Повышение эффективности связи с летательными аппаратами средствами адаптивной оптики


Авторы

Галактионов И. В.1*, Топоровский В. В.2**, Колесников О. В.2***

1. ФГАОУ ВО «Московский политехнический университет», ул. Б. Семеновская, 38, Москва, 107023, Россия
2. Московский технический университет связи и информатики, МТУСИ, ул. Авиамоторная, 8а, Москва, 111024, Россия

*e-mail: ilya.galaktionoff@gmail.com
**e-mail: toporovskii_v@mail.ru
***e-mail: o.v.kolesnikov@mtuci.ru

Аннотация

В последние годы беспилотные летательные аппараты, или дроны, стали неотъемлемой частью многих сфер деятельности: от мониторинга инфраструктуры и доставки грузов до обеспечения безопасности и съемки контента. Традиционно связь с дроном для передачи команд телеметрии и полезной информации осуществляется по радиоканалу с базовой станции. Однако в условиях плотной городской застройки радиочастотный спектр перегружен, подвержен помехам и может быть уязвим с точки зрения безопасности. Альтернативой или дополнением к радиочастотам может стать оптическая связь, но и здесь есть серьезное препятствие — турбулентность атмосферы, которая искажает лазерный пучок. В настоящей работе для решения задачи высокоточной передачи сигнала на дрон в городских условиях предлагается использование методов адаптивной оптики. Данная технология позволяет компенсировать искажения волнового фронта в реальном времени, обеспечивая стабильный канал связи. Разработанный алгоритм управления был протестирован в условиях, имитирующих реальную турбулентность. Результаты показали высокую эффективность предложенного подхода. Применение адаптивной оптики позволяет значительно улучшить фокусировку излучения: общая мощность пучка, фокусируемого в оптоволокно диаметром 10 мкм, может быть увеличена с 0,33 мВт до 2,3 мВт. Помимо энергетических характеристик, существенно улучшается и качество самого пучка: среднеквадратичное отклонение волнового фронта (параметр, характеризующий уровень аберраций) сниженается с 0,63 мкм до 0,12 мкм. Достигнутые показатели качества пучка напрямую влияют на эффективность системы передачи информации. Согласно численным оценкам, проведенным на основе полученных данных, коррекция волнового фронта позволит повысить эффективность связи (coupling efficiency), то есть долю света, попадающего в приемный тракт летательного аппарата, с 0,1 до 0,6. Таким образом, интеграция адаптивной оптики в системы управления беспилотных летательных аппаратов открывает перспективы для создания помехозащищенных и высокоскоростных каналов связи следующего поколения.

Ключевые слова:

летательные аппараты; лазерная связь; адаптивная оптика; датчик волнового фронта; аберрации оптических систем

Список источников

  1. Domb M., Leshem G. Secured Key Distribution by Concatenating Optical Communications and Inter-Device Hand-Held Video Transmission // Appl. Syst. Innov. — 2020. — T. 3. — №. 11. https://doi.org/10.3390/ASI3010011
  2. Trung H.D. Performance of UAV-to-Ground FSO Communications with APD and Pointing Errors // Appl. Syst. Innov. — 2021. — T. 4. — №. 65. https://doi.org/10.3390/ASI4030065.
  3. Zych M., Costa F., Pikovski I., Ralph T.C., Brukner Č. General relativistic effects in quantum interference of photons. Class // Quantum Gravity. — 2012. — T. 29. №. 224010. https://doi.org/10.1088/0264-9381/29/22/224010.
  4. Galaktionov I., Sheldakova J., Toporovsky V., Kudryashov A. Atmospheric Turbulence with Kolmogorov Spectra: Software Simulation, Real-Time Reconstruction and Compensation by Means of Adaptive Optical System with Bimorph and Stacked-Actuator Deformable Mirrors // Photonics 2023. – V. 10(10). – PP. 1147. https://doi.org/10.3390/photonics10101147 
  5. Nauerth S., Moll F., Rau M., Fuchs C., Horwath J., Frick S., Weinfurter H. Air-to-ground quantum communication // Nat. Photonics. — 2013. — T. 7. — №ю 382–386. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.46.
  6. Badás M., Piron P., Bouwmeester J. Saathof R., Loicq J. Seidel optical aberrations and optimum truncated Gaussian beams on intersatellite free-space optical communications // Opt. Express. — 2025. T. 33. — №. 33686. https://doi.org/10.1364/OE.565652.
  7. Samarkin V., Alexandrov A., Galaktionov I., Kudryashov A., Nikitin A., Rukosuev A., Toporovsky V., Sheldakova J. Large-aperture adaptive optical system for correcting wavefront distortions of a petawatt Ti : sapphire laser beam // Quantum Electronics 2022. – V. 52(2). – PP. 187-194. https://doi.org/10.1070/QEL17989
  8. Helsdingen W., Den Breeje R., Saathof R. Modeling the physical layer of air-to-space optical communication networks using the modified multi-scale method // J. Opt. Commun. Netw. — 2025. — T. 17. —178–187. https://doi.org/10.1364/JOCN.551182.
  9. Meyer J., Reches Y., Rozenman G.G., Oz Y., Suchowski H., Arie A. Analogy of free-space quantum key distribution using spatial modes of light: Scaling up the distance and the dimensionality // Opt. Lett. — 2025. — T. 50. — 3297–3300. https://doi.org/10.1364/OL.557649.
  10. 10.    10.    Galaktionov I., Kudryashov A., Sheldakova J., Nikitin A. Galaktionov I., Kudryashov A., Sheldakova J., Nikitin A. The use of modified hill-climbing algorithm for laser beam focusing through the turbid medium // Proc. SPIE 2017. – V. 10090. – PP. 100901K. http://dx.doi.org/10.1117/12.2257447 
  11. Sisodia M., Omshankar Venkataraman V., Ghosh J. FSO-QKD protocols under free-space losses and device imperfections: A comparative study // Quantum Inf. Process. — 2024. — T. 23. — №. 185. https://doi.org/10.1007/S11128-024-04382-1.
  12. Tomlinson W.J. Wagner R.E. Coupling efficiency of optics in single-mode fiber components // Appl. Opt. — T. 1982. №. 21. — 2671–2688. https://doi.org/10.1364/AO.21.002671.
  13. Wang R., Wang Y., Jin C., Yin X., Wang S., Yang C., Cao Z., Mu Q., Gao S., Xuan L. Demonstration of horizontal free-space laser communication with the effect of the bandwidth of adaptive optics system // Opt. Commun. — 2019. — T. 431. — 167–173. https://doi.org/10.1016/J.OPTCOM.2018.09.038.
  14. Galaktionov I., Kudryashov A., Sheldakova J., Nikitin A. Laser beam focusing through the dense multiple scattering suspension using bimorph mirror // Proc. SPIE 2019. –  V. 10886. – PP. 1088619. https://doi.org/10.1117/12.2509621
  15. Shanin O. Adaptive optical systems for tilt correction. In Resonant Adaptive Optics // Technosphera. — 2013. — Moscow, Russia.
  16. Hardy J.W. Adaptive Optics for Astronomical Telescopes (Oxford Series in Optical and Imaging Sciences) // Oxford University Press. — 1998. — Oxford, UK.
  17. Vorontsov M.S. Adaptive Optics Principles // Nauka: Moscow, Russia. — 1985.
  18. Bifano T., Cornelissen S., Bierden P. MEMS deformable mirrors in astronomical adaptive optics // In Proceedings of the 1st AO4ELT Conference—Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes, Paris, France, 22–26 June. — 2009. — 06003. https://doi.org/10.1051/AO4ELT/201006003.
  19. Vorontsov M., Weyrauch T., Carhart G, Beresnev L. Adaptive Optics for Free Space Laser Communications // In Proceedings of the Lasers, Sources and Related Photonic Devices, San Diego, CA, USA. — 3 February 2010. — p. LSMA1. https://doi.org/10.1364/LSC.2010.LSMA1.
  20. Wang Y. et al. Performance analysis of an adaptive optics system for free-space optics communication through atmospheric turbulence // Sci. Rep. — 2018.  — T. 8. — 1124. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19559-9.
  21. Calvo R.M., Becker P., Giggenbach D., Moll F., Schwarzer M., Hinz M. Sodnik Z. Transmitter diversity verification on ARTEMIS geostationary satellite // In Proceedings of the Free-Space Laser Communication and Atmospheric Propagation XXVI, San Diego, CA, USA, 2–4 February 2014. —V. 8971. — pp. 24–37. https://doi.org/10.1117/12.2036554.
  22. Wilcox C.C., Andrews J.R., Restaino S.R., Martinez T., Teare S.W. Atmospheric turbulence generator using a liquid crystal spatial light modulator // In Proceedings of the IEEE Aerospace Conference Proceedings, Big Sky, MT, USA, 3–10 March 2007. — https://doi.org/10.1109/AERO.2007.353015.
  23. Devaney N. et al. Characterisation of MEMs mirrors for use in atmospheric and ocular wavefront correction // In Proceedings of the MEMS Adaptive Optics II, San Jose, CA, USA, 22–24 January 2008. — V. 6888. — PP. 17–26. https://doi.org/10.1117/12.773641.
  24. Sheldakova J., Galaktionov I., Nikitin A., Rukosuev A., Kudryashov A. LC phase modulator vs. deformable mirror for laser beam shaping: What is better? // Proc. SPIE 2018. – V. 10774. –  PP. 107740S. https://doi.org/10.1117/12.2324260 

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2026

 Вход