空間激光通信技術

2019-11-03 09:14:41

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供稿：網友

王世啟

概述

　空間激光通信是指用激光束作為信息載體進行空間包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信。

激光空間通信與微波空間通信相比，波長比微波波長明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了空間激光通信具有通信容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護經費低等優點。

 １、大通信容量：激光的頻率比微波高３－４個數量級（其相應光頻率在１０１３－１０１７Ｈｚ）作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術可以移植到空間通信中來，目前光纖通信每束波束光波的數據率可達２０Ｇｂ／ｓ以上，并且可采用波分復用技術使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的優勢。

 ２、低功耗：激光的發散角很小，能量高度集中，落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，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。

 ３、體積小、重量輕：由于空間激光通信的能量利用率高，使得發射機及其供電系統的重量減輕；由于激光的波長短，在同樣的發散角和接收視場角要求下，發射和接收望遠鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

　 ４、高度的保密性激光具有高度的定向性，發射波束纖細，激光的發散角通常在毫弧度，這使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾、防竊聽的能力。

　 ５、激光空間通信具有較低的建造經費和維護經費。

技術難點

空間技術的發展和建立全球信息社會的需要，推動著空間光通信技術的進步。空間光通信避開了大氣光信道不穩定性的影響，需要解決的關鍵問題是相對運動光學收、發天線之間的瞄準、接收和跟蹤問題等。

１、空間激光通信鏈路的快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準（ＡＴＰ）技術，是保證空間遠距離光通信的核心技術。

（１）、捕獲（粗跟蹤）系統：激光信標發射的光束很窄，在相距極遠的兩衛星之間，必須保證信標的發射波束覆蓋接收機的接收天線，接收端能夠捕捉跟蹤發射端的窄光束。由于姿態監測控制系統誤差、參照系計算誤差、衛星的騰空浮動和振動以及其它系統誤差的存在，在收發雙方互相對準之后總有一個不確定角。空間捕獲目標的范圍在±１°～±２０°或更大，通常采用ＣＣＤ來實現。

　為了緩解對空間瞄準、捕獲和跟蹤系統苛刻的要求，同時加快通信鏈路建立速度，接收機的視場角一定要寬，為幾個毫弧度，靈敏度為－１１０ｄｂＷ，跟蹤精度為幾十個毫弧度，可這樣接收的背景輻射功率就會迅速上升，掩埋其中的信標信號。解決這一問題的關鍵在于接收機中使用超窄帶寬、高透射率的光學濾波器。

（２）、跟蹤、瞄準（精跟蹤）系統：系統完成目標捕獲后，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，并配以相應的電子學伺服控制系統，精跟蹤要求視場角為幾百微弧度，跟蹤靈敏度為－９０ｄｂＷ，跟蹤精度為幾微弧度。

２、發射機激光器的超高速率調制技術

目前各國空間激光通信實驗的碼率都在１Ｇｂ／ｓ以上，而且不斷提高，為了增大通信容量，在一些方案中采用同一波長的兩路旋向相反的圓偏振光同時傳送，從而使通信容量加倍。在超高速調制的同時又要產生足夠的功率用于廣闊的空間距離傳輸，因此除研究大功率半導體激光器以外，國外還在研究采用激光二極管陣列的方案。

　３、高靈敏度抗干擾的接收機技術

　衛星之間的距離可長達４００００ｋｍ 而激光波束的強度是按距離的平方遞減，也就是說衰減可能達到－１５２ｄＢ。接收機要有超高的靈敏度才行，否則背景輻射等噪聲會使誤碼率達到不可接收的程度。目前除提高檢測器本身靈敏度外，還在探討外差接收、糾錯編碼等途徑。

　４、精密、可靠、高增益的收發天線技術

　為完成系統的雙向互逆跟蹤，光通信系統采用收發合一天線，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，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學元件總體結構緊湊、輕巧、穩定可靠。國際上現有系統的天線口徑一般為幾厘米至２５厘米。

　５、衛星與地面之間的傳輸

　空間數據通信網最終還是要與地面連接 若衛星與地面之間不能采用激光通信和衛星之間的高碼率匹配 衛星－－地面鏈路將成為全球通信中的制約環節。在大氣傳輸中激光會受到散射、折射、背景輻射等多種因素的影響，除衰減大大增強之外，波前畸變、強度抖動、多徑、云層遮斷等現象均可發生，這些不利因素使通信距離急劇下降，使光信號受到嚴重的干擾，甚至脫靶。如何保證隨機信道條件下系統正常工作是十分重要的。

目前除選擇氣候合適的地區之外，還采用光波與毫米波組成聯合通信網絡，經數據處理與壓縮后用微波與地面通信，光波與毫米波信息間的交換是鏈路的關鍵問題之一。

　６、網絡控制技術

　空間激光通信的協議和控制包括從低層的調制激光束的編碼和同步、失效鏈路檢測、設計合適的數據鏈路協議以及到高層的鏈路建立、信息的包傳送、擁塞防護、全球兼容等各種問題。

影響

　衛星激光通信的出現是現代信息社會對大容量、長距離、低成本通信的需求的必然結果，而它的優點也表明了衛星激光通信能夠承擔此重任。

----《通信世界報》