关于日间深空光通信中光谱与空间滤波技术的研究报告

一、 研究团队与发表信息 本项研究的主要作者为 Szymon Gladysz, Raphael Bellossi, Andreas Zepp, Douglas McDonald, Max Segel, Ruth Mackey, Niamh Fitzgerald 和 Karin Stein。其中，前五位作者以及 Karin Stein 来自德国的弗劳恩霍夫光电、系统技术及图像开发研究所（Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation, IOSB），Ruth Mackey 和 Niamh Fitzgerald 则来自爱尔兰的 Mbryonics 有限公司。该项研究成果以题为《Spectral and spatial filtering for daytime deep-space optical communications》的论文形式，发表于 SPIE（国际光学工程学会）的会议论文集《Proceedings of SPIE》第12777卷，收录于2022年10月3日至7日在克罗地亚杜布罗夫尼克举行的“国际空间光学会议（International Conference on Space Optics, ICSO 2022）”。该论文于2023年7月12日在线发布，数字对象标识符（DOI）为 10.¹¹¹⁷⁄₁₂.2688816。

二、 研究背景与目标 本研究隶属于空间光通信，特别是深空光通信领域。随着未来深空探测任务数据量的激增，传统的射频通信在速率和带宽上逐渐面临瓶颈，而激光通信（光通信）因其巨大的带宽潜力成为极具前景的下一代解决方案。欧洲空间局（European Space Agency）正为未来深空光通信能力的实现进行技术储备，其中一个典型的任务场景涉及一颗火星轨道卫星使用1550纳米激光向地面站传输数据。

然而，深空光通信链路在地面接收端面临一个严峻挑战：大气湍流引起的光波前畸变。这会导致通信探测器上激光光斑的空间扩散，从而降低信号光功率密度。在日间条件下，强烈的太阳背景光（天空背景辐射）会进一步淹没微弱的通信信号，导致信噪比急剧恶化，尤其是在卫星与太阳角距离较近时。因此，背景光抑制成为日间、低光子计数条件下光学链路能够正常工作的根本要求。其中，光谱滤波（滤除非信号波长的背景光）和空间滤波（通过自适应光学系统压缩光斑尺寸，减少探测器接收的背景光面积）是两项关键技术。

为此，Fraunhofer IOSB 与 Mbryonics 公司受委托共同设计并研制“高选择性滤波系统”演示验证装置中的空间与光谱背景滤波子系统。本研究的目标是：1）分析并筛选适用于日间深空通信的超窄带光谱滤波技术；2）对所选的滤波器件进行表征；3）构建并测试一个集成了光谱滤波与基于夏克-哈特曼波前传感器的自适应光学（Adaptive Optics, AO）环路的实验室演示验证系统；4）评估该系统在低信背比（Signal-to-Background Ratio, SBR）条件下的性能，并规划未来实用化系统的技术路线。

三、 详细研究流程与方法 本研究包含三个主要阶段：光谱滤波技术的理论分析与筛选、滤波器的实验表征、以及集成演示验证系统的构建与测试。

第一阶段：光谱滤波技术的分析与筛选 研究首先对多种超窄带光谱滤波技术进行了全面评估，以满足欧洲空间局提出的苛刻指标：在1550纳米波长处，带宽0.17纳米，透射率90%。评估的技术包括：窄带干涉滤光片、法布里-珀罗标准具（Fabry-Pérot Etalon, FPE）、体衍射光栅、单/多光纤布拉格光栅、多腔光栅、FPE或体布拉格光栅（Volume Bragg Grating, VBGs）与长波阻挡滤光片的组合，以及FPE与VBG的组合。

通过理论分析与模拟，研究团队最终选择了两种最有前景的级联滤波方案：法布里-珀罗标准具与带通滤光片（Bandpass Filter, BPF）的组合，以及法布里-珀罗标准具与反射式体布拉格光栅的组合。随后，研究在模拟大气湍流的条件下对这两种组合的预期性能进行了仿真。仿真考虑了不同望远镜孔径（1米、4米、6米）和不同大气相干长度（10厘米、20厘米）构成的六种湍流场景（D/r0 从5到60）。仿真模型精确考虑了滤波器的实际参数，并计入了由于望远镜孔径与滤波器孔径之比引起的高角度放大效应以及光传播的物理衍射效应。

对于FPE，研究设计了中心波长1550纳米、带宽0.17纳米的器件，其自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）为10.27纳米。仿真表明，即使在湍流导致波前局部倾斜的情况下，FPE仍能保持很高的平均透射率（>93%）。为了补偿多普勒效应引起的信号波长偏移，研究提出并通过模拟验证了通过加热或冷却FPE（改变其光学腔长）来精确调谐中心波长的可行性。

对于反射式VBG，仿真显示其在无湍流时性能与FPE相当。然而，在存在波前畸变（特别是对于大口径望远镜或强湍流，即D/r0 > 10）时，VBG的衍射效率会因局部波前倾斜引起的谐振波长峰值偏移而显著下降。虽然通过整体倾斜VBG可以部分补偿，但这要求实时响应自适应光学系统的校正，且VBG性能下降本身会降低进入AO系统的信背比，可能影响AO环路工作。因此，研究最终确定采用FPE与BPF的组合作为演示验证系统的光谱滤波方案。BPF的作用是阻挡FPE产生的周期性次级透射峰，并大幅提高带外抑制能力。仿真显示，一个商用的带宽10纳米的BPF与定制FPE的组合，其带外透射性能仅比理想的0.17纳米矩形滤波器差约1.5倍。

第二阶段：滤波器的实验表征 研究团队采购了商用BPF（AHF analysentechnik 的 “HC Laser Clean-up NIR 1550/3”）并委托SLS Optics公司定制了FPE。在集成到演示系统前，对两者进行了独立的光谱表征。 * BPF表征：使用岛津UV-3600光谱仪测量。结果显示其半高全宽（FWHM）为8.5纳米（符合8.8纳米的规格），中心波长为1552.5纳米（与标称1550纳米有2.5纳米偏移，但可通过倾斜滤波器进行补偿校正），在1548.5-1551.5纳米范围内的透射率>90%。 * FPE表征：使用高分辨率（2.5皮米）光谱分析仪测量。测得FSR为9.95纳米，FWHM为0.227纳米，峰值透射率约86%，均与制造商规格相符。为确保FPE能精确过滤特定波长（考虑入射角影响），研究将其安装在高精度压电旋转台（分辨率0.7微弧度）上，进行了150次不同角度下的透射谱测量，验证了其FSR和FWHM参数在不同角度下的可重复性和可靠性。

第三阶段：面包板演示验证系统的构建与测试 基于前期的仿真和滤波器表征结果，研究团队搭建了一个用于低信背比、低光子计数应用的光谱与空间滤波实验室演示验证系统。该系统旨在模拟真实条件并验证自适应光学在极低SBR下的有效性。

系统组成与关键方法： 1. 核心组件：包括两个用于模拟和校正湍流的空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）、一台短波红外相机（作为通信探测器）、一台短波红外夏克-哈特曼波前传感器（Shack-Hartmann Sensor, SHS）、以及前述的BPF和FPE滤波器。 2. 背景光模拟：设计并构建了一个背景光生成器，使用卤素灯和石英漫射体产生近似朗伯体的背景光，并将其成像到探测器和波前传感器平面，以模拟日间天空背景。为了更灵活精确地控制SBR，研究中还采用了数字方式在SHS探测器图像上添加背景光。 3. 湍流模拟与AO环路：两个共轭的SLM分别用于加载模拟大气湍流的相位屏和实施AO校正。值得注意的是，该系统故意没有使用变形镜，目的是在最简配置下验证AO在极低信噪比条件下是否仍能带来改善。 4. 算法创新：针对SHS在信号与噪声水平相当时的波前探测难题，研究团队投入大量精力设计了新的质心计算算法，能够从高噪声中提取SHS子孔径光斑的位移。同时，实现了模态波前重构器，并针对不同的SBR和D/r0场景优化了其参数。测试了两种AO控制器：纯积分器和泄漏积分器。 5. 实验场景：模拟了三种SBR场景（SBR = 1， 0.05， 0.02）以及不同的D/r0湍流强度。SBR定义为在“视宁度受限”（即无AO，但具有0.17纳米带宽光谱滤波）条件下，通信探测器上包围80%总信号光子通量的区域内的信号与背景总通量之比。

数据处理与分析流程：系统运行中，SHS探测畸变波前，通过新型质心算法计算子孔径斜率，经模态重构器得到波前相位估计，驱动第二个SLM进行共轭校正。校正前后，通过短波红外相机记录远场光斑（点扩散函数，PSF）。通过比较校正前后PSF的斯特列尔比（Strehl Ratio, SR）来定量评估AO系统的性能改善。斯特列尔比是实际成像峰值与理想衍射极限成像峰值的比值，其提高意味着光斑能量更集中，空间滤波效果更好。

四、 主要研究结果 1. 光谱滤波方案确定：理论分析与仿真结果表明，法布里-珀罗标准具与带通滤光片的组合是满足日间深空光通信苛刻光谱滤波要求（0.17 nm带宽，90%透射率）的最优且稳健方案。反射式体布拉格光栅虽在静态下性能相近，但其性能对湍流引起的波前畸变过于敏感，不适用于大口径地面站。 2. 滤波器性能验证：实验表征确认了所采购的商用BPF和定制的FPE均满足或接近设计指标。FPE的关键参数（FSR， FWHM）具有良好的可重复性，并且其中心波长可通过温度进行线性调谐，以补偿多普勒频移。 3. 自适应光学演示验证结果：在SBR = 1（信号与背景噪声水平相当）的条件下，演示验证系统取得了显著成功： * 与仅校正倾斜像差（Tip-Tilt）的情况相比，高阶自适应光学校正带来了斯特列尔比（SR）2.5倍至34倍的提升（对应D/r0从5到20）。具体数据为：D/r0=5时，SR从0.1709提升至0.4238（提升因子2.48）；D/r0=10时，SR从0.0201提升至0.1425（提升因子7.09）；D/r0=20时，SR从0.0050提升至0.1664（提升因子33.28）。 * 这一结果与前期纯仿真研究的结果在量级上高度吻合，证明了所设计的AO系统架构和新型质心算法的有效性。传统的质心算法在此低SBR条件下已失效。 * 实验观察到，对于固定的SBR，望远镜口径越大（D/r0值越高），AO带来的SR相对提升越显著。这表明AO系统在应对更严重湍流时具有巨大潜力。 * 然而，在更极端的低SBR场景（SBR = 0.05 和 0.02） 下，该系统未能获得SR的改善。这揭示了在光子极度匮乏时，波前传感面临的根本性挑战。 4. 面向实用化系统的技术路线图：研究基于演示验证结果，规划了未来实用化系统需解决的关键技术： * 光子计数探测：真实系统需工作在光子计数模式。对于SHS，需使用低温冷却的短波红外光子计数探测器（如SAPHIRA e-APD），并需将微透镜阵列与探测器一同封装在低温模块中以避免热应力。 * 变形镜与快反镜：实用系统需补充独立的快速倾斜镜（Fast Steering Mirror）用于倾斜校正，并需选择具有足够行程和促动器数量的变形镜。分析表明，现有商用变形镜可满足直至D=8米望远镜在典型湍流下的校正需求。 * 导星策略：探讨了使用激光导星（Laser Guide Star, LGS） 与自然导星（Natural Guide Star, NGS） 模式的利弊。使用钠激光导星可提供更多传感光子，但无法测量倾斜，日间倾斜感测仍需依靠1550纳米的通信信号本身。另一种策略是完全依赖超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在纯NGS模式下同时进行倾斜、高阶像差传感和通信，但这对探测器性能要求极高。使用瑞利散射激光导星是成本较低的替代方案，但存在较大的聚焦非等晕性误差。

五、 研究结论与价值 本研究成功设计、优化并原型化了一套用于日间深空光通信的光谱与空间滤波系统。核心结论是：通过结合超窄带法布里-珀罗标准具滤光片和基于先进质心算法的夏克-哈特曼波前传感器自适应光学系统，能够在信号与背景噪声水平相当（SBR ~ 1）的极端日间条件下，有效校正大气湍流影响，显著提升光学系统的成像质量（斯特列尔比提升达数十倍）。这证明了在日间、低光子通量条件下实现有效自适应光学波前感测与校正的可行性。

科学价值与应用价值： * 科学价值：本研究深入分析了多种超窄带滤波技术在动态湍流波前下的性能差异，为相关领域的技术选型提供了关键依据。更重要的是，它通过实验验证了在极低信背比条件下，通过算法创新（新型质心算法）实现波前感测的可能性，突破了传统AO在该领域的应用瓶颈。 * 应用价值：该研究成果直接服务于未来深空光通信地面终端的工程设计。斯特列尔比的提升意味着通信光斑在探测器上更集中，从而允许使用更小视场（即更小像素区域或更少像素）的探测器来接收信号。这不仅能降低探测器噪声，还能允许更高速率的通信。研究提出的技术路线图为构建实用的日间深空光通信地面站自适应光学系统扫清了主要技术障碍，指明了具体的发展路径（如探测器选型、导星策略、器件规格等）。

六、 研究亮点 1. 问题导向的综合性解决方案：研究并非孤立地看待光谱滤波或自适应光学，而是从解决“日间深空光通信链路可行性”这一系统工程问题出发，将两者作为紧密耦合的子系统进行联合设计、仿真与验证。 2. 在极限条件下的算法突破：针对SBR低至1的极端条件，成功开发并验证了新型的夏克-哈特曼质心算法，这是实验获得成功的关键，展示了算法创新在突破硬件物理极限方面的重要作用。 3. 详尽的滤波器性能评估：不仅进行了静态参数测试，还通过仿真深入研究了湍流动态波前对FPE和VBG等滤波器性能的影响，为工程选择提供了坚实的数据支撑，避免了仅凭静态指标决策可能带来的风险。 4. 从原理验证到实用化路线图的完整闭环：研究不仅完成了实验室原理验证，还基于实验结果系统性地分析了迈向实用化所面临的技术挑战（如光子计数探测、低温集成、导星策略等），并给出了具体的解决方案和供应商产品性能评估，使研究成果具有很高的工程指导价值。

七、 其他有价值内容 论文中提及的配套仿真研究（参考文献[2]）为本次实验提供了重要的前期理论支撑和参数优化依据，两者形成了良好的互补。此外，研究中对激光导星与自然导星模式的利弊分析，以及对倾斜校正单独通道必要性的讨论，对于未来深空光通信地面站的整体架构设计具有重要的参考意义。这些分析表明，最终的实用系统设计需要在性能、复杂度、成本和可靠性之间进行细致的权衡。