空間光通信技術(shù)的概述

1.1空間光通信的基本原理

空間光通信是一種新型的光通信方式?？臻g光通信技術(shù)在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始用于軍方，隨著摻餌光纖放大器、波分復(fù)用、自適應(yīng)光學(xué)等技術(shù)不斷發(fā)展，無(wú)線光通信在傳輸距離、可靠性、傳輸容量等方面有了較大改善，適用面也越來(lái)越寬。

空間光通信技術(shù)(FSO)是一種新型的寬帶無(wú)線接入的技術(shù)，利用激光束作為信道，從而在大氣空間中直接完成信息的雙向傳送。空間光通信技術(shù)(FSO)以激光為載體、以大氣為介質(zhì)，用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息之間的雙向通信。空間光通信結(jié)合了光纖通信和無(wú)線通信各自的優(yōu)勢(shì)，有“虛擬光纖”的美譽(yù)。

一個(gè)空間光通信系統(tǒng)由三個(gè)基本部分組成，分別是光學(xué)天線及光路系統(tǒng)，光發(fā)射端機(jī)，光接收端機(jī)121。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)那闆r下，每一端都設(shè)有光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全雙工的通信?？臻g光通信系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電轉(zhuǎn)換[3]。光通信系統(tǒng)的組成框圖如下圖所示。

通信系統(tǒng)將信息源調(diào)制到電發(fā)射機(jī)上，輸入電信號(hào)，再把電信號(hào)調(diào)制到光發(fā)射機(jī)上，通過(guò)光發(fā)射機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。此時(shí)，通過(guò)捕獲-跟蹤-對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，即ATP系統(tǒng)，在光發(fā)射機(jī)端與光接收機(jī)端建立起光通信鏈路，建立握手機(jī)制，這樣光發(fā)射機(jī)的光源受到電信號(hào)的調(diào)制，通過(guò)作為天線的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，將光信號(hào)通過(guò)大氣信道傳送到接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡。在接收機(jī)中，望遠(yuǎn)鏡收集接收到光信號(hào)并將它聚焦在光電檢測(cè)器中，光電檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)解調(diào)就可以得到要傳送的信息源的信息。由于大氣空間對(duì)不同光波長(zhǎng)信號(hào)的透過(guò)率有較大的差別，可以選用透過(guò)率較好的波段窗口。對(duì)基于無(wú)線光通信的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最常用的光學(xué)波長(zhǎng)是近紅外光譜中的850納米；還有一些基于無(wú)線光通信的系統(tǒng)使用1500納米的波長(zhǎng)，可以支持更大的系統(tǒng)功率[3]。

1.2空間光通信的優(yōu)點(diǎn)

空間光通信技術(shù)(FSO)與其他接入技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)空間光通信技術(shù)(FSO)通信速率高，通信容量大，頻帶較寬。理論上講，空間光通信技術(shù)與光纖通信技術(shù)都具備著同樣的帶寬，只不過(guò)二者的傳輸媒介不同(空間光通信技術(shù)是用大氣作為傳輸媒介，光纖通信技術(shù)是以光纖作為傳輸媒介),所以會(huì)有微小的差別21。空間光通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸率高，在星際空間光通信中，其載波頻率為10l3～1015Hz,比微波通信高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，單通道就可提供高達(dá)10Gbps量級(jí)以上的數(shù)據(jù)傳輸率，遠(yuǎn)大于目前微波通信百M(fèi)bps的數(shù)據(jù)傳輸率。通過(guò)波分復(fù)用，數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到數(shù)百Gbps以上。

(2)頻譜的資源豐富?？臻g光通信設(shè)備多采用紅外傳輸?shù)姆椒ǎ兄謴V闊的頻譜資源，所以不會(huì)和其他的無(wú)線通信系統(tǒng)，如衛(wèi)星通信等發(fā)生干擾，也就不需要向有關(guān)管理管理部門申請(qǐng)頻率許可證[2?？臻g光通信以光為傳輸媒介，協(xié)議透明，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送[5]。

(3)快速鏈路部署。因?yàn)閭鬏斆浇槭谴髿?，所以無(wú)需挖管道，布設(shè)相對(duì)容易，機(jī)動(dòng)靈活，運(yùn)行成本低，免去了昂貴的光纖敷設(shè)與維護(hù)工作及費(fèi)用，對(duì)市政建設(shè)影響也較小。

(4)空間光通信技術(shù)具有良好的通信安全性。與射頻通信不同，空間光通信技術(shù)采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式，因而其具有高保密、抗干擾性強(qiáng)、抗截獲能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域中起到了越來(lái)越重要的作用。盡管將空間光通信技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域會(huì)受到一定的限制(大氣、全天候、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等),但將空間光通信和射頻通信進(jìn)行復(fù)合模式工作，已經(jīng)成為未來(lái)軍事通信的趨勢(shì)?？臻g光通信技術(shù)遠(yuǎn)離電磁頻譜，抗干擾能力強(qiáng)；它的發(fā)射機(jī)端發(fā)出的激光很窄，由于空間光通信波束發(fā)散角遠(yuǎn)小于微波通信，發(fā)散角小，定向性非常好，使得空間光通信受臨近衛(wèi)星干擾的可能性遠(yuǎn)小于微波通信。外來(lái)信號(hào)難以入侵，不易于被截獲，抗截獲能力強(qiáng)，保密性好。特別在軍事通信中，為了防止信號(hào)被捕捉和干擾，要求波束的發(fā)散角盡可能小，相比微波通信，空間光通信更能滿足這一要求。

(5)較小的發(fā)射功率需求。天線增益與波束發(fā)射角平方成反比，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后的激光器，空間光通信的光束的發(fā)散角遠(yuǎn)小于微波通信的波束的發(fā)散角，所以空間光通信的天線增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波通信，這將大大增加接收端的電磁波能量密度，在通信距離相同的情況下，有利于終端減輕重量、減少體積，降低功耗5。

(6)此外，空間光通信系統(tǒng)有著較小的收發(fā)射天線和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？臻g光通信的工作波長(zhǎng)比微波通信的工作波長(zhǎng)小3～5個(gè)量級(jí)，空間光通信系統(tǒng)的質(zhì)量和體積相對(duì)更小。體積小，質(zhì)量輕，功耗也較低。若充分考慮天氣原因后，其可用性高，也更易于推廣。

1.3空間光通信的發(fā)展歷史間

馬可尼和波波夫發(fā)明的無(wú)線電技術(shù)為微波通信奠定了基礎(chǔ)，類似的，激光通信技術(shù)的開(kāi)端也可以追溯到20世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明。但是在之后的若干年，一方面由于低損耗光纖的發(fā)明，使得激光技術(shù)的研究和應(yīng)用更多的集中在地面光纖通信領(lǐng)域，另一方面由于當(dāng)時(shí)人類的航天活動(dòng)還處于初步發(fā)展階段，對(duì)空間數(shù)據(jù)通信的速率和容量尚未提出更高的要求，所以在六七十年代的空間光通信研究更多處于早期的理論研究層面。到了20世紀(jì)七八十年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的提升，開(kāi)始出現(xiàn)更為系統(tǒng)性的研究，并且研究?jī)?nèi)容也更多地傾向于具體的光通信器件、終端及系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。從彼時(shí)起，空間光通信進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，各種地面實(shí)驗(yàn)以及測(cè)試平臺(tái)的研究得到廣泛開(kāi)展，并從20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)初期進(jìn)行了多次在軌實(shí)驗(yàn)。

縱觀空間光通信的整個(gè)發(fā)展歷史，可以將其劃分為兩個(gè)發(fā)展階段：

第一階段，地面技術(shù)積累階段，從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)90年代。回溯1960年激光器剛剛發(fā)明時(shí)的歷史，盡管當(dāng)時(shí)人類的太空活動(dòng)也才誕生不久，但科學(xué)家們立刻敏銳地意識(shí)到空間激光通信的應(yīng)用潛力。如Lindgren在1970年就提出光纖通信存在的損耗問(wèn)題，并指出NASA將在1973年和1974年發(fā)射兩顆用于星間和星地光通信實(shí)驗(yàn)的同步衛(wèi)星。后來(lái)的歷史證明了Lindgren的想法有些過(guò)于樂(lè)觀，人類直到90年代才開(kāi)始光通信的在軌實(shí)驗(yàn)。這一方面歸咎于航天活動(dòng)本身的高成本、高復(fù)雜度和高風(fēng)險(xiǎn)性，另一方面也是由于相應(yīng)的理論和技術(shù)研究還需要一個(gè)發(fā)展過(guò)程。

在第一階段，光通信的相關(guān)研究主要包含以下幾個(gè)方面：

1)激光器和探測(cè)器件的發(fā)明。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，激光器和電荷耦合設(shè)備(CCD)等發(fā)明，為空間光通信提供了最基本的技術(shù)保障。

2)空間光通信基礎(chǔ)理論和技術(shù)的進(jìn)展。美、歐、日相繼開(kāi)展了空間光通信相關(guān)理論和技術(shù)的研究，包括數(shù)學(xué)模型的建立和大氣信道影響研究等。

3)光通信終端研制以及地面檢測(cè)技術(shù)研究。到20世紀(jì)八九十年代時(shí)，各國(guó)開(kāi)始制定并實(shí)施自己的空間光通信計(jì)劃。除了研制光通信終端，還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的地面測(cè)試平臺(tái)，比如日本的OICETS計(jì)劃采用的GOAL(Ground Optical Assistancefor LUCE)測(cè)試系統(tǒng)，以及歐空局(ESA)的SILEX計(jì)劃采用的STB(System Test Bed)測(cè)試平臺(tái)。

4)光學(xué)地面站的研究與建設(shè)。光學(xué)地面站的建設(shè)一方面為星地光通信提供了地面終端，另一方面也為星載終端提供了地面驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。其中最為典型的是ESA位于西班牙加那利群島的光學(xué)地面站(OGS)。它建立的最初目的是作為SILEX計(jì)劃中高軌衛(wèi)星ARTEMIS的地面測(cè)試終端，但在后來(lái)被廣泛用于各種空間光通信終端的地面驗(yàn)證，并參與了多項(xiàng)國(guó)際合作計(jì)劃。

第二階段，在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，從20世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初期，直至今天。

到了20世紀(jì)90年代中期，經(jīng)過(guò)第一階段的發(fā)展，空間光通信理論和技術(shù)都逐漸完備，并且完成了大量的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。1995年前后，日本的高軌衛(wèi)星ETS-VI攜帶的光通信終端(LCE)和美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的地面站建立雙向激光鏈路，完成世界首次星地激光通信，從此拉開(kāi)了光通信在軌實(shí)驗(yàn)的序幕?？臻g

光通信發(fā)展進(jìn)入第二階段，多個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)在此后進(jìn)行了眾多的在軌實(shí)驗(yàn)。

1.4空間光通信的發(fā)展前景

空間光通信技術(shù)(FSO)具有廣闊的市場(chǎng)和巨大的商業(yè)價(jià)值，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)空間光通信技術(shù)可以提供大容量多媒體寬帶網(wǎng)接入。

(2)空間光通信技術(shù)可以為大企業(yè)、大機(jī)關(guān)提供內(nèi)部大容量寬帶網(wǎng)。

(3)空間光通信技術(shù)可以為軍事等重要部門提供寬帶保密通信。

(4)空間光通信技術(shù)可以支持災(zāi)難搶救的應(yīng)急系統(tǒng)。

空間光通信技術(shù)(FSO)在當(dāng)今社會(huì)中有著非常好的發(fā)展動(dòng)力。原因如下：首先當(dāng)今社會(huì)消費(fèi)者對(duì)網(wǎng)速和帶寬的要求越來(lái)越高，人們都在追求更快的網(wǎng)速和更寬的帶寬。其次是消費(fèi)者對(duì)無(wú)線技術(shù)也有著很高的追求。從有線電話通信發(fā)展到無(wú)線電話通信我們可以看出，我們是不斷朝著無(wú)線發(fā)展，朝著便捷的通信方式發(fā)展。最后是空間光通信具有其他通信方式所不具有的優(yōu)勢(shì)，比如安全性能比無(wú)線電波通信好，通信容量更大等等。因此，空間光通信技術(shù)(FSO)具有十分好的發(fā)展前景。

每一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)都是伴隨著優(yōu)缺點(diǎn)，但空間光通信的優(yōu)點(diǎn)更為明顯，比如可以用于不便鋪設(shè)光纖的地方和不適宜使用微波的地方；用戶無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接人帶來(lái)的便利的地方。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段寬帶網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況一許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具有光纖線路，但又有較高速率的通信需求，空間光通信不失為一種解決“最后—公里”接入的瓶頸問(wèn)題的有效途徑[3]。

無(wú)線光通信技術(shù)的出現(xiàn)大大拓寬了無(wú)線通信的工作頻率范圍，且隱蔽性強(qiáng)，安全系數(shù)高，為廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)互聯(lián)等通信領(lǐng)域、提供了極大的便利條件。但在其應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)存在著許多的問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)影響著無(wú)線光通信的發(fā)展，但盡管如此，無(wú)線光通信技術(shù)也發(fā)展越來(lái)越快，相信在不久的將來(lái)無(wú)線光通信將會(huì)產(chǎn)生巨大的效益[3]。

1.5空間光通信發(fā)展面臨的問(wèn)題

馬可尼和波波夫發(fā)明的無(wú)線電技術(shù)為微波通信奠定了基礎(chǔ)，類似的，激光通信技術(shù)的開(kāi)端也可以追溯到20世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明。但是在之后的若干年，一方面由于低損耗光纖的發(fā)明，使得激光技術(shù)的研究和應(yīng)用更多的集中在地面光纖通信領(lǐng)域，另一方面由于當(dāng)時(shí)人類的航天活動(dòng)還處于初步發(fā)展階段，對(duì)空間數(shù)據(jù)通信的速率和容量尚未提出更高的要求，所以在六七十年代的空間光通信研究更多處于早期的理論研究層面。到了20世紀(jì)七八十年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的提升，開(kāi)始出現(xiàn)更為系統(tǒng)性的研究，并且研究?jī)?nèi)容也更多地傾向于具體的光通信器件、終端及系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。從彼時(shí)起，空間光通信進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，各種地面實(shí)驗(yàn)以及測(cè)試平臺(tái)的研究得到廣泛開(kāi)展，并從20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)初期進(jìn)行了多次在軌實(shí)驗(yàn)。

縱觀空間光通信的整個(gè)發(fā)展歷史，可以將其劃分為兩個(gè)發(fā)展階段：

第一階段，地面技術(shù)積累階段，從20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)90年代?；厮?960年激光器剛剛發(fā)明時(shí)的歷史，盡管當(dāng)時(shí)人類的太空活動(dòng)也才誕生不久，但科學(xué)家們立刻敏銳地意識(shí)到空間激光通信的應(yīng)用潛力。如Lindgren在1970年就提出光纖通信存在的損耗問(wèn)題，并指出NASA將在1973年和1974年發(fā)射兩顆用于星間和星地光通信實(shí)驗(yàn)的同步衛(wèi)星。后來(lái)的歷史證明了Lindgren的想法有些過(guò)于樂(lè)觀，人類直到90年代才開(kāi)始光通信的在軌實(shí)驗(yàn)。這一方面歸咎于航天活動(dòng)本身的高成本、高復(fù)雜度和高風(fēng)險(xiǎn)性，另一方面也是由于相應(yīng)的理論和技術(shù)研究還需要一個(gè)發(fā)展過(guò)程。

在第一階段，光通信的相關(guān)研究主要包含以下幾個(gè)方面：

1)激光器和探測(cè)器件的發(fā)明。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，激光器和電荷耦合設(shè)備(CCD)等發(fā)明，為空間光通信提供了最基本的技術(shù)保障。

2)空間光通信基礎(chǔ)理論和技術(shù)的進(jìn)展。美、歐、日相繼開(kāi)展了空間光通信相關(guān)理論和技術(shù)的研究，包括數(shù)學(xué)模型的建立和大氣信道影響研究等。

3)光通信終端研制以及地面檢測(cè)技術(shù)研究。到20世紀(jì)八九十年代時(shí)，各國(guó)開(kāi)始制定并實(shí)施自己的空間光通信計(jì)劃。除了研制光通信終端，還開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的地面測(cè)試平臺(tái)，比如日本的OICETS計(jì)劃采用的GOAL(Ground Optical Assistancefor LUCE)測(cè)試系統(tǒng)，以及歐空局(ESA)的SILEX計(jì)劃采用的STB(System Test Bed)測(cè)試平臺(tái)。

4)光學(xué)地面站的研究與建設(shè)。光學(xué)地面站的建設(shè)一方面為星地光通信提供了地面終端，另一方面也為星載終端提供了地面驗(yàn)證的機(jī)會(huì)。其中最為典型的是ESA位于西班牙加那利群島的光學(xué)地面站(OGS)。它建立的最初目的是作為SILEX計(jì)劃中高軌衛(wèi)星ARTEMIS的地面測(cè)試終端，但在后來(lái)被廣泛用于各種空間光通信終端的地面驗(yàn)證，并參與了多項(xiàng)國(guó)際合作計(jì)劃。

第二階段，在軌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，從20世紀(jì)90年代到本世紀(jì)初期，直至今天。

到了20世紀(jì)90年代中期，經(jīng)過(guò)第一階段的發(fā)展，空間光通信理論和技術(shù)都逐漸完備，并且完成了大量的地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。1995年前后，日本的高軌衛(wèi)星ETS-VI攜帶的光通信終端(LCE)和美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的地面站建立雙向激光鏈路，完成世界首次星地激光通信，從此拉開(kāi)了光通信在軌實(shí)驗(yàn)的序幕?？臻g

光通信發(fā)展進(jìn)入第二階段，多個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)在此后進(jìn)行了眾多的在軌實(shí)驗(yàn)。

1.4空間光通信的發(fā)展前景

空間光通信技術(shù)(FSO)具有廣闊的市場(chǎng)和巨大的商業(yè)價(jià)值，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)空間光通信技術(shù)可以提供大容量多媒體寬帶網(wǎng)接入。

(2)空間光通信技術(shù)可以為大企業(yè)、大機(jī)關(guān)提供內(nèi)部大容量寬帶網(wǎng)。

(3)空間光通信技術(shù)可以為軍事等重要部門提供寬帶保密通信。

(4)空間光通信技術(shù)可以支持災(zāi)難搶救的應(yīng)急系統(tǒng)。

空間光通信技術(shù)(FSO)在當(dāng)今社會(huì)中有著非常好的發(fā)展動(dòng)力。原因如下：首先當(dāng)今社會(huì)消費(fèi)者對(duì)網(wǎng)速和帶寬的要求越來(lái)越高，人們都在追求更快的網(wǎng)速和更寬的帶寬。其次是消費(fèi)者對(duì)無(wú)線技術(shù)也有著很高的追求。從有線電話通信發(fā)展到無(wú)線電話通信我們可以看出，我們是不斷朝著無(wú)線發(fā)展，朝著便捷的通信方式發(fā)展。最后是空間光通信具有其他通信方式所不具有的優(yōu)勢(shì)，比如安全性能比無(wú)線電波通信好，通信容量更大等等。因此，空間光通信技術(shù)(FSO)具有十分好的發(fā)展前景。

每一項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)都是伴隨著優(yōu)缺點(diǎn)，但空間光通信的優(yōu)點(diǎn)更為明顯，比如可以用于不便鋪設(shè)光纖的地方和不適宜使用微波的地方；用戶無(wú)法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)光纖接入，而他們卻渴望享受寬帶接人帶來(lái)的便利的地方。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段寬帶網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況一許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具有光纖線路，但又有較高速率的通信需求，空間光通信不失為一種解決“最后—公里”接入的瓶頸問(wèn)題的有效途徑[3。

無(wú)線光通信技術(shù)的出現(xiàn)大大拓寬了無(wú)線通信的工作頻率范圍，且隱蔽性強(qiáng)，安全系數(shù)高，為廣泛應(yīng)用于局域網(wǎng)互聯(lián)等通信領(lǐng)域、提供了極大的便利條件。但在其應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)存在著許多的問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)影響著無(wú)線光通信的發(fā)展，但盡管如此，無(wú)線光通信技術(shù)也發(fā)展越來(lái)越快，相信在不久的將來(lái)無(wú)線光通信將會(huì)產(chǎn)生巨大的效益[3]。

1.5空間光通信發(fā)展面臨的問(wèn)題

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體激光器和光電探測(cè)器技術(shù)的不斷發(fā)展，空間光通信越來(lái)越引起人們的關(guān)注，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于無(wú)線光通信技術(shù)自身的局限性，在實(shí)際應(yīng)用中還存在以下問(wèn)題：

(1)空間光通信系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性差。空間光通信系統(tǒng)性能對(duì)天氣非常敏感。晴天對(duì)空間光通信傳輸質(zhì)量的影響較小，而雨、雪、霧等惡劣天氣對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則很大。因?yàn)橛?、雪、霧等惡劣的天氣情況，會(huì)對(duì)空間光通信的光信號(hào)產(chǎn)生衰耗作用。在雨、雪、霧等惡劣天氣中，大氣衰減是影響無(wú)線光通信最大的因素。據(jù)測(cè)試，空間光通信技術(shù)(FSO)受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國(guó)外針對(duì)大氣傳輸特性已作了許多研究，已取得重大進(jìn)展，所推出的產(chǎn)品聲稱具有全天候通信能力。國(guó)外為解決這個(gè)難題，一般會(huì)采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來(lái)解決[7]。

(2)傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾突出?？臻g光通信傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收端收到的光信號(hào)質(zhì)量越差。激光鏈路受光束發(fā)散角、強(qiáng)太陽(yáng)背景噪聲以及大氣信道對(duì)于信號(hào)的吸收散射等因素的影響，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離空間傳輸后其能量大幅衰減且信號(hào)質(zhì)量劣化嚴(yán)重[8。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要考慮在空間激光通信網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行再生處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及再生，才能滿足下一節(jié)點(diǎn)的高性能數(shù)據(jù)傳輸。例如，全光相位再生技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制信號(hào)的全光相位再生，能夠有效提升空間相干激光通信系統(tǒng)的性能，可以應(yīng)用于空間高速激光通信網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)處的全光數(shù)據(jù)中繼等方向191。

(3)收發(fā)端對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。無(wú)線光通信是一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間需要嚴(yán)格的視距傳輸條件才能實(shí)現(xiàn)通信。在城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動(dòng)將影響收發(fā)兩點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。例如，當(dāng)通信設(shè)備安裝在高樓的頂部時(shí)，在風(fēng)力的作用下設(shè)備會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，從而造成光路的偏移。目前，偏關(guān)法和動(dòng)態(tài)跟蹤法可以解決這一問(wèn)題3。

(4)激光的安全問(wèn)題。激光束的安全性是無(wú)線光通信系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題。光信號(hào)發(fā)射功率必須限制在保證人類眼睛安全的功率范圍內(nèi)，這也限制了無(wú)線光通信的通信距離。

1.6空間光通信的應(yīng)用

空間光通信技術(shù)主要應(yīng)用以下幾個(gè)方面：

(1)在原帶寬不足或者有線接入條件不允許的情況下，提供高速有效的接入方案?？臻g光通信技術(shù)(FSO)技術(shù)可以省去城市內(nèi)埋設(shè)線路的麻煩，從而快速地在樓房之間實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字通信，也能夠在不方便鋪設(shè)光纜的區(qū)域內(nèi)，或者無(wú)法架設(shè)橋梁的河流兩岸之間完成寬帶數(shù)據(jù)通信傳輸[2。

(2)應(yīng)急備用方案。在通信鏈路越過(guò)高速公路、河流、峽谷或擁擠的城區(qū)以及災(zāi)難恢復(fù)時(shí)，由于地理?xiàng)l件的制約無(wú)法鋪設(shè)光纖線路時(shí)，采用空間光通信技術(shù)(FSO)技術(shù)就可以快速解決。美國(guó)在“9.11”事件部分地區(qū)遭遇襲擊后，就大量使用無(wú)線光通信技術(shù)進(jìn)行高效的應(yīng)急通信工作[2]。

(3)光纖網(wǎng)絡(luò)的備份?，F(xiàn)如今很多電信運(yùn)營(yíng)商都使用兩條光纖連接來(lái)確保所創(chuàng)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的安全。現(xiàn)在，電信運(yùn)營(yíng)商可以直接選擇空間光通信系統(tǒng)作為備份光纖網(wǎng)絡(luò)的冗余鏈路，以期達(dá)到節(jié)約開(kāi)銷的目的2]。

(4)軍事上的應(yīng)用。世界上各個(gè)大國(guó)尤其是軍事大國(guó)，無(wú)不在追求可靠和保密性強(qiáng)的通信。因?yàn)檐娛律系耐ㄐ诺谋Ｃ苄允欠窳己脤?duì)該國(guó)的安全有舉足重輕的影響，甚至?xí)绊憞?guó)家的興衰和民族的存亡。而空間光通信技術(shù)因具有良好的保密性在軍事上得到了廣泛的應(yīng)用。如在指揮單元之間的通信；戰(zhàn)場(chǎng)通信迅速恢復(fù)；復(fù)雜地形通信；戰(zhàn)斗單元機(jī)動(dòng)協(xié)同通信；核潛艇的指揮通信等方面都運(yùn)用到了空間光通信技術(shù)(FSO)Ⅲ]。

(5)“最后—公里”的接入。空間光通信可以解決綜合業(yè)務(wù)接入的“最后—公里”接入的問(wèn)題，提高用戶接入端的傳輸容量和速度，能夠較好地滿足電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和IP網(wǎng)三網(wǎng)合一對(duì)帶寬的要求[3]。

(6)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)。空間光通信提供了臨近局域網(wǎng)之間互連互通的選擇方案，不僅可以解決局域網(wǎng)內(nèi)用戶接入的高速傳輸問(wèn)題，還可方便地實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)之間的連接，形成更大范圍的城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)[。

(7)快速開(kāi)通業(yè)務(wù)。無(wú)線光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)迅速、操作簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)，可在應(yīng)急場(chǎng)合快速開(kāi)通業(yè)務(wù)，也可作為大型臨時(shí)活動(dòng)的通信解決方案[3。

1.7空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)[10]

空間激光通信系統(tǒng)是涉及控制學(xué)、材料學(xué)、動(dòng)力學(xué)、空間科學(xué)以及信息處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多學(xué)科多門類的復(fù)雜系統(tǒng)，發(fā)展空間激光通信必須注重關(guān)鍵技術(shù)的研究和發(fā)展。

(1)高靈敏度低誤碼探測(cè)技術(shù)

高靈敏度探測(cè)技術(shù)對(duì)激光通信距離、環(huán)境、通信質(zhì)量有著重要影響，高靈敏度探測(cè)器接收端關(guān)鍵技術(shù)器件。接收端低誤碼探測(cè)技術(shù)還包括自動(dòng)增益控制、浮動(dòng)閥值選取、單光子探測(cè)、陣列接收、偏振補(bǔ)償、光學(xué)相位保持和匹配等重要技術(shù)。

(2)精密可靠高增益的收發(fā)光學(xué)天線

為滿足雙向互逆跟蹤與通信，空間激光通信系統(tǒng)終端均采用收發(fā)一體光學(xué)天線，由隔離度100%的精密光機(jī)組件構(gòu)成，同時(shí)為了滿足空間平臺(tái)載荷要求光學(xué)天線中主副鏡，合束、分束濾光片總體結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、可靠性高。還涉及接近衍射極限的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，多光軸一致性裝調(diào)技術(shù)和光學(xué)平臺(tái)輕小型化設(shè)計(jì)。特別是用于深空遠(yuǎn)距離激光通信接收端的大口徑高質(zhì)量光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(3)高精度動(dòng)態(tài)捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)

高精度捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤是與空間飛行器建立激光鏈路的前提，整個(gè)過(guò)程一般分為捕獲粗跟蹤和對(duì)準(zhǔn)精跟蹤，解決方法主要采用光柵螺旋掃描的高概率快速捕獲技術(shù)和速度與振動(dòng)的補(bǔ)償技術(shù)。由于激光發(fā)散角小，同時(shí)搜索目標(biāo)區(qū)域較大，導(dǎo)致搜索捕獲時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)準(zhǔn)精跟蹤時(shí)由于跟蹤光束發(fā)散角小，平臺(tái)振動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)影響較大。解決方法主要是采用高幀頻相機(jī)和亞像元細(xì)分檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精跟蹤精度，同時(shí)采用數(shù)字控制技術(shù)提高系統(tǒng)的魯棒性。

(4)高性能高可靠長(zhǎng)壽命光電器件技術(shù)

光電器件的性能直接決定著激光通信系統(tǒng)的性能，如高速率、高功率、窄線寬激光器是實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠通信的重要技術(shù)，一般分為內(nèi)調(diào)制發(fā)射和外調(diào)制發(fā)射。我國(guó)的高性能光電器件技術(shù)比較滯后，特別是窄線寬相干光源、高性能光子探測(cè)性、CCD等關(guān)鍵器件，同時(shí)要有較好的空間環(huán)境適應(yīng)能力，主要是指空間粒子輻射、背景光輻射、大溫差環(huán)境，在空間環(huán)境下器件要有較好的穩(wěn)定性、可靠性。

(5)星間激光鏈路組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與多址接入技術(shù)

星間激光通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)的目的是覆蓋大范圍區(qū)域，能滿足大區(qū)域用戶需求，可將空間分為GEO、LEO、臨近空間和近地大氣層四個(gè)部分，由此空間網(wǎng)絡(luò)可以分為天基衛(wèi)星組網(wǎng)、平流層飛行器組網(wǎng)、近地大氣層組網(wǎng)。由于天基衛(wèi)星有不同

的軌道高度，天基衛(wèi)星組網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為同軌道衛(wèi)星間的組網(wǎng)和不同軌道平臺(tái)間的組網(wǎng)，同軌道間衛(wèi)星相對(duì)指向固定，不同軌道間的衛(wèi)星指向是動(dòng)態(tài)變化的，因此適應(yīng)不同指向的自適應(yīng)收發(fā)天線是關(guān)鍵。星間激光通信網(wǎng)絡(luò)可以采用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)干線級(jí)復(fù)用。為了減小星間通信多點(diǎn)接入的相互干擾，可以采用OCDMA技術(shù)，所有用戶都可以靈活的接入，而不需要定時(shí)裝置和光電轉(zhuǎn)換，因此構(gòu)造高性能的地址碼非常關(guān)鍵。

(6)高調(diào)制速率多調(diào)制方式的逆向調(diào)制器

逆向調(diào)制技術(shù)已經(jīng)成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景，但是逆向調(diào)制器技術(shù)是制約逆向調(diào)制激光通信發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)逆向調(diào)制器主要是機(jī)械式強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制比和調(diào)制速率低，嚴(yán)重制約的逆向調(diào)制激光通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，因此發(fā)展高調(diào)制速率多調(diào)制方式的逆向調(diào)制器十分重要。

1.8空間光通信的結(jié)構(gòu)

空間光通信系統(tǒng)可分為七大功能模塊：光發(fā)射模塊、光接收模塊、光接口模塊、快速以太網(wǎng)模塊、光學(xué)天線模塊、ATP模塊和系統(tǒng)控制模塊。光通信系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

空間光通信系統(tǒng)可分為若干個(gè)子系統(tǒng)，包括信號(hào)子系統(tǒng)、光學(xué)天線平臺(tái)、ATP子系統(tǒng)等。其中，信號(hào)子系統(tǒng)包括調(diào)制器、信號(hào)光源、 光電檢測(cè)、接收機(jī)等，負(fù)責(zé)光信號(hào)的產(chǎn)生和還原；光學(xué)天線平臺(tái)包括光學(xué)收發(fā)天線、精瞄跟蹤裝置、粗瞄跟蹤裝置及合/分束器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)激光光束的發(fā)送和接收；ATP子系統(tǒng)包括信標(biāo)信號(hào)、信號(hào)光源、誤差檢測(cè)、誤差信號(hào)處理、控制計(jì)算機(jī)、伺服機(jī)械、粗瞄/精瞄跟蹤裝置等，負(fù)責(zé)激光光束的精確指向及跟蹤151。

(1)光發(fā)射模塊。光發(fā)射模塊的作用是將電信號(hào)通過(guò)光發(fā)射模塊轉(zhuǎn)換成光信號(hào)傳輸出去。一般由輸入緩沖級(jí)、驅(qū)動(dòng)器、光發(fā)射器件和APC電路構(gòu)成。其中，光發(fā)射器件是光發(fā)射模塊的核心，一般采用高功率、高效率的半導(dǎo)體激光器或垂直強(qiáng)面發(fā)射激光器。APC電路是自動(dòng)功率控制電路，通過(guò)APC電路使得系統(tǒng)的功率達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。

(2)光接收模塊。光接收模塊的作用于光發(fā)射模塊互補(bǔ)，是從接收到的光信號(hào)中的電信號(hào)提取出來(lái)，通過(guò)光接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光接收機(jī)分為前端、線性通道和時(shí)鐘提取數(shù)據(jù)再生三部分。其中的關(guān)鍵器件是光檢測(cè)器件，光檢測(cè)器和前置放大器一起構(gòu)成光接收機(jī)的前端，前端是決定光接收機(jī)性能的主要因素。其中，光檢測(cè)器件一般采用PIN光電二極管或具有內(nèi)增益效應(yīng)的雪崩光電二極管(APD)。PIN光電二極管具有良好的光電轉(zhuǎn)換線性度，不需要高的工作電壓，響應(yīng)速度快，因此，從簡(jiǎn)化接收機(jī)電路考慮，一般多選用PIN光電二極管。而若要求接收機(jī)的靈敏度特別高時(shí)，則采用APD光電二極管。APD光電二極管具有很高的靈敏度，可以更精準(zhǔn)地接收來(lái)自發(fā)射端的光信號(hào)，但同時(shí)由于雪崩倍增效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)剩噪聲，因此要適當(dāng)?shù)目刂蒲┍涝鲆?，需要高的工作電壓和?fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，成本較高。前置放大器的作用則是最大限度地減少噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。

(3)光接口模塊。光接口模塊分為接收部分和發(fā)射部分，用于實(shí)現(xiàn)自身的空間

光通信系統(tǒng)與其他光通信系統(tǒng)接口設(shè)備之間的連接。將接收其他接口設(shè)備傳輸來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大緩沖后，送入自身空間光通信系統(tǒng)的發(fā)射模塊中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后發(fā)送到其他的標(biāo)準(zhǔn)的光接口設(shè)備中去，從而實(shí)現(xiàn)光的再生與中繼。

(4)快速以太網(wǎng)模塊?？焖僖蕴W(wǎng)模塊是實(shí)現(xiàn)本機(jī)與以太網(wǎng)之間的連接。通過(guò)該模塊將以太網(wǎng)傳輸來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合本機(jī)發(fā)射的信號(hào)并發(fā)射出去，或把光接收機(jī)接收回來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合以太網(wǎng)的信號(hào)并送到以太網(wǎng)的光接口中。

(5)光學(xué)天線模塊。光學(xué)天線分為光發(fā)射天線和光接收天線。光發(fā)射天線將半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的激光的發(fā)散角進(jìn)一步壓縮，準(zhǔn)直成發(fā)散角只有毫弧度數(shù)量級(jí)的非常窄的激光束發(fā)射出去；光接收天線用于收集接收到的光信號(hào)并匯聚到光接收機(jī)中。

(6)ATP模塊。ATP模塊是由捕獲、跟蹤、對(duì)準(zhǔn)(Acquisition、TrackingandPointing,、ATP)三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，是決定整個(gè)空間光通信系統(tǒng)性能好壞的。ATP系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)空間激光通信終端設(shè)備之間的精確對(duì)準(zhǔn)，以此來(lái)完成終端設(shè)備之間的鎖定和跟蹤，在雙方鏈路之間建立通信。在瞄準(zhǔn)的過(guò)程中，捕獲的時(shí)間越小，通信鏈路就可以很快的連接；在跟蹤的過(guò)程中，跟蹤的精度越高，兩端的通信就可以長(zhǎng)久的保持。ATP子系統(tǒng)的作用是在接收端探測(cè)發(fā)射端發(fā)出的信標(biāo)光，并對(duì)其進(jìn)行捕獲、跟蹤，然后返回一信標(biāo)光到發(fā)射端，借以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鎖定，在兩端間建立通信鏈接。然后，雙方用通信光束開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信[11]。在整個(gè)通信過(guò)程中，這一傳輸鏈接需要始終存在并且要保持。如果因?yàn)槟撤N情況或者意外導(dǎo)致傳輸連接的不穩(wěn)定或斷開(kāi)，這就需要ATP系統(tǒng)盡快重新進(jìn)行捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)[12]。

(7)系統(tǒng)控制模塊。系統(tǒng)控制模塊是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)和進(jìn)行系統(tǒng)管理，控制系統(tǒng)能夠良好的工作。

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