【激光通信技术论文】激光通信技术
激光通信设备具有通信速率高、体积小、重量轻和功耗低等优势，下面是我整理了激光通信技术论文，有兴趣的亲可以来阅读一下!
激光通信技术论文篇一
卫星激光通信技术
摘 要：激光通信设备具有通信速率高、体积小、重量轻和功耗低等优势，广泛应用在卫星与卫星之间的高速数据传输。文章介绍了卫星激光通信技术的特点及系统组成，详细分析了卫星激光通信的关键技术。最后结合国内外卫星激光通信技术的发展现状和水平，提出了我国大力发展卫星激光通信技术和应用系统的建议。
关键词：卫星激光通信;激光通信;数据传输
引言
目前卫星通信主要是微波通信，随着航天技术应用的逐步深入，微波通信中的频率资源已经显得越来越紧张，且经常性出现频率干扰问题，数据量越来越大，传统的微波通信已经不能满足未来航天通信的需求，因此急需开发新的通信手段来弥补未来通信的不足。
卫星与卫星之间的无线激光通信是一项崭新的卫星通信体制，相对于现有的卫通技术而言，具有以下技术特点和优势：(1)通信速率高，激光通信通信速率能达到10Gbps或者更高。(2)体积小、重量轻、功耗低。(3)不存在频率干扰问题，由于卫星与卫星之间采用点对点无线激光通信，因此基本上不存在干扰问题。(4)隐蔽通信和抗干扰能力更强。由于卫星激光通信具有极窄的束散角，不容易被侦察和被干扰。(5)作用距离更远，是未来深空高速数据传输的理想技术手段。深空探测从环月的几十万千米到几百万千米(甚至更远)，对通信频段提出了更高的要求。
1 国内外卫星激光通信发展现状
1.1 国外发展现状分析
20世纪60年代，国际上就开始了空间光通信技术的研究，主要进展如下。
1.1.1 欧空局光通信
欧洲空间局(ESA)于1986年提出了SILEX计划，经过几十年的发展先后进行了低轨道卫星与同步轨道卫星之间、GEO与地面的激光通信实验(见图1)。低轨道终端搭载在法国地球观测卫星SPOT4上，高轨道终端OPALE搭载在ARTEMIS卫星上。两颗卫星间隔30000km，相对运动速度为7km/s。2001年11月，ESA完成了通过星间链路将图象从SPOT4经由ARTEMIS传送到地面站的实验，通信速率为50Mbit/s。
德国的TerraSAR-X激光通信终端TerraSAR-X计划搭载一个激光通信终端(LTC)通信速率为5.625Gbps(24*255Mbps)，可以用来进行星间激光通信(美国的低轨卫星)和星地激光通信，用于实时传输合成孔径雷达上的数据。2008年2月21日，TerraSAR-X卫星与NFIRE卫星成功进行了世界上首次星间相干激光链路实验，链路距离3700～4700km、链路持续时间50～650s、误码率优于10-9、通信数据率高达5.625Gbps，该实验的成功标志着星间光通信技术的发展向前迈进了一大步。
1.1.2 日本空间光通信发展
日本从80年代中期就开始星间激光通信的研究工作。1995年6月，日本的ETS-VI卫星与美国的大气观测卫星实现了双向激光通信，在相距32000km的情况下通话8分钟。1995年7月，ETS-VI 卫星成功进行了星地光通信实验，传输距离37800km，传输速率1.024Mbit/s。2004年，日本计划在日本实验太空舱(JEM)“Kibo”上进行光通信实验。实验在Kibo 和多个地面接收站之间进行，传输距离38，000km，下行速率2.5Gbit/s。
另外更引人注目的星地激光通信是日本的LUCE计划， LUCE通信终端(见图2)负载于OICETS卫星上，LUCE装载卫星的顶端。2005年12月9日实现了LUCE 终端与Artemis卫星上的终端之间的激光通信。2006年3月，LUCE 终端与日本国家信息通信技术研究所(NICT) 光学地面站成功进行了双向激光通信试验，示意图见图2。2006年6月7日，LUCE 终端与德国宇航中心移动光学地面站OGS-OP之间实现激光通信试验，在国际上首次实现低轨卫星与光学地面站的激光通信，日本LUCE计划的成功推动了星间激光通信技术的发展。
1.1.3 美国空间光通信
美国于20世纪60年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划。美国近年来报道的大多是激光通信系统地面大气传输实验等方面的研究，但一直以来各研究机构也进行了大量的星间相干光通信体制的理论和实验研究。
2000年，搭载星载光通信终端LCT的卫星STRV-2成功发射，但是由于卫星的位置和姿态控制精度未在设计范围内，没能与地面站建立光通信链路。2003年，美国JPL开始建造光通信望远镜实验室(OCTL)，该实验室主要包括一个1m口径的光通信望远镜，用于研究多种激光在空间传输的性能，可实现与低轨到地球同步轨道光通信终端的光通信。
美国转型通信卫星计划将在战时和和平时期为国防部创建更宽的带宽。美国防部已经在新墨西哥州进行了概念试验，成功的实验显示出太空与地面站、太空与飞机之间进行激光通信的可能性，随着结合激光通信的转型卫星计划的出现，美国防部将会在带宽方面获得巨大提升。目前卫星上操作的带宽是几年前的10倍，在配备有宽带间隙填充仪的先进极高频卫星发射后，带宽将扩大10倍，应用激光通信后，带宽将再次扩大10倍。
1.2 国内发展现状
我国在激光通信技术的研究从“七五”开始，已经有了近30年的时间，已经在空间激光通信领域取得了一定成果，主要集中在大专院校和部分厂所。这些研究主要是针对某一特定问题而展开的，从不同的角度研究激光通信。单机或者单项技术研究居多，系统层面以及工程应用层面的研究和试验不多，与国外的差距较大。
2 卫星激光通信组成
卫星间激光通信系统主要由发射分系统、接收分系统、光学分系统、捕获跟踪瞄准(简称ATP)分系统和信息处理分系统等组成。如图3所示。
2.1 天线分系统
天线分系统主要由望远镜，滤光片，天线方位俯仰转动平台，精跟踪和超前瞄准快速反射镜等设备组成;主要完成信标光和信号光的发射，信标光和信号光的接收和滤波等任务。 天线发射部分完成对发射激光的准直和扩束，使激光光束按照一定的发散角发射出去。天线接收部分主要完成对接收光学的滤波、光束汇聚至相应的探测器上。
2.2 发射分系统
发射分系统主要由激光器、调制器、功率放大器及驱动源等设备组成，主要完成信标光产生、信号光产生、数据相干调制和信号光功率放大任务。
在卫星间激光链路中，光源的设计非常重要，它直接影响到天线增益、探测器的灵敏度、通信距离等参量，本系统选用半导体激光器作为光源，并同时使用两只激光器，分别作为信标光源和信号光源。由不同的激光器产生的信号光和信标光分别经准直系统后，具有合适的发散角，然后通过合束器合成，最后经过收发光学天线发射出去。
信标激光器用作系统的ATP探测，为便于双方搜索，减小捕获时间，信标光源应有较大的光束发散角，此外，为保证接收端有足够强的光信号，对信标光激光器的发射功率要求相对较高。
信号激光器应有较好的光束质量和较高的调制频率响应，为得到较大的输出功率，选用半导体激光器+光纤放大器体制。
2.3 接收分系统
接收分系统主要由光电探测器、滤波电路和放大电路等设备组成，主要完成微弱光信号的探测和数据信号的解调等任务。
2.4 ATP分系统
ATP分系统主要由粗跟踪单元、精跟踪单元、中心控制器、超前瞄准机构以及相关光路组成。主要完成对方信标光的捕获、跟踪和瞄准任务。由于星间距离较远，为了满足作用距离，设计的信号光波束极窄。当收到对方信号时，目标已运动到接收波束之外。双方发射天线波束的超前瞄准功能将克服该现象，确保星地链路通信正常。
粗跟踪单元负责在大视场范围内搜索、捕获目标，并对目标进行粗跟踪，将目标导入精跟踪探测器的视场。精跟踪单元负责抑制平台带来的高频扰动，在小视场内对目标进行精确跟踪，确保系统视轴指向对方视场中心。中心控制器负责协调粗跟踪单元与精跟踪单元之间的工作及测量目标角位置、角速度及角加速度等信息。
2.5 信息处理分系统
信息处理分系统主要由A/D转换器、延迟锁定环、信道译码和处理、数据组帧和信道编码、对外接口等部分组成;主要完成位同步环锁定，信道编译码等任务。
3 卫星激光通信的关键技术分析
3.1 捕获、跟踪与瞄准技术
在星间激光通信中，ATP分系统的作用是实现对光束的快速捕获并稳定跟瞄。由于两个光通信终端相隔距离较远、时刻处于移动状态，为了确保通信成功，要求ATP分系统的跟瞄精度非常高，因此决定ATP分系统的设计和实现是星间激光通信系统中的一项非常关键且难度很大的工程技术。由于星间激光通信收发设备之间存在相对运动速度，以及存在着角速度和角加速度，与远程无线光通信所要求的极窄视场的捕获、跟踪与瞄准相矛盾。另外，移动平台的姿态调整，跟踪状态下引入的平台姿态变化和平台随机振动等均对窄视场的稳定跟瞄提出了严格的要求。系统信标光的发散角在mrad量级，而信号光的发散角一般在几十μrad量级，解决办法除了提高对对方激光信号的捕获、跟踪、瞄准设备性能以外，还必须从整体系统角度综合平衡各个功能单元的技战术指标。比如：(1)在接收机中使用稳定的激光器、高透射率的光学天线，以提高发射和接收性能。(2)提高ATP自身平台稳定性能和提高平台与设备转动装置的重量比值，以改善信号跟踪与空间瞄准精度。(3)提高信标光引导精度(如程序控制引导)、增加特殊的信标光设备和其他手段的实时引导手段(如微波)，以减少目标的快速捕获时间。(4)采用提高相对位置测量精度、降低跟踪误差和复合精密跟踪装置。(5)采用粗精两级复合轴联用方式，以提高跟瞄性能。复合轴控制技术能较大地提高ATP跟瞄的性能。复合轴控制系统具体可分为以下几个部分：粗跟踪系统完成扫描、搜索、捕获目标的任务。粗跟踪传感器采用大视场的CCD，控制单元采用DSP作为核心控制器，实现控制算法和其他功能控制。绝对式编码器构成位置反馈和速度反馈，控制对象为力矩电机。精瞄准系统完成精跟踪的任务，精瞄准机构由精视场探测器(高帧频CCD)，数据控制器、线性高压功率运放及两维压电陶瓷模块组成。
3.2 高功率光源和高速调制技术
激光通信的需求之一是超高速的数据传输，因此需要高码率的调制技术。在远距离的卫星和卫星通信过程中由于距离较远所以需要高功率的激光光源。在国内外大都采用极性相反的圆偏振光同时传送和波分复用技术增加通信容量，采用激光二极管阵列技术和使用掺铒光纤放大器(EDFA)技术来提高激光器的发射功率。EDFA的工作原理是在石英光纤的纤芯中掺入三价稀土金属铒元素，这种光纤在泵浦光的激励下形成粒子数反转分布，然后在信号光的作用下产生受激辐射，放出与信号光完全相同的光子形成光的放大，进而实现光功率的放大。
3.3 高灵敏度、高增益接收技术
星间激光通信系统中，光接收功率与光信号传播距离的平方成反比，因此到达远距离接收端的光能量是非常微弱的。而噪声干扰如日光、星光又相当强，对于大气层内的激光通信，还会受到大气及湍流的影响。为此，除了提高激光器的功率之外，还必须研制高灵敏度的微光探测器，对所接收的信号也要进行滤波处理。
目前探测器的研究方向主要是针对高灵敏度、高增益的雪崩光电二极管探测器(APD)。APD作为激光接收器件具有高灵敏度、可靠性能高等特点，广泛应用在无线光通信系统中，QAPD作为跟踪器件，具有精度高等特点，在空间激光交会雷达、空间光通信等领域得到了较多的应用。
由于光接收端机收到的信号是十分微弱的，又加之在高背景噪声的干扰情况下会导致接收端的信噪比(S/N)降低。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，使其达到μW-pW量级;二是对所接收的信号进行处理，如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，在电信道上采用微弱信号检测与处理技术。微光探测可以分为两种：相干探测和非相干探测。目前相干探测可以达到10-11w。非相干探测也可以达到10-8w的级别。 4 结束语
空间激光通信的发展趋势将向网络化、小型化、智能化方向发展，卫星激光通信的应用范围将进一步扩大，将建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多种形式的激光通信链路。小卫星星座的迅猛发展，使得人们对小卫星星座的星间光通信更加重视，利用小卫星间激光通信实现全球个人移动通信将是未来全球个人通信的发展趋势。
空间激光通信特点鲜明，优点很多，未来军民用前景广阔。但是，作为一种新兴通信模式，空间移动光通信在技术和应用上还有不少难点，需要攻克的关键技术还很多，有必要加强基础元器件和关键元器件的研发投入;有必要加强空间光通信各种应用的系统设计和试验验证工作;有必要加强光通信设备的卫星搭载试验。另外，鉴于国外空间光通信技术的成熟，有必要积极借鉴国外的研究成果。以期在不久的将来初步形成我国激光通信的卫星。
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作者简介：杨海涛(1968-)，男，汉族，河北省保定市，研究生。
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