第9章星際激光通信

光通信原理與技術(shù)第9章星間激光通信衛(wèi)星激光通信——優(yōu)勢(shì)的結(jié)合利用光載波極高的頻率可達(dá)成巨大的通信容量利用光器件體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)可顯著降低衛(wèi)星質(zhì)量利用光波波長(zhǎng)短的優(yōu)點(diǎn)可減小天線口徑，提高衛(wèi)星有效載荷利用衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)可方便地實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和移動(dòng)性衛(wèi)星光通信鏈路分類星間鏈路ISLIOL星地鏈路9.3.1主要問題及對(duì)策主要問題共性問題損耗通信光束的對(duì)準(zhǔn)、捕捉和跟蹤背景噪聲多譜勒頻移星地光通信面臨的問題大氣信道衰減/湍流損耗自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長(zhǎng)的平方成反比星間距離通常在數(shù)千到數(shù)萬(wàn)公里自由空間損耗在250dB以上光學(xué)天線----解決損耗問題天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長(zhǎng)的平方成反比光波波長(zhǎng)在m數(shù)量級(jí)，小口徑天線即可獲得巨大增益工作波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，20cm口徑的天線即可實(shí)現(xiàn)110dB以上的增益發(fā)散角問題圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長(zhǎng)成正比，與天線口徑成反比

20cm口徑的天線工作在1550nm波長(zhǎng)時(shí)，其3dB光束發(fā)散角僅為7.9

rad

開環(huán)方式基本上不可能實(shí)現(xiàn)通信雙方光束的對(duì)準(zhǔn)PAT子系統(tǒng)----解決對(duì)準(zhǔn)問題瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤（PAT）子系統(tǒng)瞄準(zhǔn)----天線指向捕獲----實(shí)現(xiàn)通信光束的對(duì)準(zhǔn)跟蹤----吸收衛(wèi)星機(jī)械振動(dòng)引起的光束偏移廣譜宇宙噪聲幾種常用光電檢測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)特性光學(xué)濾波器----解決背噪問題光電檢測(cè)前，在光域?qū)π盘?hào)進(jìn)行窄帶濾波，僅讓特定波段的信號(hào)光通過，從而大大減少背景光產(chǎn)生的噪聲光電流光學(xué)濾波技術(shù)成熟，大量應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)閃耀光柵多層介質(zhì)薄膜陣列波導(dǎo)干涉型光纖光柵型多普勒頻移光載波頻移大?。篒OL鏈路存在此問題影響GEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化范圍約0.08nmvq光源觀察者光源運(yùn)動(dòng)方向光傳播方向大氣信道大氣效應(yīng)大氣吸收大氣散射大氣湍流對(duì)光束的影響衰減多徑色散到達(dá)角起伏閃爍選擇工作波長(zhǎng)避開大氣高損耗波長(zhǎng)AO----部分解決大氣湍流問題自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)，在天文觀察領(lǐng)域提出，用于改善大氣湍流條件下的天體成像質(zhì)量AO主要改善光束聚焦質(zhì)量，在通信中可抑制光電檢測(cè)器上光斑的功率波動(dòng)，提高接收性能9.3.2衛(wèi)星光通信系統(tǒng)總體功能框圖調(diào)制器信號(hào)光源光電檢測(cè)誤差檢測(cè)誤差信號(hào)處理伺服機(jī)械合束器分束器精瞄跟蹤裝置光學(xué)收發(fā)天線粗瞄裝置信標(biāo)信號(hào)信標(biāo)光源接收機(jī)光學(xué)天線平臺(tái)發(fā)射光束接收光束信息數(shù)據(jù)輸入輸出控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成光學(xué)天線子系統(tǒng)PAT子系統(tǒng)光波調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)光學(xué)天線子系統(tǒng)星間激光通信中，光學(xué)天線的作用十分重要，主要表現(xiàn)在兩方面：在發(fā)送端對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，增大激光束的束腰半徑，可以有效的壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對(duì)光源的光發(fā)射功率要求在接收端增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，可充分提高光接收機(jī)的信噪比，延伸系統(tǒng)的通信距離光學(xué)天線類型常見類型折射式天線伽利略式開普勒式反射式天線單反射面雙（多）反射面折反射組合式天線幾種雙反射面光學(xué)天線牛頓式光學(xué)天線的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側(cè)方卡塞格倫式光學(xué)天線的副鏡面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，內(nèi)側(cè)焦點(diǎn)與主鏡焦點(diǎn)重合，成像于主鏡后方的外側(cè)焦點(diǎn)處格雷果里式光學(xué)天線的副鏡面為旋轉(zhuǎn)橢圓面，近側(cè)焦點(diǎn)與主鏡焦點(diǎn)重合，成像于主鏡后方的遠(yuǎn)側(cè)焦點(diǎn)處牛頓式卡塞格倫式格雷果里式卡塞格倫天線----常見選擇優(yōu)點(diǎn)沒有實(shí)焦點(diǎn)重量輕光路設(shè)計(jì)方便MNF1F2饋源2b2aPAT子系統(tǒng)光學(xué)天線發(fā)送光束接收光束光發(fā)送機(jī)光束方向驅(qū)動(dòng)功能單元光接收機(jī)開環(huán)瞄準(zhǔn)功能單元跟蹤功能單元捕獲功能單元信標(biāo)光源PAT工作流程開環(huán)瞄準(zhǔn)捕獲掃描誤差檢測(cè)天線方向調(diào)整跟蹤誤差檢測(cè)光束方向微調(diào)掃描方式單方掃描（Stare—Scan）光束掃描FOV掃描雙方掃描（Scan—Scan）掃描過程主動(dòng)方按完善的掃描策略計(jì)算出若干掃描點(diǎn)，確保在某掃描點(diǎn)上發(fā)送光束一定可以覆蓋被動(dòng)方；主動(dòng)方驅(qū)動(dòng)天線逐一瞄準(zhǔn)各個(gè)掃描點(diǎn)，并在每個(gè)掃描點(diǎn)作一定時(shí)間的駐留；在某掃描點(diǎn)上主動(dòng)方發(fā)送光束出現(xiàn)在被動(dòng)方的FOV中（因?yàn)楸粍?dòng)方有足夠大的FOV，因此在其未實(shí)現(xiàn)天線精確對(duì)準(zhǔn)的情況下，也能在FOV中捕獲到主動(dòng)方投射來的發(fā)送光束）；在主動(dòng)方于該掃描點(diǎn)上駐留的時(shí)間內(nèi)，被動(dòng)方衛(wèi)星根據(jù)FOV中主動(dòng)方出現(xiàn)的位置計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)誤差，并進(jìn)一步計(jì)算出糾正數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)本方天線實(shí)現(xiàn)精確接收對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了本方發(fā)送光束到主動(dòng)方的對(duì)準(zhǔn)；被動(dòng)方出現(xiàn)在主動(dòng)方的接收FOV中，主動(dòng)方計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)誤差和糾正數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，停止掃描。掃描過程完成。掃描策略誤差檢測(cè)部件4QD光束方向調(diào)整部件快速傾斜鏡（FSM）目前：快速調(diào)整跟蹤以吸收衛(wèi)星振動(dòng)IAIDIBICxyPAT典型光路二軸反射鏡天線方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CCD信標(biāo)光源半反鏡卡塞格倫光學(xué)天線誤差計(jì)算開環(huán)瞄準(zhǔn)衛(wèi)星狀態(tài)信息掃描控制跟蹤反射鏡跟蹤驅(qū)動(dòng)誤差計(jì)算QD光學(xué)濾波片捕獲跟蹤控制APD光束準(zhǔn)直LD跟蹤殘差0-2002000-30300-6080AO子系統(tǒng)波前探測(cè)器透鏡陣列CCD陣列單個(gè)透鏡成像H-S波前傳感器AO對(duì)接收性能的改善0.01.0時(shí)間（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）無AO0-10有AO調(diào)制/解調(diào)子系統(tǒng)光強(qiáng)調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調(diào)制（PPM）單脈沖PPM差分PPM多脈沖PPM9.3.3典型系統(tǒng)簡(jiǎn)介SILEXSILEX：Semiconductor-laserInter-satelliteLinkEXperiment，半導(dǎo)體激光星間鏈路實(shí)驗(yàn)ESA于80年代后期確立的星間激光通信計(jì)劃1994年通過設(shè)備級(jí)方案評(píng)審1996年進(jìn)行子系統(tǒng)的性能測(cè)試1998年3月22日LEO衛(wèi)星發(fā)射2001年7月12日GEO衛(wèi)星發(fā)射2001年11月22日實(shí)現(xiàn)星間激光通信SILEX示意圖ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波對(duì)地鏈路SILEX工作參數(shù)設(shè)計(jì)傳輸距離45000km，上行速率50Mbps，下行速率2Mbps通信子系統(tǒng)采用IM/DD方案發(fā)送端光源使用GaAlAs半導(dǎo)體激光器，GEO發(fā)送波長(zhǎng)819nm，LEO發(fā)送波長(zhǎng)847nm，平均輸出功率60mW接收端使用Si-APD作為光電檢測(cè)器，探測(cè)能力近100光子每bit光學(xué)天線為卡塞格倫式，口徑25cm，壓縮后光束發(fā)散角為8rad，接收端接收視場(chǎng)約75rad信標(biāo)光源總功率超過8W，光束發(fā)散角為700rad開環(huán)瞄準(zhǔn)精度8mrad，粗瞄時(shí)光學(xué)天線平臺(tái)整體轉(zhuǎn)動(dòng)，精瞄