空间激光通信技术与系统_空间激光通信发展状况解析

　　空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式。与传统微波通信相比，激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，且其通信终端体积小、功耗低、实用性极高，引发各国研究热潮。空间激光通信技术的发展和突破对增强空间信息传输的实时性、安全性以及未来深空探测意义重大，有望变革未来空间通信技术发展。

　　空间光通信的特点及关键技术

　　1）高功率光源及高码率调制技术

　　在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信号光和信标光光源，其工作波长为018～115（m近红外波段。信标光源（采用单管或多个管芯阵列组合，以加大输出功率）要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光，以便在大视场、高背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标，通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹或几千赫兹至几十千赫兹，以克服背景光的干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好，工作频率高（可达到几十兆赫至几十GHz）。具体选择视需要而定。据报道，贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHz的光源。

　　2）高灵敏度抗干扰的光信号接收技术

　　空间光通信系统中，光接收端机接收到的信号是十分微弱的，又加之在高背景噪声场的干扰情况下，会导致接收端S/N《1。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面的措施：一是提高接收端机的灵敏度，达到nW～pW量级;其次是对所接收信号进行处理，在光信道上采用光窄带滤波器（干涉滤光片或原子滤光器等），以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。

　　3）精密、可靠、高增益的收、发天线

　　为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统均采用收、发合一天线，隔离度近100%的精密光机组件（又称万向支架）。由于半导体激光器光束质量一般较差，要求天线增益要高，另外，为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件）总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25厘米。

　　4）快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术

　　这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。ATP系统通常由以下两部分组成：

　　（1）捕获（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用阵列CCD来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约10pW，跟踪精度为几十μrad;

　　（2）跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统的功能是在完成了目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百μrad，跟踪精度为几μrad，跟踪灵敏度大约为几nW。

　　5）大气信道的研究

　　在地2地、地2空的激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰甚至脱靶。因此，如何保证随机信道条件下系统的正常工作，对大气信道的工程化研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐渐走向实用化。 此外，完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。

　　这些技术的难度较大，但也是十分重要的。总的来讲，空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题，它不仅在空间要完成一系列重要的技术功能，还需要有步骤地从地2地、地2空、空2空获取许多试验数据和技术考验。 值得提出的是，空间光通信的发展是与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密的光、机、电综合技术的研究和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展，为空间光通信奠定了物质基础，在人力、物力上也作了准备，更由于信息社会发展的需要，空间卫星间激光通信已是指日可待了。

　　空间激光链路分类

　　空间激光通信的分类主要是通过距离和应用的不同来进行分类的，其中包括：低轨和同步轨道通信、同步轨道和地面轨道通信、同步轨道和同步轨道通信、低轨和低轨之间的通信、低轨和地面之间的通信、地面之间的各站点之间的通信、地面和飞机等的通信这几种通信的主要途径，在空间技术的调解技术上可以分为直接的和相干的两种探测解调技术，随着相关的技术不断在进行调高，相干探测解调技术在探测的灵敏度上更高，能够将探测数据的精度明显的提高，具有一定的使用优势，所以在空间通信技术的研究工作中成为一项主要的研究对象。

　　空间激光通信性能参数

　　在对空间激光技术的性能参数进行衡量时主要是通过距离、通信的速度和误码率来进行有效的判断的，在空间激光通信技术的终端上还有激光波长、激光的发散角等方面的一些参数上的指示。

　　空间激光通信系统

　　空间光通信系统的结构组成

　　我们按照功能不同将空间光通信系统分为光源分系统，发射和接收分系统，信标分系统，捕获、瞄准和跟踪分系统四大模块，下面分别讨论如下：

　　1、光源分系统

　　在卫星光通信中，通信光源至关重要。它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量，因此对光源子系统研究十分必要。美国、欧洲、日本在低轨道-低轨道和低轨道-静止轨道卫星的空间通信链路试验中，都采用800~850nm波长范围的AlGaAs（砷镓化铝）激光器，因为该范围的APD（雪崩光电二极管）探测器件工作在峰值，量子效率高、增益高。而在星地通信链路试验中，地面装置采用半导体泵浦倍频Nd：YAG激光器或氩离子激光器作为光源，波长在514~532nm，该波段具有较强的抗干扰能力，能穿过大气而不使通信中断。从抗太阳干扰因素和半导体激光器的发展来看，将来卫星光通信采用的光源有向更短波段发展的趋势。半导体泵浦倍频Nd：YAG激光器由于不仅具有良好的相干性，而且可以做得体积很小，因此也是将来星上激光器的一个良好选择。

　　2、发射和接收分系统

　　发射、接收分系统是卫星光通信系统的关键子系统之一。光发射机大致可认为是光源、调制器和光学天线的级联，而光接收机则可看成是光学接收天线和探测器、解调器的级联。

　　调制的作用是将需要发射的信号调制到光载波上；探测、解调是通过光电转换器件将光信号转换为电信号。探测部分还包括滤波、放大部分，该部分也是卫星光通信系统中必不可少的。

　　3、信标分系统

　　由于在空间光通信系统中，通信信号光束发散角非常小，因此如果利用信号光束进行捕获、瞄准将会是非常困难的过程。所以在卫星光通信系统中都要单独设立一个激光信标分系统。信标光束主要是给瞄准、捕获过程提供一个较宽的光束，以便在扫描过程中易于探测到信标光束，然后进行后面的调整过程。

　　4、捕获、瞄准和跟踪分系统

　　捕获、瞄准、跟踪分系统是空间光通信系统中非常重要的分系统之一，也是空间光通信的难点、重点。各国在对空间光通信系统的研究中，都提出了一些捕获、瞄准、跟踪系统的方案，并对相当一部分方案进行了实验室模拟。这些方案在探测时的扫描方式以及探测、跟踪传感器的选择等方面都有所不同，但实际采用的捕获、瞄准、跟踪方案是基本一致的。

　　空间光通信系统的主要优点

　　相比与传统的微波空间通信，激光空间通信由于波长比微波波长明显短，具有高度的相干性，良好的单色性和空间定向性，这决定了它具有通信容量大、设备体积小、质量轻、功耗低、安全性（可靠性）高、保密性好等特点，此外，还有传输速率高、可用频带宽、建造和维护经费低廉等优势。下面分别详细叙述：

　　1、通信容量大

　　激光的频率比微波要高许多，作为通信的载波有更宽的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束光波的数据率可达20Gb/s以上，并且能采用波分复用技术，使得通信容量上升几十倍。因此，在通信容量上，光通信比微波通信具有巨大的优势。

　　2、体积小、质量轻

　　由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场要求下，发射和接收望远镜口径都可

　　以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。

　　3、功耗低

　　激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。

　　4、可靠性高

　　由于光通信系统使用激光作为光源，其发散角很小，能量集中在很窄的光束中。窄光束意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小，这对于卫星较多的低轨道星座群之间相互通信非常重要，因为它的可靠性高，所以避免了相互影响冲突，稳定性增强，提高通信效率。

　　5、保密性好

　　由于激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使得激光通信具有良好的保密性，可有效的提高抗干扰、防窃听的能力。

　　6、其它优点

　　光通信的频段不像射频那样由国家或国际机构管理，光频段的使用现今没有受到限制。此外，空间激光通信的建造费用和维护费用十分低廉。

　　空间激光通信的发展状况解析

　　一些国外的发达国家在空间激光通信技术上早就有所应用，就美国的激光通信技术发展状况来说其属于这项技术的领导者，在技术项目的研发和一系列的技术试验工作美国大多参与其中并起到了主导的作用，美国还制定了2016年的星间激光通信网络计划，在这项计划中通信的速率得到了明显的提升，其主要还是在设备的有力支持的基础上来进行的。在激光网络通信的建设工作上美国的投资是非常巨大的。

　　就国内来说，我国在空间激光通信工作的研究和发展上还不是很充分，在技术的起步上也比较晚，主要的研发单位还是集中在一些大学中，比如哈尔滨工业大学、长春理工大学、武汉大学等，所以说我国在空间激光通信技术的研发工作上仍然需要进行坚持不懈的努力。

　　空间激光技术在不断的发展过程中很多技术上的问题已经得到了有效的解决，其能够有效的进行瞄准和跟踪、在捕获工作环节上也更加精确、在大气湍流的解决上具有很好的补偿技术等，已经得到了有效的进步。在技术上的问题的解决给以后的星际光通信技术的发展打下了良好的基础，在激光通信技术的未来发展中主要表现出以下几点发展的趋势：

　　第一，在探测体制上已经逐渐的表现出从直接探测向相干探测和复合探测的方向上进行转变，这样能够有效的实现激光通信系统对环境的适应性额和同其他系统之间的互通性。

　　第二，在通信的波长上逐渐的走向1.5 5μｍ波的过渡，这表明激光通信技术的容量在不断地走向扩大的趋势，也是未来的技术发展的重要趋势之一。

　　第三，在未来的激光通信技术的发展中纳米技术的应用会有效的推动激光通信技术的发展，纳米技术的不断发展会更好的解决空间环境的适应性问题。

　　第四，在未来的激光通信技术的发展中会实现更好的经典光通信和量子光通信之间的结合。

　　第五，激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。