激光通信技術論文

　　激光通信設備具有通信速率高、體積小、重量輕和功耗低等優勢，下面是學習啦小編整理了激光通信技術論文，有興趣的親可以來閱讀一下!

　　激光通信技術論文篇一

　　衛星激光通信技術

　　摘 要：激光通信設備具有通信速率高、體積小、重量輕和功耗低等優勢，廣泛應用在衛星與衛星之間的高速數據傳輸。文章介紹了衛星激光通信技術的特點及系統組成，詳細分析了衛星激光通信的關鍵技術。最后結合國內外衛星激光通信技術的發展現狀和水平，提出了我國大力發展衛星激光通信技術和應用系統的建議。

　　關鍵詞：衛星激光通信;激光通信;數據傳輸

　　引言

　　目前衛星通信主要是微波通信，隨著航天技術應用的逐步深入，微波通信中的頻率資源已經顯得越來越緊張，且經常性出現頻率干擾問題，數據量越來越大，傳統的微波通信已經不能滿足未來航天通信的需求，因此急需開發新的通信手段來彌補未來通信的不足。

　　衛星與衛星之間的無線激光通信是一項嶄新的衛星通信體制，相對于現有的衛通技術而言，具有以下技術特點和優勢：(1)通信速率高，激光通信通信速率能達到10Gbps或者更高。(2)體積小、重量輕、功耗低。(3)不存在頻率干擾問題，由于衛星與衛星之間采用點對點無線激光通信，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。由于衛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，是未來深空高速數據傳輸的理想技術手段。深空探測從環月的幾十萬千米到幾百萬千米(甚至更遠)，對通信頻段提出了更高的要求。

　　1 國內外衛星激光通信發展現狀

　　1.1 國外發展現狀分析

　　20世紀60年代，國際上就開始了空間光通信技術的研究，主要進展如下。

　　1.1.1 歐空局光通信

　　歐洲空間局(ESA)于1986年提出了SILEX計劃，經過幾十年的發展先后進行了低軌道衛星與同步軌道衛星之間、GEO與地面的激光通信實驗(見圖1)。低軌道終端搭載在法國地球觀測衛星SPOT4上，高軌道終端OPALE搭載在ARTEMIS衛星上。兩顆衛星間隔30000km，相對運動速度為7km/s。2001年11月，ESA完成了通過星間鏈路將圖象從SPOT4經由ARTEMIS傳送到地面站的實驗，通信速率為50Mbit/s。

　　德國的TerraSAR-X激光通信終端TerraSAR-X計劃搭載一個激光通信終端(LTC)通信速率為5.625Gbps(24*255Mbps)，可以用來進行星間激光通信(美國的低軌衛星)和星地激光通信，用于實時傳輸合成孔徑雷達上的數據。2008年2月21日，TerraSAR-X衛星與NFIRE衛星成功進行了世界上首次星間相干激光鏈路實驗，鏈路距離3700～4700km、鏈路持續時間50～650s、誤碼率優于10-9、通信數據率高達5.625Gbps，該實驗的成功標志著星間光通信技術的發展向前邁進了一大步。

　　1.1.2 日本空間光通信發展

　　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衛星與美國的大氣觀測衛星實現了雙向激光通信，在相距32000km的情況下通話8分鐘。1995年7月，ETS-VI 衛星成功進行了星地光通信實驗，傳輸距離37800km，傳輸速率1.024Mbit/s。2004年，日本計劃在日本實驗太空艙(JEM)“Kibo”上進行光通信實驗。實驗在Kibo 和多個地面接收站之間進行，傳輸距離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計劃， LUCE通信終端(見圖2)負載于OICETS衛星上，LUCE裝載衛星的頂端。2005年12月9日實現了LUCE 終端與Artemis衛星上的終端之間的激光通信。2006年3月，LUCE 終端與日本國家信息通信技術研究所(NICT) 光學地面站成功進行了雙向激光通信試驗，示意圖見圖2。2006年6月7日，LUCE 終端與德國宇航中心移動光學地面站OGS-OP之間實現激光通信試驗，在國際上首次實現低軌衛星與光學地面站的激光通信，日本LUCE計劃的成功推動了星間激光通信技術的發展。

　　1.1.3 美國空間光通信

　　美國于20世紀60年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃。美國近年來報道的大多是激光通信系統地面大氣傳輸實驗等方面的研究，但一直以來各研究機構也進行了大量的星間相干光通信體制的理論和實驗研究。

　　2000年，搭載星載光通信終端LCT的衛星STRV-2成功發射，但是由于衛星的位置和姿態控制精度未在設計范圍內，沒能與地面站建立光通信鏈路。2003年，美國JPL開始建造光通信望遠鏡實驗室(OCTL)，該實驗室主要包括一個1m口徑的光通信望遠鏡，用于研究多種激光在空間傳輸的性能，可實現與低軌到地球同步軌道光通信終端的光通信。

　　美國轉型通信衛星計劃將在戰時和和平時期為國防部創建更寬的帶寬。美國防部已經在新墨西哥州進行了概念試驗，成功的實驗顯示出太空與地面站、太空與飛機之間進行激光通信的可能性，隨著結合激光通信的轉型衛星計劃的出現，美國防部將會在帶寬方面獲得巨大提升。目前衛星上操作的帶寬是幾年前的10倍，在配備有寬帶間隙填充儀的先進極高頻衛星發射后，帶寬將擴大10倍，應用激光通信后，帶寬將再次擴大10倍。

　　1.2 國內發展現狀

　　我國在激光通信技術的研究從“七五”開始，已經有了近30年的時間，已經在空間激光通信領域取得了一定成果，主要集中在大專院校和部分廠所。這些研究主要是針對某一特定問題而展開的，從不同的角度研究激光通信。單機或者單項技術研究居多，系統層面以及工程應用層面的研究和試驗不多，與國外的差距較大。

　　2 衛星激光通信組成

　　衛星間激光通信系統主要由發射分系統、接收分系統、光學分系統、捕獲跟蹤瞄準(簡稱ATP)分系統和信息處理分系統等組成。如圖3所示。

　　2.1 天線分系統

　　天線分系統主要由望遠鏡，濾光片，天線方位俯仰轉動平臺，精跟蹤和超前瞄準快速反射鏡等設備組成;主要完成信標光和信號光的發射，信標光和信號光的接收和濾波等任務。 　　天線發射部分完成對發射激光的準直和擴束，使激光光束按照一定的發散角發射出去。天線接收部分主要完成對接收光學的濾波、光束匯聚至相應的探測器上。

　　2.2 發射分系統

　　發射分系統主要由激光器、調制器、功率放大器及驅動源等設備組成，主要完成信標光產生、信號光產生、數據相干調制和信號光功率放大任務。

　　在衛星間激光鏈路中，光源的設計非常重要，它直接影響到天線增益、探測器的靈敏度、通信距離等參量，本系統選用半導體激光器作為光源，并同時使用兩只激光器，分別作為信標光源和信號光源。由不同的激光器產生的信號光和信標光分別經準直系統后，具有合適的發散角，然后通過合束器合成，最后經過收發光學天線發射出去。

　　信標激光器用作系統的ATP探測，為便于雙方搜索，減小捕獲時間，信標光源應有較大的光束發散角，此外，為保證接收端有足夠強的光信號，對信標光激光器的發射功率要求相對較高。

　　信號激光器應有較好的光束質量和較高的調制頻率響應，為得到較大的輸出功率，選用半導體激光器+光纖放大器體制。

　　2.3 接收分系統

　　接收分系統主要由光電探測器、濾波電路和放大電路等設備組成，主要完成微弱光信號的探測和數據信號的解調等任務。

　　2.4 ATP分系統

　　ATP分系統主要由粗跟蹤單元、精跟蹤單元、中心控制器、超前瞄準機構以及相關光路組成。主要完成對方信標光的捕獲、跟蹤和瞄準任務。由于星間距離較遠，為了滿足作用距離，設計的信號光波束極窄。當收到對方信號時，目標已運動到接收波束之外。雙方發射天線波束的超前瞄準功能將克服該現象，確保星地鏈路通信正常。

　　粗跟蹤單元負責在大視場范圍內搜索、捕獲目標，并對目標進行粗跟蹤，將目標導入精跟蹤探測器的視場。精跟蹤單元負責抑制平臺帶來的高頻擾動，在小視場內對目標進行精確跟蹤，確保系統視軸指向對方視場中心。中心控制器負責協調粗跟蹤單元與精跟蹤單元之間的工作及測量目標角位置、角速度及角加速度等信息。

　　2.5 信息處理分系統

　　信息處理分系統主要由A/D轉換器、延遲鎖定環、信道譯碼和處理、數據組幀和信道編碼、對外接口等部分組成;主要完成位同步環鎖定，信道編譯碼等任務。

　　3 衛星激光通信的關鍵技術分析

　　3.1 捕獲、跟蹤與瞄準技術

　　在星間激光通信中，ATP分系統的作用是實現對光束的快速捕獲并穩定跟瞄。由于兩個光通信終端相隔距離較遠、時刻處于移動狀態，為了確保通信成功，要求ATP分系統的跟瞄精度非常高，因此決定ATP分系統的設計和實現是星間激光通信系統中的一項非常關鍵且難度很大的工程技術。由于星間激光通信收發設備之間存在相對運動速度，以及存在著角速度和角加速度，與遠程無線光通信所要求的極窄視場的捕獲、跟蹤與瞄準相矛盾。另外，移動平臺的姿態調整，跟蹤狀態下引入的平臺姿態變化和平臺隨機振動等均對窄視場的穩定跟瞄提出了嚴格的要求。系統信標光的發散角在mrad量級，而信號光的發散角一般在幾十μrad量級，解決辦法除了提高對對方激光信號的捕獲、跟蹤、瞄準設備性能以外，還必須從整體系統角度綜合平衡各個功能單元的技戰術指標。比如：(1)在接收機中使用穩定的激光器、高透射率的光學天線，以提高發射和接收性能。(2)提高ATP自身平臺穩定性能和提高平臺與設備轉動裝置的重量比值，以改善信號跟蹤與空間瞄準精度。(3)提高信標光引導精度(如程序控制引導)、增加特殊的信標光設備和其他手段的實時引導手段(如微波)，以減少目標的快速捕獲時間。(4)采用提高相對位置測量精度、降低跟蹤誤差和復合精密跟蹤裝置。(5)采用粗精兩級復合軸聯用方式，以提高跟瞄性能。復合軸控制技術能較大地提高ATP跟瞄的性能。復合軸控制系統具體可分為以下幾個部分：粗跟蹤系統完成掃描、搜索、捕獲目標的任務。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，實現控制算法和其他功能控制。絕對式編碼器構成位置反饋和速度反饋，控制對象為力矩電機。精瞄準系統完成精跟蹤的任務，精瞄準機構由精視場探測器(高幀頻CCD)，數據控制器、線性高壓功率運放及兩維壓電陶瓷模塊組成。

　　3.2 高功率光源和高速調制技術

　　激光通信的需求之一是超高速的數據傳輸，因此需要高碼率的調制技術。在遠距離的衛星和衛星通信過程中由于距離較遠所以需要高功率的激光光源。在國內外大都采用極性相反的圓偏振光同時傳送和波分復用技術增加通信容量，采用激光二極管陣列技術和使用摻鉺光纖放大器(EDFA)技術來提高激光器的發射功率。EDFA的工作原理是在石英光纖的纖芯中摻入三價稀土金屬鉺元素，這種光纖在泵浦光的激勵下形成粒子數反轉分布，然后在信號光的作用下產生受激輻射，放出與信號光完全相同的光子形成光的放大，進而實現光功率的放大。

　　3.3 高靈敏度、高增益接收技術

　　星間激光通信系統中，光接收功率與光信號傳播距離的平方成反比，因此到達遠距離接收端的光能量是非常微弱的。而噪聲干擾如日光、星光又相當強，對于大氣層內的激光通信，還會受到大氣及湍流的影響。為此，除了提高激光器的功率之外，還必須研制高靈敏度的微光探測器，對所接收的信號也要進行濾波處理。

　　目前探測器的研究方向主要是針對高靈敏度、高增益的雪崩光電二極管探測器(APD)。APD作為激光接收器件具有高靈敏度、可靠性能高等特點，廣泛應用在無線光通信系統中，QAPD作為跟蹤器件，具有精度高等特點，在空間激光交會雷達、空間光通信等領域得到了較多的應用。

　　由于光接收端機收到的信號是十分微弱的，又加之在高背景噪聲的干擾情況下會導致接收端的信噪比(S/N)降低。為快速、精確地捕獲目標和接收信號，通常采取兩方面的措施：一是提高接收端機的靈敏度，使其達到μW-pW量級;二是對所接收的信號進行處理，如光信道上采用光窄帶濾波器(干涉濾光片或原子濾光器等)以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上采用微弱信號檢測與處理技術。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到10-11w。非相干探測也可以達到10-8w的級別。 　　4 結束語

　　空間激光通信的發展趨勢將向網絡化、小型化、智能化方向發展，衛星激光通信的應用范圍將進一步擴大，將建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多種形式的激光通信鏈路。小衛星星座的迅猛發展，使得人們對小衛星星座的星間光通信更加重視，利用小衛星間激光通信實現全球個人移動通信將是未來全球個人通信的發展趨勢。

　　空間激光通信特點鮮明，優點很多，未來軍民用前景廣闊。但是，作為一種新興通信模式，空間移動光通信在技術和應用上還有不少難點，需要攻克的關鍵技術還很多，有必要加強基礎元器件和關鍵元器件的研發投入;有必要加強空間光通信各種應用的系統設計和試驗驗證工作;有必要加強光通信設備的衛星搭載試驗。另外，鑒于國外空間光通信技術的成熟，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星。

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　　作者簡介：楊海濤(1968-)，男，漢族，河北省保定市，研究生。

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