AI+自适应光学，推动星地通信迈入“预测校正”新时代

在卫星互联网、深空探测等前沿领域，自由空间光通信凭借其超大带宽、高保密性等优势，被视为下一代通信的基石。然而，光信号穿越变幻莫测的大气层时，会像透过晃动的火焰看景物一样，被湍流严重扭曲、闪烁，这始终是制约其稳定性的核心瓶颈。

作为全球自适应光学(AO)领域的重要参与者，Bertin ALPAO 正通过AI与自适应光学的深度融合，破解这一行业难题 —— 近期，其联合马赛天体物理实验室(LAM)开展的博士科研项目，以机器学习(Machine Learning)赋能自适应光学系统，为自由空间光通信带来重要技术突破。旭为光电作为Bertin ALPAO中国官方代理，特此为您揭秘这项技术创新背后的核心力量。

自适应光学是自由空间光学（FSO）的核心

地面站（OGS）中的自适应光学（AO）已被证明在自由空间光通信应用中非常有效，并且正日益普及。可变形镜面，如Bertin Alpao制造的镜面，能够实时校正光学像差，提升卫星与地球之间的信号质量。一个典型例子是法国的FrOGS地面站，该站由法国国家国家太空研究中心（CNES）、空客国防与航天公司、OGS技术公司和赛峰数据系统公司合作开发，利用自适应光学实现超高速数据传输。

然而，对于运行在160至2000公里高度的近地轨道卫星，有几个因素使信号接收变得复杂：

• 表观风效应：
  由于低地轨道卫星与地面站之间的高速相对速度，大气似乎会快速“流动”于光学路径上——这被称为表观风。这一效应改变了大气湍流对光信号的扭曲，需要快速且自适应的光学校正。
• 湍流变化：
  当低地轨道卫星穿越天空时，它们会经过不同程度的湍流大气区域。这些波动会随时间改变光信号的失真，因此使用自适应光学进行实时校正对于保持信号质量至关重要。
• 闪烁：
  当卫星处于低仰角（接近地平线）时，其光学信号会穿过更长且更密集的大气层区域。这会导致光强快速变化，称为闪烁现象，进而降低图像清晰度和信号稳定性。自适应光学系统必须迅速调整以减轻这些波动。

连接自适应光学与人工智能，实现自由空间光学通信

人工智能（AI）正在优化自适应光学性能开辟新领域，使可变形镜更有效地预测扰动。

人工智能在天文学领域的最早应用可以追溯到2022年，当时强化学习算法被用于辅助系外行星的探测。然而，这些方法在风力影响较小的更稳定环境中应用。

• 提升系统在传感器与可变形镜之间不同对准和错位时的鲁棒性

在自适应光学中结合强化学习（RL）的预测控制意味着系统不仅实时响应大气扭曲——而是基于过去的模式学习和预测它们。

具体流程如下：

• 预测控制利用模型预测大气在不久的将来如何扭曲光学信号（例如卫星运动或湍流变化），使系统能够在畸变发生前进行修正。
• 强化学习帮助系统通过与环境互动，随着时间学习这些模型——评估预测和修正的表现，然后通过反复试验改进策略。
• 这种方法使实时控制器（RTC）能够变得更加智能和适应性强，尤其是在像低地轨道卫星通信这样快速变化或复杂条件下。

为探索这些可能性，马赛天体物理实验室与Bertin Alpao合作，设立了博士职位，专门测试预测算法与人工智能的自由空间光学通信（FSO）应用。

一、星地通信的终极挑战：与“流动的大气”赛跑

自由空间光通信的性能，很大程度上是在与动态大气的赛跑。尤其面对高速运动的低轨卫星时，三大效应让传统校正技术力不从心：

视风效应：卫星与地面的高速相对运动，使得大气湍流在光路上如疾风般“掠过”，畸变模式瞬息万变，要求校正系统具备毫秒级的响应与预测能力。

湍流层穿越：卫星划过天空，信号将依次穿越不同强度的湍流区域，像差动态波动，固定参数的校正算法难以全局优化。

低仰角闪烁：卫星处于地平线附近时，信号路径最长，穿过的大气最厚，导致光强剧烈闪烁，严重时可致通信中断。

应对这些挑战，自适应光学技术是公认的解决方案。Bertin ALPAO的高性能可变形镜，能实时重塑光波波前，已在法国FrOGS 等顶级光学地面站中成功应用，验证了其卓越的校正能力与工程可靠性。

二、AI 赋能，从 “被动校正” 到 “主动预判”

传统自适应光学是一种“测量-响应”的被动模式。为了突破性能天花板，Bertin ALPAO 联合马赛天体物理实验室(LAM)开启了前瞻性探索：为自适应光学系统注入AI的学习与预测能力。

· 核心逻辑：将强化学习(Reinforcement Learning, RL)与预测控制(Predictive Control)相结合，让自适应光学系统不仅能实时修正已发生的大气畸变，还能通过分析历史数据，主动学习大气湍流的演变规律，预判未来短时间内的大气变化趋势，提前施加校正策略;

· 技术优势：相比传统物理建模方法，AI算法能更好地适配复杂多变的大气环境，即使面对传感器与变形镜的对准偏差，也能保持系统鲁棒性，显著提升极端场景下的信号稳定性;

· 研发进展：目前项目已完成理论建模与仿真分析，成功发表会议论文，计划2026年在 FrOGS 光学地面站开展实地测试，验证技术落地可行性。

这一创新并非空中楼阁 ——Bertin ALPAO 的自适应光学产品早已具备强大的工程化基础：其可变形反射镜(Deformable Mirrors)可实现纳米级精度的镜面调控，搭配高性能实时控制器(RTC)，能快速响应大气畸变;而 AI 算法的融入，更是让这套 “光学校正系统” 拥有了 “智慧大脑”，成为自由空间光通信的性能提升器。

三、不止于星地通信：Bertin ALPAO 的全场景赋能

Bertin ALPAO 的技术影响力远不止于星地通信。其高精度、高可靠性的自适应光学解决方案，已成为多个尖端领域的 “标准配置”：

天文观测：助力大型望远镜穿透大气湍流，获取接近空间分辨率的清晰图像，极大提升观测效率。

生命科学成像：用于共聚焦、双光子等高端显微系统，校正生物样品带来的像差，实现活体深组织的高分辨率观测。

工业激光：在激光加工、光刻系统中校正系统像差，确保加工精度与光束质量达到极致。

国防与安全：提升激光雷达、光电跟踪系统在复杂大气环境下的探测性能与成像清晰度。

从探索宇宙边缘，到洞察生命微观，从塑造工业精度，到保障国家安全，Bertin ALPAO 始终站在校正“光畸变”、释放“光潜能” 的技术最前沿。

四、携手旭为光电，让前沿技术在中国落地生花

作为Bertin ALPAO在中国的官方代理，旭为光电致力于将全球领先的自适应光学技术体系完整引入国内，为航天通信、天文观测、高端制造与生命科学等前沿领域提供核心动力。

我们提供从可变形镜、波前传感器、实时控制器到完整AO系统的全系列产品与解决方案。同时，依托专业的本土技术团队，为客户提供从产品选型、系统集成到技术调试的定制化解决方案，搭配专业产品培训、售后维护与技术咨询服务，全方位保障设备稳定运行，助力国内客户高效应用前沿技术破解光学传输难题。