(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光通信システムにおいて光信号フェーディングを低減する方法であって、
大気を通る衛星からのダウンリンク光信号を受信することと、
前記受信されたダウンリンク光信号の乱流により引き起こされた発散及び平均ビーム発散をその中心方向周りで時間にわたり測定するよう、グリーンウッド周波数よりも小さいサンプリングレートで遠距離場において前記受信されたダウンリンク光信号の瞬時発散及び到来角（ＡｏＡ）をサンプリングし処理することと、
前記衛星へ送信されるアップリンク光信号のために、所定の直径の単一横モードレーザビームを生成することと、
前記アップリンク光信号の略回折限界的な発散を前記測定された乱流により引き起こされた発散とおおよそ適合させるよう前記レーザビームの前記直径を設定することと、
前記アップリンク光信号の送信方向を、前記受信されたダウンリンク光信号の測定された平均ビーム発散に設定することと、
前記設定された直径及び前記設定された送信方向により前記アップリンク光信号を前記衛星へ送信することと
を有する方法。
【請求項２】
前記アップリンク光信号の方向を、前記衛星への当該光信号の到着時点における前記衛星の予測される位置に向けて動的に制御すること
を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
地上のトランシーバの受信器及び送信器は、宇宙から同じ経路を通って届く前記ダウンリンク光信号を、前記衛星へ送信される前記レーザビームと見なすことを可能にするよう、共通の出力／入力開口及び光軸を含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記地上のトランシーバの前記受信器及び前記送信器は、夫々が開口を含み、該開口は空間的に離されている、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ダウンリンク光信号は、ダウンリンク通信信号のサンプリングされた部分、又はビーコンビームである、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビームの前記直径を設定することは、前記ダウンリンク光信号の到来角と逆の方向におおよそ適合するよう、様々な直径を有する前記アップリンク光信号の送信方向を時間において変更することを更に有する、
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記アップリンク光信号を送信するための該アップリンク光信号の方向を、前記衛星への前記アップリンク光信号の到着時点における前記衛星の予測される位置に向けて動的に調整すること
を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
光信号フェーディングを低減する光通信システムであって、
遠隔のトランシーバによって大気を経由して送信されたダウンリンク光ビームを捕捉する開口を含むインアウト・ジンバル式望遠鏡と、
グリーンウッド周波数よりも小さいサンプリングレートで前記ダウンリンク光ビームの部分の瞬時発散及び到来角（ＡｏＡ）をサンプリングするビームサンプラへ前記ダウンリンク光ビームを向けるステアリングミラーと、
前記サンプリングされた部分を受け取り、該サンプリングされた部分を、遠距離場レンズの焦点面に又は該焦点面の近くに位置するカメラに向け、該カメラは、遠距離場レンズの遠距離場における前記ダウンリンク光ビームのビーム中心点位置及びビーム直径を測定することによって、前記ダウンリンク光ビームの乱流により引き起こされた発散及び平均ビーム発散をその中心方向周りで時間にわたり測定する、前記遠距離場レンズと、
所定の直径の単一横モードレーザビームを、前記遠隔のトランシーバへ送信されるアップリンク光信号として生成するレーザ送信器と、
メモリ及びＩ／Ｏ回路を含み、前記遠隔のトランシーバへ送信される前記アップリンク光信号のための最適な直径及びビーム方向角度を、前記ダウンリンク光ビームの前記測定された乱流により引き起こされた発散及び平均ビーム発散に従って特定して、前記レーザビームの直径を前記特定された最適な直径に設定し且つ前記レーザビームの送信方向を前記ダウンリンク光ビームの前記測定された平均ビーム発散に設定するプロセッサと
を有するシステム。
【請求項９】
前記遠隔のトランシーバは、衛星に位置付けられている、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記カメラは、前記ダウンリンク光ビームの前記サンプリングされた部分の角度特性、発散及び傾きを測定するよう前記光ビームの遠距離場面に位置付けられている電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラである、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
ズーム望遠鏡を更に有し、
前記プロセッサは、前記レーザビームの直径を前記特定された最適な直径に設定するように前記ズーム望遠鏡に適応制御を適用する、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ズーム望遠鏡は、３つのシーケンシャルレンズを含み、該シーケンシャルレンズのうちの１つ又は２つは、前記アップリンク光信号の視準を保ちながら、前記インアウト・ジンバル式望遠鏡の倍率を変えるよう同期して動かされ得る、
請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号処理に関係があり、特に、大気の乱れによる信号フェーディングを低減する装置及び方法に関係がある。
【背景技術】
【０００２】
大気は、光信号の伝送にとって、非常に複雑な、時間に依存した乱流媒質である。擾乱大気におけるレーザビームの伝播は、レーザビームのスペックルド（speckled）とも呼ばれる不均質な空間構造の形成を伴ったランダムなビームワンダ（wander）（レーザビームの伝播の中心方向の変化）及び強い収差が付きものである。スペックルドビームの強度プロファイルの横断面は、光強度が低いか又はゼロである範囲によって分けられたランダムに分布する起点（“スペックル（speckles）”）から成る。典型的な水平光路及び宇宙通信アップリンクシナリオについて、多くのスペックルは、送信されるビームスポット内で形成することができる。
【０００３】
空気の局所的な温度及び密度のような、大気パラメータの時間変化は、スペックルパターンのランダムな“沸騰（boiling）”、すなわち、ビームにわたる強度最高点及び最低点のランダムな動き、として現れるスペックル分布の変化を引き起こす。これは、シンチレーション効果に相当し、レーザビームの強度の空間分布の時間ゆらぎとして現れる。それは、所与の開口の受信器によって捕捉される信号電力の変動に変わる。特に、開口がスペックルサイズと同程度である場合には、受け取られる電力は、受信器がたまたまスペックルどうしの間にある時間インターバルに相当に低下しうる。この効果は、信号フェーディングと呼ばれる。シンチレーションによる信号フェーディングに対する影響は、スペックルサイズが受信開口よりも大きいときに主に顕著である。スペックルサイズが受信開口よりも大きい状況は、地面から衛星への長距離のアップリンク通信チャネルには常に当てはまる。
【０００４】
擾乱大気におけるランダムなビームワンダはまた、レーザビームが全体として受信開口の外に十分に離れてシフトするときに捕捉される受信器信号電力の相当の低下をもたらしうる。ビームワンダ効果は、シンチレーションプロセスによって駆動される時間的に可変なスペックルの動きとは異なる。そのダイナミクスは、通常は、よりずっとゆっくりであり、その影響は、レーザビームの指示方向の適応調整によって最小限にされ得る。指示調整は、残念ながら、ビームスポット内のスペックル沸騰による信号フェーディングを低減することができない。
【０００５】
フリードパラメータ（fried  parameter）は、温度及びよって密度の変動により引き起こされる大気の屈折率におけるランダムな不均質性により、大気を通る光伝送の品質の広く受け入れられている指標である。フリードパラメータは、長さの単位を有しており、一般的には円形部の直径として定義される。その直径にわたって、当初の指示方向に垂直な平面からの、大気通路により引き起こされる波面の偏差のＲＭＳは、１ラジアンに等しい。このようにして定義されたフリードパラメータは、２つの効果、すなわち、ビームワンダによる波面の傾き、及びビームサイズよりも小さいラテラルスケール（lateral  scales）での波面形状の無秩序な変化、を統合する。
【０００６】
自由空間レーザ通信（free  space  laser  communication）（ｌａｓｅｒｃｏｍ）システムは、大気及び／又は宇宙における２つの地点の間の情報の伝送のために現在使用されている。これは、それら２つの送信及び受信地点の間で伝播する情報キャリアとなる有向レーザビーム上に時間変調として情報信号を重ね合わせることを利用する。信号フェーディング、すなわち、その電力を特定の閾レベルより下に低減又は消失させるランダム信号の効果は、電磁波に基づく如何なる通信システムの性能も制限するよく知られた問題である。擾乱大気を経由して作動するｌａｓｅｒｃｏｍシステムの特定の場合において、それは、通常はトラッキングシステムによって供給され、信号フェーディングは、シンチレーション現象に主として起因して起こる。
【０００７】
他の方法は、ｌａｓｅｒｃｏｍシステムに対する大気中のシンチレーション効果に起因した信号フェーディングを最小限とするために提案されてきた。提案されているそれらの方法は、受信増幅器に対する自動利得制御、大きい受信開口又は複数の分散した受信開口を使用すること、並びに適応オプティクス及び位相共役（phase  conjugation）を用いることを含む。しかしながら、提案されているそれらの全ての方法は、実施するのが技術的に複雑且つ高価であるだけでなく、信号フェーディングの問題を解決することからほど遠く、通常は通信信号に余分のノイズを付加する。それらはまた、地面と衛星との間の長い通信リンクへの適用において、能力が制限される。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、大気におけるシンチレーション効果によって引き起こされる信号フェーディングに対する影響を最小限にし又は実際上取り除くのを助ける装置及び方法である。
【０００９】
いくつかの実施形態において、本発明は、光通信システムにおいて光信号フェーディングを低減する方法である。方法は、光信号が伝送される大気について、乱流により引き起こされる指示方向の発散及び偏差を動的に求めることと、所定の直径の単一横モードレーザビームを前記光信号として生成することと、前記大気についての前記求められた乱流により引き起こされる発散をバックトラック指示方向と適合させるよう前記レーザビームの前記直径を動的に変更することと、様々な直径（及び任意に、様々な指示方向）を有する前記レーザビームを遠隔のトランシーバへ前記光信号として送信することとを含む。
【００１０】
いくつかの実施形態において、本発明は、光信号フェーディングを低減する光通信システムである。システムは、遠隔のトランシーバによって大気を経由して送信されたダウンリンク光ビームを捕捉する開口を含むインアウト（in/out）・ジンバル式（gimbaled）望遠鏡と、前記ダウンリンク光ビームのサンプリングされた部分をモニタするよう前記ダウンリンク光ビームをビームサンプラに通すステアリングミラーと、前記サンプリングされた部分を受け取り、該サンプリングされた部分を、遠距離場レンズの焦点面に又は該焦点面の近くに位置するカメラに向け、該記カメラは、遠距離場において前記ダウンリンク光ビーム中心点位置を追跡し且つビーム直径を求めることによって、前記ダウンリンク光ビームの前記サンプリングされた部分の時間に依存する到来角（前記遠隔のトランシーバの可視的な部分）及びビーム発散をモニタ及び測定する、前記遠距離場レンズと、所定の直径の単一横モードレーザビームを生成するレーザ送信器と、前記遠隔のトランシーバへ送信されるアップリンク光信号として前記ビームを所定の直径に再フォーマットする光学系、メモリ及びＩ／Ｏ回路を含み、前記遠隔のトランシーバへ送信される前記アップリンク光信号のための最適な直径及びビーム角を、前記ダウンリンク光ビームの前記サンプリングされた部分の前記測定された瞬時到来角及びビーム発散並びに前記遠隔のトランシーバの前記可視的位置に従って特定して、前記レーザビームの直径を前記特定された最適な直径に動的に設定し且つ前記レーザビームの方向を前記特定されたビーム角に動的に設定するプロセッサとを含む。
【００１１】
いくつかの実施形態において、前記遠隔のトランシーバは衛星に位置付けられており、地上局と光通信する。
【００１２】
本発明のシステム及び方法はまた、前記送信される光信号の指示方向を、前記遠隔のトランシーバへの前記光信号の到着時点における前記遠隔のトランシーバの予測される位置に向けて動的に制御してよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明のより完全な認識、並びにその付随する特徴及び態様の多くは、添付の図面とともに検討される場合に以下の詳細な説明を参照して本発明がより良く理解されるにつれて、より容易に明らかになるだろう。図面において、同じ参照符号は、同じ構成要素を示す。
【００１４】
【図１】本発明のいくつかの実施形態に従って、例となるプロセスフロー図である。
【００１５】
【図２】本発明のいくつかの実施形態に従って、装置の例となるブロック図である。
【００１６】
【図３】本発明のいくつかの実施形態に従って、信号フェーディング低減効果を説明する例図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
いくつかの実施形態において、本発明は、ビームを受信器に向けて送出するより前に、地上の送信器の出力面において、レーザ出力ビームの直径ｄ＿ｏｕｔの適切な選択又は動的な制御を用いて、衛星受信器での信号フェーディングを最小限とする装置及び方法である。いくつかの実施形態において、本発明は、傾き及び高次のビームひずみ（beam  distortions）に別々且つ個別的に対処する。このため、本発明は、異なるパラメータ、すなわち、横相関（transverse  correlation）スケールパラメータｄ＿Θにより作動する。このパラメータは、フリードパラメータに関係があるがそれとは異なる。ｄ＿Θは、大規模な平行ビームが２つの場所、すなわち、送信器及び受信器、の間を擾乱大気の層を通って伝播した後に蓄積する時間平均発散と同じ発散値を有している回折限界的なガウシアン様ビームの直径として、以下で定義される。典型的な大気条件下でのほぼ垂直な伝播経路について、横相関スケールパラメータｄ＿Θの値は、通常、２．５〜２５センチメートル（ｃｍ）の範囲で変化する。ガウシアン様ビームのビーム直径は、最大強度からのレベル１／ｅ２（ＦＷ１／ｅ２）での全幅、又はさもなければ、全ビーム電力の〜８６％を取り囲むバケットサイズ、に等しく決定される。
【００１８】
いくつかの実施形態において、衛星に向けられるビームの出力電力は、直径ｄ＿ｏｕｔの変動に対して一定であると考えられ、そして、送信器ビームは、単一横モードレーザ（single  transverse  mode  laser）によって生成されると考えられ、従って、それは空間的にコヒーレントである。ビーム直径は、目標での送信ビームにおけるスペックル形成を最低限とする最適な値ｄ＿ｏｐｔの近くに設定される。最適な直径ｄ＿ｏｐｔは、所与の最小値に設定されるか、あるいは、時間により変化する大気条件のために調整され得る。例えば、１５００〜１６００ナノメートル（ｎｍ）で作動するアップリンク／ダウンリンク地上−衛星間ｌａｓｅｒｃｏｍシステムについて、出力ビーム直径ｄ＿ｏｕｔの変化は、典型的な大気条件に対して２．５〜１０ｃｍの範囲にある。放射ビームの可変な直径は、衛星軌道でのビーム内のスペックルの数を減らす目的を果たし、最終的に（理想的に）、ビームを単ローブ（lobe）だけで表されるようにする。
【００１９】
いくつかの実施形態において、ビーム直径の制御は、信号レーザビームの到着時刻にある受信器の位置に向かう出力ビームの指示方向の同時の動的制御と組み合わされる。その付け足しは、漂遊する単ローブのビームスポットの中心を衛星受信器の開口の位置の近くに保つのを助ける。ビーム直径及び指示方向はいずれも、衛星によって放射されて地面で受信されるレーザ信号の遠距離場（far-field）分布の検出及び解析によって、定義される。それは、ダウンリンク通信信号を運ぶビームのサンプリングされた小部分、又は衛星に位置するレーザビーコンのビームであることができる。
【００２０】
いくつかの実施形態において、地上の送信局にある受信器で捕捉されたビームの瞬時発散及び到来角（ＡｏＡ；angle  of  arrival）は、その中心方向の周りの平均ビーム発散を測定するよう、グリーンウッド（Greenwood）周波数よりもずっと小さい緩やかな割合で遠距離場においてサンプリングされて処理される。衛星から地面で受信されるレーザビームについて、波面の微細構造（fine  structure）は、一般的に約５００ヘルツ（Ｈｚ）であるグリーンウッド周波数を特徴とする時間スケールで時間とともに変化する。波面センサ及び可変形状ミラーを使用してビーム収差を実時間において追跡し補正することを扱う適応光学（ＡＯ；adaptive  optics）アプローチは、その時々でビーム収差（aberration）を捕捉するよう、グリーンウッド周波数よりも一般的に速い割合で、受信されるビームのスナップショットをサンプリングする必要が通常はある。
【００２１】
しかし、本発明は、波面収差の個別な実現を追跡する必要がない。むしろ、いくつかの実施形態において、受信されるビームの発散及び中心方向で足りうる。それらは、ダウンリンク波面の小規模変動の時間よりもずっと長い時間にわたって平均される。本発明は、ダウンリンクビームにおける平均発散及び平均傾きが局所的な小規模の波面収差の瞬間的な実現よりもずっとゆっくりと時間において変化するという事実を利用する。到来するビームの発散及び指示方向のための測定は、それらのパラメータの夫々の緩やかな変化の時間スケールに適合する平均時間を有して行われると考えられる。いくつかの実施形態において、特徴取得及び処理時間は、数ヘルツからサブヘルツの範囲にあってよい。
【００２２】
任意に、共通の、共有される出力／入力開口及び光軸は、地上局にある受信器及び送信器（トランシーバ）のために設けられる。これは、衛星へ送信されるアップリンクビームと略同じ経路を通って宇宙から到来するダウンリンクビームを特徴解析するのを可能にする。他の選択肢は、開口を横方向に少し離すことである。これは、ほぼ垂直なビーム経路にわたるメートル規模の位置ずれに対してほとんど変化しない大気の平均された特性が本発明によって利用されることで可能である。
【００２３】
本発明は、次いで、直径をｄ＿ｏｐｔの近くに保ちながら、そして、ビーム発散が入来するダウンリンクレーザビームの測定された発散におおよそ等しいように、アップリンク出力ビーム（例えば、地上にある送信器から打ち上げられる。）の直径“ｄ＿ｏｕｔ”を動的に制御する。これは、大気を経由して衛星にある受信器に伝播した後のアップリンクビームにおけるスペックル形成の発生を最小限にする。加えて、ビーム直径の制御はまた、アップリンクレーザビームの到着時刻にある軌道上の衛星の位置に向く出力アップリンクビームの指示方向の同時の適応制御と組み合わされてよい。
【００２４】
図１は、本発明のいくつかの実施形態に従って、光通信システムにおいて光信号フェーディングを低減する、例となるプロセスフロー図である。ブロック１０２に示されるように、乱流により引き起こされる指示方向の発散（divergence）及び偏差（deviations）、例えば、ダウンリンク光信号の平均角発散（大気の乱れに起因する。）、が求められる。これは、地上システムの開口の遠距離場における直接計測を介して取得され得る。大気において受ける収差に起因して、この発散は、受信する地上望遠鏡（telescope）の開口直径に対応する回折限界的な（diffraction  limited）発散を通常は著しく超える。ブロック１０４で、単一モードレーザビームは、アップリンク光信号として送信されるよう生成される。アップリンクビームの直径ｄ＿ｏｕｔは、入射するダウンリンクビームの平均発散とほぼ適合するように、このビームの回折限界的な発散を有するよう設定される。
【００２５】
レーザビームの直径ｄ＿ｏｕｔは、次いで、ブロック１０６で、求められた角発散データに従って、動的に変更される。これは、平穏な大気条件について、大気の屈折率ひずみが異なっている設定された期間ごとに、例えば、早朝に、正午に、夕方近くに、及び夜に、行われてよい。ビーム直径は、天候が急速に変化する状況については実時間において更新されてよい。
【００２６】
ブロック１０８で、最適な直径を有する回折限界的なレーザビームは、光信号として遠隔の受信器へ送信される。いくつかの実施形態において、送信方向は、受信されたひずんだダウンリンクビームの平均到来角に対する逆方向に適合するよう、時間において変更される。
【００２７】
図２は、本発明のいくつかの実施形態に従って、装置の例となるブロック図を示す。図示されるように、例えば、地上局において、大きな開口（例えば、２０ｃｍ以上）を有しているインアウト・ジンバル式望遠鏡２０６は、大気を通って、例えば衛星から、やって来る光のダウンリンクビーム２０４を捕捉する。ダウンリンク光ビーム２０４は、リンクの反対側にある発生源（衛星）によって放射されたレーザ光源によって生成され、大気を通り抜けている。このビームは、ダウンリンクビームの発散及びＡｏＡをサンプリングし測定するよう、信号ダウンリンクビームを運ぶ情報、又は利用可能である場合にはビーコンビームのいずれか一方であることができる。
【００２８】
ステアリングミラー２０８は、ダウンリンクビームをビームサンプラ２１０へ向けるために使用される。ビームサンプラ２１０は、（地上局での）受信されたレーザ放射及び送信される逆方向のレーザ放射の両方のための光学経路における電力損を回避／最小限にするよう、サンプルチャネルに対する反射率が低いビームスプリッタであってよい。
【００２９】
ビームサンプラ２１０は、次いで、ダウンリンクビームの小さい部分（例えば、受信された信号電力の全体の１％未満）をサンプリングし、サンプリングされた部分を遠距離場レンズ２１６へ送る。遠距離場レンズ２１６は、次いで、サンプリングされた部分を、遠距離場レンズの焦点面に又はその近くに位置するカメラ２１８へ向ける。カメラ２１８は、サンプリングされたダウンリンクビームの角度特性、発散及び傾きを測定するようダウンリンクビームの遠距離場面（far  field  plane）に位置する電荷結合素子（ＣＣＤ；charge  coupled  device）カメラであってよい。
【００３０】
カメラは、入来するビームの中心点位置及びビーム直径を遠距離場においてモニタすることによって、入来するダウンリンクビームの瞬時到来角及びそのビーム発散並びに発生源（衛星）の可視的な部分を測定する。測定データは、次いで、シンチレーション低減のための最適な出力アップリンクビーム直径、及び衛星に向けられる戻りのビーム角度の両方を特定するために、プロセッサ／コントローラ（メモリ及びＩ／Ｏ回路を含む。）２２０によって使用される。ステアリングミラー２０８のフィードバック制御は、サンプリングされたビームをカメラ２１８の視野範囲内の特定の点とアライメントされたままにしてよく、同時に、送信器２１４のビームの照準を衛星に戻してよい。
【００３１】
加えて、送信器レーザ２１４は、アップリンクビーム２０２として送信される回折品質光信号を生成する。いくつかの実施形態において、測定データに基づき、適応制御は、送信器出力ビーム直径ｄ＿ｏｕｔを設定するようズーム望遠鏡２１２へ（測定によって）適用される。ズーム望遠鏡は、３つのシーケンシャルレンズを含んでよく、そのうちの２つ以上は、望遠鏡の倍率を変更するが出力ビームの視準（collimation）を保つように同期して動かされ得る。いくつかの実施形態において、測定データに基づき、適応制御はまた、リード角度補正（例えば、移動する衛星のため。）を含め、アップリンクビームの方向角度を計算値に向けるよう、ステアリングミラー２０８にも（測定によって）適用される。これは、ダウンリンクビームの時間変化する測定された到来角も考慮する。
【００３２】
いくつかの実施形態において、最適なアップリンク出力ビームはコリメートされる。しかし、その直径は、回折品質アップリンク出力ビームの発散を、大気によってひずんだ入来するダウンリンクレーザビームの測定された発散と略等しくすることに基づき、選択される。すなわち、ｄ＿ｏｕｔはｄ＿Θと略等しい。この条件は、大気を通って衛星にある受信器に伝播した後のアップリンクビームにおけるスペックル形成の発生を最小限にする。それはまた、軌跡での全体のスポットサイズを、送信器の望遠鏡の全開口を満たす直径を出力で有するアップリンクビームを使用するよりもわずかに大きく保つことを可能にする。これは、衛星の受信器へ送信される電力の損失を回避／最小限にするのを助ける。実際に、軌道における送信されたビームの輝度及び強度は、送信器の全開口を利用するアップリンクビームの場合について同じである。
【００３３】
一般に、回折品質出力ビームのためのより大きい直径サイズは、軌道において略同じサイズの照射光スポットを生成する。その理由は、地上近くでは開口サイズが大きいほど小さくなるアップリンクビームの発散が、大気を通過した後にひずんで大きくなるからである。然るに、アップリンクビームは、同じ大気の乱れを通過した入射ビームについて測定されたのと略同じ発散を最終的に得る。同時に、より小さい、最適な直径サイズの放射ビームは、送信器の開口の全体が使用される場合に最小限の発散であるよりも大きい初期発散をもたらす。しかし、余分の発散は、大気によってひずんだビームの発散の、乱流により引き起こされる増分を適合させる。
【００３４】
衛星の受信開口に向くビームの非零エラーは、シンチレーション効果を増大させ、よって、出力直径が最適化される場合でさえ、軌道におけるレーザスポット上のスペックル形成を生じさせる。このため、アップリンクビームの指示は、受信されたダウンリンクビームの到来角を実時間においてバックトラッキング（back-tracking）する。いくつかの実施形態において、アップリンクビームの戻りの角度は、衛星がアップリンクレーザビームの到着時点にある軌道上の位置の方へビームの照準を目的地（衛星）に定めるよう選択される。
【００３５】
言い換えれば、このビームは、ダウンリンクビームのサイズ及び到来角の測定に必要とされる地上局での反応時間を含む、衛星から地上へ、そして衛星へ戻るレーザ光の移動期間の衛星の移動を補償するよう、ある予め計算されたリードアヘッド（lead  ahead）角度シフト（ダウンリンクビームの測定された到来角に加えられる。）を有して、入来するダウンリンクビームとほぼ逆方向に返される。測定されたデータは、次いで処理され、制御は、出力されるアップリンクビームのサイズ及び方向に適用される。
【００３６】
図３は、本発明のいくつかの実施形態に従って、信号フェーディング低減効果を表す、例となる図である。図の左半分は、上昇する放射ビームの直径ｄ＿ｏｕｔが最適なサイズｄ＿ｏｐｔ（おおよそｄ＿Θであると考えられる。）よりも大きい場合について、大気を通って移動して衛星の受信器開口でスペックルを生み出すランダムな波面を示す。この最適な直径は、入射するダウンリンクビームの波面についての横相関スケールパラメータｄ＿Θを指す。地上の開口における入射ダウンリンクビームは、直径Ｄの送信器開口の全体をカバーする相関スケールサイズｄ＿Θのいくつかの（おおよそ（Ｄ／ｄ＿Θ）２）隣接するウェーブレットから成ると想定され得る。ダウンリンクビームのひずみは、局所的な入射到来角（波面に対する局所的な法線によって定義される光線方向）は、ウェーブレットごとに受信開口にわたって変化する。従って、出力されるアップリンクビームが、開口全体にわたって共通の方向によって特徴づけられるフラットな波面を有している場合には、アップリンクビームの光線は、ダウンリンク信号光線に対して正確に逆である方向からそれる。結果として、異なるウェーブレットは、図３の左部分で示されるように、大気において混乱状態にされる光線を打ち上げて、遠距離場（軌道上）においてスペックル形成を生じさせる。
【００３７】
図の右半分は、スペックル形成が最小限である又は取り除かれたアップリンクビームを照射する条件を表す。アップリンクビームは、おおよそｄ＿Θであるか又はそれよりもわずかに小さく且つダウンリンクビームを受信する開口の直径Ｄよりも通常はずっと小さい直径ｄ＿ｏｕｔを有して照射される。アップリンクビームは、事実上、局所ウェーブレットのただ１つによって、放射される。よって、それは大気中経路の横相関サイズに適合し、故に、悪気流を通る伝播によって中断されず、衛星に向かう絶え間のないひとまとまりの光線ということになる。また、放射の局所方向は、このウェーブレットでの受信ビームの局所方向と逆方向であるよう実時間において適合される。このことは、光線の束が衛星のレーザ光源へ正確に伝えられることを確かにする。
【００３８】
後者の場合に、大気を通った後のビームの発散ΔΘは、常にＤよりも小さい直径ｄ＿ｏｕｔの実際の出力ビームによるのと同じ軌道でのビーム直径を考えると、送信器の全開口Ｄが回折限界的なビームを照射するときのそれと同程度である。また、図示されるように、ビーム軸近くでのスペックル形成は、出力ビーム直径ｄ＿ｏｕｔが相関スケールｄ＿Θに適合し、よって、それを、受信器へ伝えられるおおよそ最大の電力及び最低限のシンチレーションに対応する最適な動作点にする場合についてのみ低減される。
【００３９】
アップリンク出力ビームの初期直径ｄ＿ｏｕｔは、１／ｅ２強度レベル（ＦＷ１／ｅ２）ビーム直径によって定義される全幅として定義される。１／ｅ２強度レベル（ＦＷ１／ｅ２）ビーム直径は、最大強度からｅｘｐ（−２）低下したレベルでの略ガウス強度分布プロファイル（near  Gaussian  Intensity  distribution  profile）の直径である。ビーム初期直径は、その最適値に略等しいように動的に制御される：
ｄ＿ｏｐｔ〜ｄ＿Θ＝（４／π）×λ／Θ        （１）
ここで、λは、動作中心波長であり、Θは、ＦＷ１／ｅ２強度レベルでの測定されるダウンリンクビーム発散である。Θの値は、遠距離場レンズの焦点面でのビーム直径（ＦＷ１／ｅ２強度レベルでのビーム直径、すなわち、カメラ又は他の適切なデバイスによって測定される、円内パワー（encircled  power）の〜８６％を含んだ円の直径）を、その遠距離場レンズの焦点長さに分けたものに等しい。代替的に、簡単な実施のために、直径はその最小値に設定され得る。直径の最小値は、地上におけるこの位置の近くの典型的な大気条件について一般に観測される最大発散Θに対応する。
【００４０】
大気を通るほぼ垂直な伝播経路（例えば、地面から衛星へのｌａｓｅｒｃｏｍ）について、横相関スケールパラメータｄ＿Θの値は、２．５〜２５ｃｍの範囲において通常は変化する。よって、最適な出力ビーム直径の予測される値は、〜２．５ｃｍ以上である。上位値は、出力ビーム直径の実時間の適応制御の場合について、スペックル形成及びシンチレーションへの寄与の大部分を与える地面近くの有効な大気層の長さに略等しいビーム回折長さに対応するレベルで制限することが理にかなっている。いくつかの場合に、推定は、約１０ｃｍの値を与える。１０ｃｍよりも大きい最適なビーム直径は、衛星によって取得される信号電力を増大させうる（極めて長い距離、すなわち、月、惑星、でのｌａｓｅｒｃｏｍにとって有用でありうる。）。しかし、ビームパラメータの測定及び制御の複雑を増すことから、それをやることに価値はない。実際の適用のために、必要とされる取得レートは、ダウンリンクビームの発散及び到来角の測定について異なることができるが、どこでもそれは特有のグリーンウッド周波数（＜〜５００Ｈｚ）よりもずっと小さく、数ヘルツからサブヘルツの範囲にあるといくつかの場合に期待される。
【００４１】
実時間のダウンリンクビームの発散測定は、受信されるダウンリンク信号が検出器へ進むために通る開口を動的に制御することによって、ダウンリンク情報伝送のためのＳＮＲ安定性を改善するのに有用であることができる。
【００４２】
様々な変更は、その広範な発明適用範囲から逸脱することなしに、上記の発明の説明されている及び他の実施形態に対してなされてよいことが当業者によって認識されるだろう。従って、本発明は、開示されている特定の実施形態又は配置に制限されず、添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の適用範囲及び主旨の中にある如何なる変更、適応又は修正もカバーするようむしろ意図されることが理解されるだろう。
【図１】
0006336200.tif 000002
【図２】
0006336200.tif 000003
【図３】
0006336200.tif 000004