卫星互联网研究院有限公司，上海 200120
5 上海市卫星互联网重点实验室，上海 200120
在深空探测中，以微波为载体的通信、测距载荷面临链路损耗大、频谱资源紧张等问题。相比微波，激光光束发散角小，能量更为集中，可达更远的传输距离，以激光为载体的通信、测距载荷具有体积小、质量轻等优势。搭建了一套激光相干外差扩频通信测距一体化深空探测系统，提出了一种基于曲线模型的插值重采样方法，并对该曲线模型进行了理论仿真和实验验证。该模型由系统先验信息构建，是伪随机码相位差的线性函数。实验结果表明，对于静态目标，测距偏差不超过0.55 mm，测距精度不超过0.42 mm。对于动态目标，测距偏差不超过0.59 mm。静态和动态目标测距中实现了零误码通信。此外，扩频通信测距一体化设计应用于深空导航和深空时频同步，可以提高实时性。
扩频通信 插值重采样 通信测距一体化 深空探测 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706010
激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706000
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
卫星相干激光通信系统中，信号调制格式以相移键控（PSK）为主，未兼容开关键控（OOK）的相干接收。针对卫星相干光通信接收机不兼容多种调制格式的问题，实验搭建了兼容OOK以及二进制相移键控（BPSK）的相干通信接收装置。在1 Gbit/s的通信速率下，当调制格式为OOK且信号光功率为-54.6 dBm时，误码率（BER）为10-3，接收灵敏度距离散粒噪声极限3.3 dB；当调制格式为BPSK且信号光功率为-57.95 dBm时，BER为10-3，接收灵敏度距离散粒噪声极限4.2 dB。该多体制兼容相干接收机的结构与当前大多数相干接收机的硬件通用，且具有较高的接收灵敏度，证明了卫星相干激光通信多体制兼容技术的可行性，具有重要意义。
光通信 多体制兼容 内差检测 开关键控 相移键控 光学学报
2023, 43(12): 1206002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
针对旋转双棱镜系统指向误差较大、误差源较多等指向精度较差的问题，提出了一种新的旋转双棱镜指向偏差修正方案。采用非近轴光线追迹方法建立旋转双棱镜指向模型和二维转台指向模型，在全视场区域内均匀选取若干点，比较旋转双棱镜理论出射光束与实际出射光束的偏差，通过Levenberg-Marquardt迭代算法对旋转双棱镜前镜和后镜的转角误差、楔角和折射率进行修正。在整个视场区域内修正后，指向最大偏差由8.37 mrad变为3.75 mrad，平均指向偏差由4.00 mrad变为1.38 mrad，并且当俯仰角较小时，修正效果较好；在俯仰角小于15°的视场区域进行单独修正后，最大指向偏差变为1.51 mrad，平均偏差变为0.84 mrad。所提修正方法提高了旋转双棱镜的指向精度，对旋转双棱镜指向偏差的补偿修正具有一定的参考价值。
光通信 自由空间激光通信 旋转双棱镜 Levenberg-Marquardt算法 最小二乘法 误差校正
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
随机并行梯度下降（SPGD）算法是一种应用广泛的最优化算法，在光学相控阵的多光束相位调控中具有重要作用。常规的SPGD算法在光学相控阵单元数目较大的应用场景下存在着迭代步数多、收敛速度慢等缺陷。为此提出了一种分级SPGD算法，将多光束进行分级，通过在多级使用SPGD算法对光束的调控来实现快速收敛和稳定维持。介绍了该算法的理论模型和流程，运用数值仿真的方式与传统算法进行了性能比较，结果表明，分级SPGD算法能够在大规模光学相控阵中显著提高收敛速度。搭建了光学相控阵实验系统进行分级SPGD算法的原理和可行性验证，在不同光束数目条件下实现了分级SPGD算法的闭环锁相，验证了算法的优越性，结果显示分级算法在32路光束时可以将迭代次数降低到常规算法的59.6%。
激光光学 光学相控阵 分级随机并行梯度下降算法 相位调控
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Department of Aerospace Laser Engineering, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
An optical phase locking method based on direct phase control is proposed. The core of this method is to synchronize the carrier by directly changing the phase of the local beam. The corresponding experimental device and the supporting algorithm were configured to verify the feasibility of this method. Phase locking can be completed without cycle skipping, and the acquisition time is 530 ns. Without an optical preamplifier, a sensitivity of is obtained, and the bit error rate is for 2.5 Gbit/s binary phase-shift keying modulation. The measured standard deviation of the phase error is 5.2805°.
space coherent laser communication direct phase control optical phase-locked loop IQ modulation Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 060601
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
针对相干激光雷达在低空、远距离、高动态目标探测等应用场景中存在的弱信号探测问题，基于调频连续波相干激光雷达，采用多脉冲频域相干累积方法提高激光雷达弱回波信号的信噪比。结合调频连续波理论，分析了信号幅度起伏和相位起伏对多脉冲频域相干累积信噪比效果的影响，实验结果表明，经过M脉冲周期的频域相干累积，微弱回波信号对数信噪比可提升10lg M dB，并且信号幅度起伏、相位起伏可导致多脉冲相干累积信噪比低于理想相干累积信噪比，对于均值分别为2.25×10-4、1.65×10-4和相对起伏幅度分别为0.69、0.93的回波信号而言，相位补偿后的回波信号在50脉冲周期内相干累积信噪比的误差因子最大为0.57%、0.3%，该多脉冲频域相干累积方法对相干激光雷达在远距离目标探测、微弱信号接收方面的应用具有重要意义。
遥感 调频连续波 多脉冲频域相干累积 动态目标 弱信号探测 相干激光雷达 幅度相位起伏
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
相比于传统的强度调制的相位式激光测距技术,基于载波相位调制的相位式激光测距技术在之前的研究中展现出了很大的优势,如调制和解调比较简单、能同时实现高精度的测距和测速等。为了使该测距系统能在外场条件下工作,对系统进行了一些改进,包括采用收发分离的光学系统、采取外差探测的方式,提出了可行的提高灵敏度的算法。外场实验中,改进系统实现了对75.5 m处的目标的测量,测距和测速的精度分别为0.93 m和5.48×10 -4 m/s,对应的测相精度为0.22°。在正对太阳的情况下,系统测量精度也几乎不受影响。
测量 激光测距仪 相位式测距仪 相位调制 外差探测 测距测速 中国激光
2021, 48(24): 2404001
1 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
2 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
基于相干探测的单像素激光成像雷达是一种结合光场的主动调制和光学相干探测、通过无空间分辨能力的单像元探测器便可以获取目标信息的计算成像技术,在高维信息获取和抗背景光干扰方面具有显著优势。本文简述了近年来发展起来的两种新型相干探测单像素激光成像雷达(合成孔径激光成像雷达和激光关联成像雷达)的基本原理和特点,介绍了近期取得的主要研究进展,并对其未来发展趋势进行了展望。
激光与光电子学进展
2021, 58(10): 1011003
