空間激光通信技術與系統(tǒng)_空間激光通信發(fā)展狀況解析

　　空間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進行圖像、語音、信號等信息傳遞的通信方式。與傳統(tǒng)微波通信相比，激光通信具有傳輸速率快、通信容量大、抗電磁干擾性能強、保密性高等優(yōu)點，且其通信終端體積小、功耗低、實用性極高，引發(fā)各國研究熱潮。空間激光通信技術的發(fā)展和突破對增強空間信息傳輸?shù)膶崟r性、安全性以及未來深空探測意義重大，有望變革未來空間通信技術發(fā)展。

　　空間光通信的特點及關鍵技術

　　1）高功率光源及高碼率調制技術

　　在空間光通信系統(tǒng)中大多可采用半導體激光器或半導體泵浦的YAG固體激光器作為信號光和信標光光源，其工作波長為018～115（m近紅外波段。信標光源（采用單管或多個管芯陣列組合，以加大輸出功率）要求能提供在幾瓦量級的連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場、高背景光干擾下，快速、精確地捕獲和跟蹤目標，通常信標光的調制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲，以克服背景光的干擾。信號光源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導體激光器，但要求輸出光束質量好，工作頻率高（可達到幾十兆赫至幾十GHz）。具體選擇視需要而定。據(jù)報道，貝爾實驗室已研制出調制頻率高達10GHz的光源。

　　2）高靈敏度抗干擾的光信號接收技術

　　空間光通信系統(tǒng)中，光接收端機接收到的信號是十分微弱的，又加之在高背景噪聲場的干擾情況下，會導致接收端S/N《1。為快速、精確地捕獲目標和接收信號，通常采取兩方面的措施：一是提高接收端機的靈敏度，達到nW～pW量級;其次是對所接收信號進行處理，在光信道上采用光窄帶濾波器（干涉濾光片或原子濾光器等），以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號檢測與處理技術。

　　3）精密、可靠、高增益的收、發(fā)天線

　　為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤，光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一天線，隔離度近100%的精密光機組件（又稱萬向支架）。由于半導體激光器光束質量一般較差，要求天線增益要高，另外，為適應空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學元件）總體結構要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。國際上現(xiàn)有系統(tǒng)的天線口徑一般為幾厘米至25厘米。

　　4）快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準技術

　　這是保證實現(xiàn)空間遠距離光通信的必要核心技術。ATP系統(tǒng)通常由以下兩部分組成：

　　（1）捕獲（粗跟蹤）系統(tǒng)。它是在較大視場范圍內捕獲目標，捕獲范圍可達±1°～±20°或更大。通常采用陣列CCD來實現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機構完成粗跟蹤即目標的捕獲。粗跟蹤的視場角為幾mrad，靈敏度約10pW，跟蹤精度為幾十μrad;

　?。?）跟蹤、瞄準（精跟蹤）系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能是在完成了目標捕獲后，對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常采用四象限紅外探測器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應的電子學伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百μrad，跟蹤精度為幾μrad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。

　　5）大氣信道的研究

　　在地2地、地2空的激光通信系統(tǒng)的信號傳輸中，涉及的大氣信道是隨機的。大氣中的氣體分子、水霧、雪、霾、氣溶膠等粒子，其幾何尺寸與半導體激光波長相近甚至更小，這就會引起光的吸收、散射，特別是在強湍流的情況下，光信號將受到嚴重干擾甚至脫靶。因此，如何保證隨機信道條件下系統(tǒng)的正常工作，對大氣信道的工程化研究是十分重要的。自適應光學技術可以較好地解決這一問題，并已逐漸走向實用化。 此外，完整的衛(wèi)星間光通信系統(tǒng)還包括相應的機械支撐結構、熱控制、輔助電子學等部分及系統(tǒng)整體優(yōu)化等技術。

　　這些技術的難度較大，但也是十分重要的?？偟膩碇v，空間光通信是包含多項工程的交叉科學研究課題，它不僅在空間要完成一系列重要的技術功能，還需要有步驟地從地2地、地2空、空2空獲取許多試驗數(shù)據(jù)和技術考驗。 值得提出的是，空間光通信的發(fā)展是與高質量大功率半導體激光器、精密光學元件、高質量光濾波器件、高靈敏度光學探測器及快速、精密的光、機、電綜合技術的研究和發(fā)展密不可分的。近幾年來光電器件、激光技術、電子學技術的發(fā)展，為空間光通信奠定了物質基礎，在人力、物力上也作了準備，更由于信息社會發(fā)展的需要，空間衛(wèi)星間激光通信已是指日可待了。

　　空間激光鏈路分類

　　空間激光通信的分類主要是通過距離和應用的不同來進行分類的，其中包括：低軌和同步軌道通信、同步軌道和地面軌道通信、同步軌道和同步軌道通信、低軌和低軌之間的通信、低軌和地面之間的通信、地面之間的各站點之間的通信、地面和飛機等的通信這幾種通信的主要途徑，在空間技術的調解技術上可以分為直接的和相干的兩種探測解調技術，隨著相關的技術不斷在進行調高，相干探測解調技術在探測的靈敏度上更高，能夠將探測數(shù)據(jù)的精度明顯的提高，具有一定的使用優(yōu)勢，所以在空間通信技術的研究工作中成為一項主要的研究對象。

　　空間激光通信性能參數(shù)

　　在對空間激光技術的性能參數(shù)進行衡量時主要是通過距離、通信的速度和誤碼率來進行有效的判斷的，在空間激光通信技術的終端上還有激光波長、激光的發(fā)散角等方面的一些參數(shù)上的指示。

　　空間激光通信系統(tǒng)

　　空間光通信系統(tǒng)的結構組成

　　我們按照功能不同將空間光通信系統(tǒng)分為光源分系統(tǒng)，發(fā)射和接收分系統(tǒng)，信標分系統(tǒng)，捕獲、瞄準和跟蹤分系統(tǒng)四大模塊，下面分別討論如下：

　　1、光源分系統(tǒng)

　　在衛(wèi)星光通信中，通信光源至關重要。它直接影響天線的增益、探測器件的選擇、天線直徑、通信距離等參量，因此對光源子系統(tǒng)研究十分必要。美國、歐洲、日本在低軌道-低軌道和低軌道-靜止軌道衛(wèi)星的空間通信鏈路試驗中，都采用800~850nm波長范圍的AlGaAs（砷鎵化鋁）激光器，因為該范圍的APD（雪崩光電二極管）探測器件工作在峰值，量子效率高、增益高。而在星地通信鏈路試驗中，地面裝置采用半導體泵浦倍頻Nd：YAG激光器或氬離子激光器作為光源，波長在514~532nm，該波段具有較強的抗干擾能力，能穿過大氣而不使通信中斷。從抗太陽干擾因素和半導體激光器的發(fā)展來看，將來衛(wèi)星光通信采用的光源有向更短波段發(fā)展的趨勢。半導體泵浦倍頻Nd：YAG激光器由于不僅具有良好的相干性，而且可以做得體積很小，因此也是將來星上激光器的一個良好選擇。

　　2、發(fā)射和接收分系統(tǒng)

　　發(fā)射、接收分系統(tǒng)是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的關鍵子系統(tǒng)之一。光發(fā)射機大致可認為是光源、調制器和光學天線的級聯(lián)，而光接收機則可看成是光學接收天線和探測器、解調器的級聯(lián)。

　　調制的作用是將需要發(fā)射的信號調制到光載波上；探測、解調是通過光電轉換器件將光信號轉換為電信號。探測部分還包括濾波、放大部分，該部分也是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中必不可少的。

　　3、信標分系統(tǒng)

　　由于在空間光通信系統(tǒng)中，通信信號光束發(fā)散角非常小，因此如果利用信號光束進行捕獲、瞄準將會是非常困難的過程。所以在衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中都要單獨設立一個激光信標分系統(tǒng)。信標光束主要是給瞄準、捕獲過程提供一個較寬的光束，以便在掃描過程中易于探測到信標光束，然后進行后面的調整過程。

　　4、捕獲、瞄準和跟蹤分系統(tǒng)

　　捕獲、瞄準、跟蹤分系統(tǒng)是空間光通信系統(tǒng)中非常重要的分系統(tǒng)之一，也是空間光通信的難點、重點。各國在對空間光通信系統(tǒng)的研究中，都提出了一些捕獲、瞄準、跟蹤系統(tǒng)的方案，并對相當一部分方案進行了實驗室模擬。這些方案在探測時的掃描方式以及探測、跟蹤傳感器的選擇等方面都有所不同，但實際采用的捕獲、瞄準、跟蹤方案是基本一致的。

　　空間光通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點

　　相比與傳統(tǒng)的微波空間通信，激光空間通信由于波長比微波波長明顯短，具有高度的相干性，良好的單色性和空間定向性，這決定了它具有通信容量大、設備體積小、質量輕、功耗低、安全性（可靠性）高、保密性好等特點，此外，還有傳輸速率高、可用頻帶寬、建造和維護經(jīng)費低廉等優(yōu)勢。下面分別詳細敘述：

　　1、通信容量大

　　激光的頻率比微波要高許多，作為通信的載波有更寬的利用頻帶。光纖通信技術可以移植到空間通信中來，目前光纖通信每束光波的數(shù)據(jù)率可達20Gb/s以上，并且能采用波分復用技術，使得通信容量上升幾十倍。因此，在通信容量上，光通信比微波通信具有巨大的優(yōu)勢。

　　2、體積小、質量輕

　　由于空間激光通信的能量利用率高，使得發(fā)射機及其供電系統(tǒng)的重量減輕；由于激光的波長短，在同樣的發(fā)散角和接收視場要求下，發(fā)射和接收望遠鏡口徑都可

　　以減小。擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

　　3、功耗低

　　激光的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發(fā)射機的發(fā)射功率可大大降低，功耗相對較低。這對應于能源成本高昂的空間通信來說，是十分適用的。

　　4、可靠性高

　　由于光通信系統(tǒng)使用激光作為光源，其發(fā)散角很小，能量集中在很窄的光束中。窄光束意味著和鄰近衛(wèi)星間的通信干擾將會減小，這對于衛(wèi)星較多的低軌道星座群之間相互通信非常重要，因為它的可靠性高，所以避免了相互影響沖突，穩(wěn)定性增強，提高通信效率。

　　5、保密性好

　　由于激光具有高度的定向性，發(fā)射波束纖細，激光的發(fā)散角通常在毫弧度，這使得激光通信具有良好的保密性，可有效的提高抗干擾、防竊聽的能力。

　　6、其它優(yōu)點

　　光通信的頻段不像射頻那樣由國家或國際機構管理，光頻段的使用現(xiàn)今沒有受到限制。此外，空間激光通信的建造費用和維護費用十分低廉。

　　空間激光通信的發(fā)展狀況解析

　　一些國外的發(fā)達國家在空間激光通信技術上早就有所應用，就美國的激光通信技術發(fā)展狀況來說其屬于這項技術的領導者，在技術項目的研發(fā)和一系列的技術試驗工作美國大多參與其中并起到了主導的作用，美國還制定了2016年的星間激光通信網(wǎng)絡計劃，在這項計劃中通信的速率得到了明顯的提升，其主要還是在設備的有力支持的基礎上來進行的。在激光網(wǎng)絡通信的建設工作上美國的投資是非常巨大的。

　　就國內來說，我國在空間激光通信工作的研究和發(fā)展上還不是很充分，在技術的起步上也比較晚，主要的研發(fā)單位還是集中在一些大學中，比如哈爾濱工業(yè)大學、長春理工大學、武漢大學等，所以說我國在空間激光通信技術的研發(fā)工作上仍然需要進行堅持不懈的努力。

　　空間激光技術在不斷的發(fā)展過程中很多技術上的問題已經(jīng)得到了有效的解決，其能夠有效的進行瞄準和跟蹤、在捕獲工作環(huán)節(jié)上也更加精確、在大氣湍流的解決上具有很好的補償技術等，已經(jīng)得到了有效的進步。在技術上的問題的解決給以后的星際光通信技術的發(fā)展打下了良好的基礎，在激光通信技術的未來發(fā)展中主要表現(xiàn)出以下幾點發(fā)展的趨勢：

　　第一，在探測體制上已經(jīng)逐漸的表現(xiàn)出從直接探測向相干探測和復合探測的方向上進行轉變，這樣能夠有效的實現(xiàn)激光通信系統(tǒng)對環(huán)境的適應性額和同其他系統(tǒng)之間的互通性。

　　第二，在通信的波長上逐漸的走向1.5 5μｍ波的過渡，這表明激光通信技術的容量在不斷地走向擴大的趨勢，也是未來的技術發(fā)展的重要趨勢之一。

　　第三，在未來的激光通信技術的發(fā)展中納米技術的應用會有效的推動激光通信技術的發(fā)展，納米技術的不斷發(fā)展會更好的解決空間環(huán)境的適應性問題。

　　第四，在未來的激光通信技術的發(fā)展中會實現(xiàn)更好的經(jīng)典光通信和量子光通信之間的結合。

　　第五，激光通信將成為深空探測活動的主要通信方式。