激光通信技術(shù)論文

1、激光通信技術(shù)論文 衛(wèi)星激光通信技術(shù) 摘要：激光通信設(shè)備具有通信速率高、體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用 在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。文章介紹了衛(wèi)星激光通信技術(shù)的特點(diǎn)及系統(tǒng)組成，詳 細(xì)分析了衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)。最后結(jié)合國內(nèi)外衛(wèi)星激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和水半, 提出了我國大力發(fā)展衛(wèi)星激光通信技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的建議。 關(guān)鍵詞：衛(wèi)星激光通信;激光通信;數(shù)據(jù)傳輸 引言 目前衛(wèi)星通信主要是微波通信，隨著航夭技術(shù)應(yīng)用的逐步深入，微波通信中的頻率資 源己經(jīng)顯得越來越緊張，11經(jīng)常性出現(xiàn)頻率干擾問題，數(shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)的微波通信 已經(jīng)不能滿足未來航夭通信的需求，因此急需開發(fā)新的通信手段來彌補(bǔ)未來通

2、信的不足。 衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的無線激光通信是一項(xiàng)嶄新的衛(wèi)星通信體制，相對(duì)于現(xiàn)有的衛(wèi)通技術(shù) 而言，具有以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：1通信速率高，激光通信通信速率能達(dá)到lOGbps或者更 高。2體積小、重量輕、功耗低。3不存在頻率干擾問題，由于衛(wèi)星與衛(wèi)星之間采用點(diǎn)對(duì) 點(diǎn)無線激光通信，因此基本上不存在干擾問題。4隱蔽通信和抗干擾能力更強(qiáng)。由于衛(wèi)星 激光通信具有極窄的束散角，不容易被偵察和被干擾。5作用距離更遠(yuǎn)，是未來深空高速 數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐爰夹g(shù)手段。深空探測從環(huán)月的兒十萬千米到兒白萬千米甚至更遠(yuǎn)，對(duì)通信 頻段提出了更高的要求。 1國內(nèi)外衛(wèi)星激光通信發(fā)展現(xiàn)狀 1. 1國外發(fā)展現(xiàn)狀分析 20世紀(jì)60年代，國際上就

3、開始了空間光通信技術(shù)的研究，主要進(jìn)展如下。 1. 1. 1歐空局光通信 歐洲空間局ESA于1986年提出了 SILEX計(jì)劃，經(jīng)過幾十年的發(fā)展先后進(jìn)行了低軌道 衛(wèi)星與同步軌道衛(wèi)星之間、GEO與地面的激光通信實(shí)驗(yàn)見圖1。低軌道終端搭載在法國地 球觀測衛(wèi)星SP0T4上，髙軌道終端OPALE搭載在ARTEMIS衛(wèi)星上。兩顆衛(wèi)星間隔30000km, 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為7km/so 2001年11月，ESA完成了通過星間鏈路將圖象從SP0T4經(jīng)由 ARTEMIS傳送到地面站的實(shí)驗(yàn)，通信速率為50Hbit/s。 德國的TerraSAR-X激光通信終端TerraSAR-X計(jì)劃搭載一個(gè)激光通信終端LTC通信速 率為

4、5. 625Gbps24*255Mbps,可以用來進(jìn)行星間激光通信美國的低軌衛(wèi)星和星地激光通信, 用于實(shí)時(shí)傳輸合成孔徑雷達(dá)上的數(shù)據(jù)。2021年2月21 B, TerraSAR-X衛(wèi)星與NFIRE衛(wèi)星 成功進(jìn)行了世界上首次星間相干激光鏈路實(shí)驗(yàn)，鏈路距離37004700km、鏈路持續(xù)時(shí)間 50650s、誤碼率優(yōu)F 10-9、通信數(shù)據(jù)率高達(dá)5. 625Gbps該實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著星間光通 信技術(shù)的發(fā)展向前邁進(jìn)了一大步。 1.1.2日本空間光通信發(fā)展 日本從80年代中期就開始星間激光通信的研究工作 1995年6月，日本的ETS-VI衛(wèi) 星與美國的大氣觀測衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了雙向激光通信，在相距32000km的情況

5、下通話8分鐘。 1995年7月，ETS-VI衛(wèi)星成功進(jìn)行了星地光通信實(shí)驗(yàn)，傳輸距離37800km,傳輸速率 1.024Mbit/so 2021年，日本計(jì)劃在日本實(shí)驗(yàn)太空艙JEM UK讓o”上進(jìn)行光通信實(shí)驗(yàn)。實(shí) 驗(yàn)在Kibo和多個(gè)地面接收站之間進(jìn)行，傳輸距離38, 000km,下行速率2. 5Gbit/s0 另外更引人注目的星地激光通信是日本的LUCE計(jì)劃，LUCE通信終端見圖2負(fù)載于 OICETS衛(wèi)星上，LUCE裝載衛(wèi)星的頂端。2021年12月9日實(shí)現(xiàn)了 LUCE終端與Artemis衛(wèi) 星上的終端之間的激光通信。2021年3月，LUCE終端與日本國家信息通信技術(shù)研究所 NICT光學(xué)地面站成功進(jìn)

6、行了雙向激光通信試驗(yàn)，示意圖見圖2。2021年6月7日，LUCE 終端與徳國宇航中心移動(dòng)光學(xué)地面站OGS-OP之間實(shí)現(xiàn)激光通信試驗(yàn)，在國際上首次實(shí)現(xiàn) 低軌衛(wèi)星與光學(xué)地面站的激光通信，日本LUCE計(jì)劃的成功推動(dòng)了星間激光通信技術(shù)的發(fā) 展。 1.1.3美國空間光通信 美國于20世紀(jì)60年代中期就開始實(shí)施空間光通信方面的研究計(jì)劃。美國近年來報(bào)道 的大多是激光通信系統(tǒng)地面大氣傳輸實(shí)驗(yàn)等方面的研究，但一直以來各研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了 大量的星間相干光通信體制的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 2000年，搭載星載光通信終端LCT的衛(wèi)星STRV-2成功發(fā)射，但是由于衛(wèi)星的位置和 姿態(tài)控制精度未在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，沒能與地面站建立光通

7、信鏈路。2021年，美國JPL開始建 造光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室0CTL,該實(shí)驗(yàn)室主要包括一個(gè)lm 口徑的光通信望遠(yuǎn)鏡，用于研究 多種激光在空間傳輸?shù)男阅埽蓪?shí)現(xiàn)與低軌到地球同步軌道光通信終端的光通信。 美國轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星計(jì)劃將在戰(zhàn)時(shí)和和半時(shí)期為國防部創(chuàng)建更寬的帶寬。美國防部已經(jīng) 在新墨西哥州進(jìn)行了概念試驗(yàn)，成功的實(shí)驗(yàn)顯示出太空與地面站、太空與飛機(jī)之間進(jìn)行激 光通信的可能性，隨著結(jié)合激光通信的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星計(jì)劃的出現(xiàn)，美國防部將會(huì)在帶寬方面獲 得大提升。目前衛(wèi)星上操作的帶寬是兒年前的10倍，在配備有寬帶間隙填充儀的先進(jìn) 極高頻衛(wèi)星發(fā)射后，帶寬將擴(kuò)大10借，應(yīng)用激光通信后，帶寬將再次擴(kuò)大10倍。 1.2國內(nèi)發(fā)

8、展現(xiàn)狀 我國在激光通信技術(shù)的研究從“七五”開始，已經(jīng)有了近30年的時(shí)間，已經(jīng)在空間 激光通信領(lǐng)域取得了一定成果，主要集中在大專院校和部分廠所。這些研究主要是針對(duì)某 一特定問題而展開的，從不同的角度研究激光通信。單機(jī)或者單項(xiàng)技術(shù)研究居多，系統(tǒng)層 面以及工程應(yīng)用層面的研究和試驗(yàn)不多，與國外的差距較大。 2衛(wèi)星激光通信組成 衛(wèi)星間激光通信系統(tǒng)主要由發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、光學(xué)分系統(tǒng)、捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)簡 稱ATP分系統(tǒng)和信息處理分系統(tǒng)等組成。如圖3所示。 2. 1夭線分系統(tǒng) 夭線分系統(tǒng)主要由望遠(yuǎn)鏡，濾光片，夭線方位俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，精跟蹤和超前瞄準(zhǔn)快速 反射鏡等設(shè)備組成;主要完成信標(biāo)光和信號(hào)光的發(fā)射，信標(biāo)光和

9、信號(hào)光的接收和濾波等任 務(wù)。夭線發(fā)射部分完成對(duì)發(fā)射激光的準(zhǔn)直和擴(kuò)束，使激光光束按照一定的發(fā)散角發(fā) 射出去。夭線接收部分主要完成對(duì)接收光學(xué)的濾波、光束匯聚至相應(yīng)的探測器上。 2. 2發(fā)射分系統(tǒng) 發(fā)射分系統(tǒng)主要由激光器、調(diào)制器、功率放大器及驅(qū)動(dòng)源等設(shè)備組成，主耍完成信標(biāo) 光產(chǎn)生、信號(hào)光產(chǎn)生、數(shù)據(jù)相干調(diào)制和信號(hào)光功率放大任務(wù)。 在衛(wèi)星間激光鏈路中，光源的設(shè)計(jì)非常重要，它直接影響到天線增益、探測器的靈敏 度、通信距離等參量，本系統(tǒng)選用半導(dǎo)體激光器作為光源，并同時(shí)使用兩只激光器，分別 作為信標(biāo)光源和信號(hào)光源。由不同的激光器產(chǎn)生的信號(hào)光和信標(biāo)光分別經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)后，具 有合適的發(fā)散角，然后通過合束器合成，最后

10、經(jīng)過收發(fā)光學(xué)天線發(fā)射出去。 信標(biāo)激光器用作系統(tǒng)的ATP探測，為便J雙方搜索，減小捕獲時(shí)間，信標(biāo)光源應(yīng)有較 大的光束發(fā)散角，此外，為保證接收端有足夠強(qiáng)的光信號(hào)，對(duì)信標(biāo)光激光器的發(fā)射功率要 求相對(duì)較高。 信號(hào)激光器應(yīng)有較好的光束質(zhì)量和較高的調(diào)制頻率響應(yīng)，為得到較大的輸出功率，選 用半導(dǎo)體激光器+光纖放大器體制。 2. 3接收分系統(tǒng) 接收分系統(tǒng)主要由光電探測器、濾波電路和放大電路等設(shè)備組成，主要完成微弱光信 號(hào)的探測和數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)等任務(wù)。 2. 4 ATP分系統(tǒng) ATP分系統(tǒng)主耍由粗跟蹤單元、精跟蹤單元、中心控制器、超前瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及相關(guān)光 路組成。主要完成對(duì)方信標(biāo)光的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)任務(wù)。由于星間

11、距離較遠(yuǎn)，為了滿足作 用距離，設(shè)計(jì)的信號(hào)光波束極窄。當(dāng)收到對(duì)方信號(hào)時(shí)，目標(biāo)己運(yùn)動(dòng)到接收波束之外。雙方 發(fā)射夭線波束的超前瞄準(zhǔn)功能將克服該現(xiàn)象，確保星地鏈路通信正常。 粗跟蹤單元負(fù)貴在大視場范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤，將目標(biāo)導(dǎo)入 精跟蹤探測器的視場。精跟蹤單元負(fù)責(zé)抑制平臺(tái)帶來的高頻擾動(dòng)，在小視場內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行 精確跟蹤，確保系統(tǒng)視軸指向?qū)Ψ揭晥鲋行?。中心控制器?fù)貴協(xié)調(diào)粗跟蹤單元與精跟蹤單 元之間的工作及測量目標(biāo)角位置、角速度及角加速度等信息。 2. 5信息處理分系統(tǒng) 信息處理分系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換器、延遲鎖定環(huán)、信道譯碼和處理、數(shù)據(jù)組幀和信道 編碼、對(duì)外接口等部分組成;主要完成位同步

12、環(huán)鎖定，信道編譯碼等任務(wù)。 3衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)分析 3. 1捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù) 在星間激光通信中，ATP分系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的快速捕獲并穩(wěn)定跟瞄。由于兩 個(gè)光通信終端相隔距離較遠(yuǎn)、時(shí)刻處移動(dòng)狀態(tài)，為了確保通信成功，要求ATP分系統(tǒng)的 跟瞄精度非常高，因此決定ATP分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是星間激光通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)非常關(guān) 鍵J1難度很大的工程技術(shù)。由于星間激光通信收發(fā)設(shè)備之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以及存在 著角速度和角加速度，與遠(yuǎn)程無線光通信所要求的極窄視場的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)相矛盾。 另外，移動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)調(diào)整，跟蹤狀態(tài)下引入的平臺(tái)姿態(tài)變化和半臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)等均對(duì)窄視 場的穩(wěn)定跟瞄提出了嚴(yán)格的要求。

13、系統(tǒng)信標(biāo)光的發(fā)散角在mrad量級(jí)，而信號(hào)光的發(fā)散角 一般在幾十P rad M級(jí)，解決辦法除了提高對(duì)對(duì)方激光信號(hào)的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)設(shè)備性能 以外，還必須從整體系統(tǒng)角度綜合平衡各個(gè)功能單元的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。比如：1在接收機(jī)中 使用穩(wěn)定的激光器、高透射率的光學(xué)天線，以提高發(fā)射和接收性能。2提高ATP 口身平臺(tái) 穩(wěn)定性能和提高平臺(tái)與設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的重量比值，以改善信號(hào)跟蹤與空間瞄準(zhǔn)精度。3提 高信標(biāo)光引導(dǎo)精度如程序控制引導(dǎo)、增加特殊的信標(biāo)光設(shè)備和其他手段的實(shí)時(shí)引導(dǎo)手段如 微波，以減少目標(biāo)的快速捕獲時(shí)間。4采用提高相對(duì)位置測量精度、降低跟蹤誤差和復(fù)合 精密跟蹤裝置。5采用粗精兩級(jí)復(fù)合軸聯(lián)用方式，以提高跟瞄性能

14、。復(fù)合軸控制技術(shù)能較 大地提高ATP跟瞄的性能。復(fù)合軸控制系統(tǒng)具體可分為以下兒個(gè)部分：粗跟蹤系統(tǒng)完成掃 描、搜索、捕獲目標(biāo)的任務(wù)。粗跟蹤傳感器采用大視場的CCD,控制單元采用DSP作為核 心控制器，實(shí)現(xiàn)控制算法和其他功能控制。絕對(duì)式編碼器構(gòu)成位置反饋和速度反饋，控制 對(duì)象為力矩電機(jī)。精瞄準(zhǔn)系統(tǒng)完成精跟蹤的任務(wù)，精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)由精視場探測器高幀頻CCD, 數(shù)據(jù)控制器、線性高壓功率運(yùn)放及兩維壓電陶瓷模塊組成。 3.2高功率光源和高速調(diào)制技術(shù) 激光通信的需求之一是超高速的數(shù)據(jù)傳輸，因此需要高碼率的調(diào)制技術(shù)。在遠(yuǎn)距離的 衛(wèi)星和衛(wèi)星通信過程中由丁距離較遠(yuǎn)所以需要高功率的激光光源。在國內(nèi)外大都采用極性 相反的

15、圓偏振光同時(shí)傳送和波分復(fù)用技術(shù)增加通信容量，采用激光二極管陣列技術(shù)和使用 摻鉗光纖放大器EDFA技術(shù)來提高激光器的發(fā)射功率。EDFA的工作原理是在石英光纖的纖 芯中摻入三價(jià)稀土金屬鉗元素，這種光纖在泵浦光的激勵(lì)下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，然后在 信號(hào)光的作用下產(chǎn)生受激輻射，放出與信號(hào)光完全相同的光子形成光的放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光 功率的放大。 3.3高靈敏度、髙增益接收技術(shù) 星間激光通信系統(tǒng)中，光接收功率與光信號(hào)傳播距離的平方成反比，因此到達(dá)遠(yuǎn)距離 接收端的光能量是非常微弱的。而噪聲干擾如日光、星光乂相當(dāng)強(qiáng)，對(duì)于大氣層內(nèi)的激光 通信，還會(huì)受到大氣及湍流的影響。為此，除了提高激光器的功率之外，還必須研制高靈

16、 敏度的微光探測器，對(duì)所接收的信號(hào)也要進(jìn)行濾波處理。 目前探測器的研究方向主要是針對(duì)高靈敏度、高增益的雪崩光電二極管探測器APDo APD作為激光接收器件具有高靈敏度、可靠性能高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在無線光通信系統(tǒng)中, QAPD作為跟蹤器件，具有精度高等特點(diǎn)，在空間激光交會(huì)雷達(dá)、空間光通信等領(lǐng)域得到了 較多的應(yīng)用。 由于光接收端機(jī)收到的信號(hào)是十分微弱的，乂加之在高背景噪聲的干擾情況下會(huì)導(dǎo)致 接收端的信噪比S/N降低。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號(hào)，通常采取兩方面的措施: 一是提高接收端機(jī)的靈敏度，使其達(dá)到U W-pW量級(jí);二是對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行處理，如光 信道上采用光窄帶濾波器干涉濾光片或原子濾

17、光器等以抑制背景朵散光的干擾，在電信道 上采用微弱信號(hào)檢測與處理技術(shù)。微光探測可以分為兩種：相干探測和非相干探測。目前 相干探測可以達(dá)到10-11W.非相干探測也可以達(dá)到10-8w的級(jí)別。4結(jié)束語 空間激光通信的發(fā)展趨勢將向網(wǎng)絡(luò)化、小型化、智能化方向發(fā)展，衛(wèi)星激光通信的應(yīng) 用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，將建立GEO-GEO、GEO-LEO. LEO-LEO、LEO-地面等多種形式的激光 通信鏈路。小衛(wèi)星星座的迅猛發(fā)展，使得人們對(duì)小衛(wèi)星星座的星間光通信更加重視，利用 小衛(wèi)星間激光通信實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人移動(dòng)通信將是未來全球個(gè)人通信的發(fā)展趨勢。 空間激光通信特點(diǎn)鮮明，優(yōu)點(diǎn)很多，未來軍民用前景廣闊。但是，作為一種新興

18、通信 模式，空間移動(dòng)光通信在技術(shù)和應(yīng)用上還有不少難點(diǎn)，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)還很多，有必 要加強(qiáng)基礎(chǔ)元器件和關(guān)鍵元器件的研發(fā)投入;有必要加強(qiáng)空間光通信各種應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 和試驗(yàn)驗(yàn)證工作;有必耍加強(qiáng)光通信設(shè)備的衛(wèi)星搭載試驗(yàn)。另外，鑒于國外空間光通信技 術(shù)的成熟，有必要積極借鑒國外的研究成果。以期在不久的將來初步形成我國激光通信的 衛(wèi)星。 參考文獻(xiàn) 1 M.Reyes GarcisTalavera. Ground To Space optical communication characterization J.SPIE Vol 5892： 5892021158920216. 2 3C. Moore H, Burris* etc. Overview of NRLs maritime laser communication test facility EjL SPIE Vol 5892： 5892060158920612. 4Lawrence Robertson. A Multi-Access Laser Space Terminal System for Transformational Conununication R.5Rob