用于空间光通信系统的干扰光复合隔离装置及其隔离方法

本发明属于空间激光通信，尤其涉及一种用于空间光通信系统的干扰光复合隔离装置及其隔离方法。

背景技术：

1、空间光通信系统以激光为载波，在自由空间中实现信息传输，具备带宽高、抗电磁干扰能力强且无需频谱许可等显著优势，已成为构建高速、灵活空间信息网络的关键技术。为了满足终端小型化、轻量化的需求，收发共口径或收发一体化设计成为主流趋势。在此类架构的空间光通信系统中，通信光与目标光共用光学天线、光纤耦合组件及部分传输光路，通常依赖光纤环形器等核心器件完成发射端、公共天线端和接收端之间的光路合束与分离。

2、光纤环形器作为一种非互易光学器件，理论上能够使光信号按特定端口顺序（如第一端口至第二端口，第二端口至第三端口）定向传输，从而为收发光路提供方向隔离。然而，实际工程应用中，光纤环形器并非理想单向器件。其有限的端口隔离度、回波损耗、偏振相关损耗，以及系统中连接器、光纤端面和透镜表面的残余反射，均会导致高功率通信光信号的一部分泄漏至接收通道，形成泄漏光。特别是在通信光经过掺铒光纤放大器（erbium-doped fiber amplifier，edfa）放大后，泄漏光的功率可能高于目标光，形成严重的同源本地干扰。

3、在实际运行的收发共口径或收发一体化架构的空间光通信系统中，主要存在以下几类干扰光：

4、（1）泄漏光：发射端光信号因光纤环形器端口隔离度不足、光纤端面菲涅耳反射、透镜或反射镜表面反射等原因进入接收通道，形成与目标光同频的泄漏光；

5、（2）背景器件串扰光：包括太阳辐射、地球大气辐射、地球表面散射光以及其他典型恒星和行星的辐射光等；

6、（3）器件串扰光：edfa放大自发辐射、光学器件的杂散反射、多路径反射以及光学窗口或光纤分束器引入的串扰光等。

7、在上述干扰光中，因泄漏光与目标光频率相近，且功率高于目标光，从而造成接收端信噪比下降、误码率升高甚至通信中断。

8、针对上述问题，现有技术主要有以下几类解决方案：

9、（1）光学滤波方法：通过在接收链路中设置窄带滤波片，仅允许通信波段的光通过，以阻隔背景器件串扰光及带外器件串扰光。然而，当泄漏光与目标光同波长时，该方法无法区分二者，难以对泄漏光进行有效抑制。

10、（2）空间隔离方法：通过优化光学结构设计、采用倾斜端面、进行消光处理或设置遮光罩、光阑等方式来降低器件串扰光串扰。但对光纤端面反射、环形器隔离不足引起的腔内多路径反射等问题的抑制效果有限。

11、（3）偏振控制方法：利用泄漏光与目标光在偏振态上的差异进行抑制。但空间光链路和光学器件会引入不确定的偏振态变化，导致该方法的稳定性易受环境影响，难以在实际工程中可靠应用。

12、综上所述，现有技术在应对空间光通信系统的复杂干扰环境时，至少存在以下不足：单一滤波隔离只能抑制非通信波段或背景器件串扰光，难以抑制与目标光同频的泄漏光；而其它空间隔离或偏振控制方法则存在抑制能力不足或环境适应性差的缺陷。尤其是在强背景器件串扰光和强泄漏光同时存在的情况下，接收链路容易出现探测器饱和、闭环反馈误差增大等严重问题，影响系统整体的稳定性和可靠性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种用于空间光通信系统的干扰光复合隔离装置及其隔离方法，以解决现有技术中单一滤波难以抑制同频泄漏光，且空间隔离或偏振控制方法抑制能力不足、环境适应性差，导致系统综合隔离度和信噪比低的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种用于空间光通信系统的干扰光复合隔离装置，包括：

4、光纤环形器，其包括三个端口；其中，第一端口与发射链路连接，用于接收从发射链路发出的通信光，通信光泄漏形成泄漏光；第二端口与光学天线连接，用于接收经光学天线缩束准直后的目标光；第三端口与2×2光纤耦合器连接，用于向2×2光纤耦合器输出包含目标光、泄漏光、背景器件串扰光和器件串扰光的混合光；

5、光纤分束器，其设置于发射链路与第一端口之间，用于从通信光中分离出一部分作为参考光；

6、相干相消模块用于对参考光依次进行时延调节、幅度调节和相位调节；

7、2×2光纤耦合器，其包括两个输入端口和两个输出端口；其中，第一输入端口与相干相消模块的输出端连接，用于接收调节后的参考光；第二输入端口与光纤环形器的第三端口连接，用于接收混合光，混合光中的泄漏光与调节后的参考光发生等幅反相干涉，进而抑制混合光中的泄漏光；第一输出端口与接收链路连接，用于向接收链路输出抑制泄漏光后的混合光；

8、接收链路包括滤波器和信号探测器，滤波器用于对抑制泄漏光后的混合光进行滤波处理，以滤除混合光中的背景器件串扰光和器件串扰光，使混合光变为单纯的目标光；信号探测器用于对经滤波处理后的目标光进行探测。

9、进一步的，相干相消模块包括依次连接的可调光延迟线、可调衰减器和相位调节器；其中，可调光延迟线用于补偿参考光与泄漏光之间的光程差，使参考光与泄漏光同步到达2×2光纤耦合器；可调衰减器用于调节参考光的幅度，使其保持与泄漏光的幅度相等；相位调节器用于调节参考光的相位，使参考光与泄漏光在2×2光纤耦合器的内部相位相差为π。

10、进一步的，干扰光复合隔离装置还包括监测链路，监测链路包括光功率监测器和上位机，光功率监测器与2×2光纤耦合器的第二输出端连接，用于实时监测2×2光纤耦合器输出的光功率并反馈至上位机；上位机分别与可调光延迟线、可调衰减器和相位调节器连接，用于以2×2光纤耦合器输出的光功率最小为目标，闭环调节可调光延迟线、可调衰减器和相位调节器。

11、进一步的，滤波器为窄带可调滤波器、空间可调滤波器、法布里-珀罗可调滤波器中的任意一种。

12、进一步的，光纤环形器为保偏光纤环形器、双级光纤环形器或高功率光纤环形器。

13、进一步的，发射链路包括依次设置的激光器、光开关和光纤放大器，激光器用于发射通信光；光开关用于控制发射链路的通断；光纤放大器用于对通信光进行信号放大。

14、一种用于空间光通信系统的干扰光复合隔离方法，利用上述的干扰光复合隔离装置实现，包括：

15、利用光纤环形器对发射链路发出的通信光和经光学天线缩束准直后的目标光进行方向隔离；其中，通信光由第一端口输入光纤环形器，经第二端口输出至光学天线，将泄漏的通信光作为泄漏光；目标光由第二端口输入光纤环形器且与泄漏光混合变为混合光，混合光经第三端口输出至2×2光纤耦合器的第二输入端口；

16、从发射链路中分离一部分通信光作为参考光，将其输入至相干相消模块进行时延调节、幅度调节和相位调节，再输出至2×2光纤耦合器的第一输入端口；

17、调节后的参考光与混合光中的泄漏光在2×2光纤耦合器的内部发生等幅反相干涉在2×2光纤耦合器的内部发生等幅反相干涉，以抑制混合光中的泄漏光；

18、抑制泄漏光后的混合光经2×2光纤耦合器的第一输出端口输出至接收链路，经滤波器滤除背景器件串扰光和器件串扰光后，由信号探测器进行探测。

19、进一步的，干扰光复合隔离方法还包括：

20、实时监测2×2光纤耦合器的第二输出端口输出的光功率并反馈至上位机；上位机以2×2光纤耦合器的第二输出端口输出的光功率最小为目标，闭环调节参考光的时延、幅度和相位。

21、进一步的，对参考光进行时延调节、幅度调节和相位调节，具体包括：

22、通过可调光延迟线调节参考光的传输时延，使参考光与混合光同步到达2×2光纤耦合器；

23、通过可调衰减器调节参考光的幅度，使其保持与泄漏光的幅度相等；

24、通过相位调节器调节参考光的相位，使参考光与泄漏光在2×2光纤耦合器的内部相位相差为π。

25、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

26、1、本发明先利用光纤环形器完成目标光与通信光的初级方向隔离，再利用相干相消模块完成对泄漏光的相干相消；最后利用滤波器完成对背景器件串扰光及器件串扰光的滤除，进而提升基于收发共口径或收发一体化架构的空间光通信系统的综合隔离度、接收信噪比和系统稳定性。

27、2、本发明从发射链路发出的通信光中分离出一部分作为参考光，对其进行时延、幅度和相位调节后与同频的泄漏光进行等幅反相干涉，实现对泄漏光的抑制，弥补传统光学滤波方法难以区分同频的目标光与泄漏光的不足。

28、3、本发明通过光功率监测器实时检测相干相消后残余的光功率，上位机以该光功率为反馈目标，动态调节参考光的延迟量、衰减量和相移量，使参考光与泄漏光始终保持最优匹配状态，实现泄漏光的最优抵消，确保空间光通信系统在复杂空间环境下的长期稳定运行。