激光通信技術(shù)論文
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，下面是學習啦小編整理了激光通信技術(shù)論文，有興趣的親可以來閱讀一下!
激光通信技術(shù)論文篇一
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)的特點及系統(tǒng)組成，詳細分析了衛(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)狀和水平，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，隨著航天技術(shù)應(yīng)用的逐步深入，微波通信中的頻率資源已經(jīng)顯得越來越緊張，且經(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)不能滿足未來航天通信的需求，因此急需開發(fā)新的通信手段來彌補未來通信的不足。
衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的無線激光通信是一項嶄新的衛(wèi)星通信體制，相對于現(xiàn)有的衛(wèi)通技術(shù)而言，具有以下技術(shù)特點和優(yōu)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(wèi)星與衛(wèi)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(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，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(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60年代，國際上就開始了空間光通信技術(shù)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(jīng)過幾十年的發(fā)展先后進行了低軌道衛(wèi)星與同步軌道衛(wèi)星之間、GEO與地面的激光通信實驗(見圖1)。低軌道終端搭載在法國地球觀測衛(wèi)星SPOT4上，高軌道終端OPALE搭載在ARTEMIS衛(wèi)星上。兩顆衛(wèi)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(jīng)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(wèi)星)和星地激光通信，用于實時傳輸合成孔徑雷達上的數(shù)據(jù)。2008年2月21日，TerraSAR-X衛(wèi)星與NFIRE衛(wèi)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(xù)時間50～650s、誤碼率優(yōu)于10-9、通信數(shù)據(jù)率高達5.625Gbps，該實驗的成功標志著星間光通信技術(shù)的發(fā)展向前邁進了一大步。
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)星實現(xiàn)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(wèi)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(wèi)星上，LUCE裝載衛(wèi)星的頂端。2005年12月9日實現(xiàn)了LUCE 終端與Artemis衛(wèi)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(shù)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(xiàn)激光通信試驗，在國際上首次實現(xiàn)低軌衛(wèi)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(shù)的發(fā)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(tǒng)地面大氣傳輸實驗等方面的研究，但一直以來各研究機構(gòu)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(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)計范圍內(nèi)，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?shù)男阅?，可實現(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)星計劃將在戰(zhàn)時和和平時期為國防部創(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(jié)合激光通信的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星計劃的出現(xiàn)，美國防部將會在帶寬方面獲得巨大提升。目前衛(wèi)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(wèi)星發(fā)射后，帶寬將擴大10倍，應(yīng)用激光通信后，帶寬將再次擴大10倍。
1.2 國內(nèi)發(fā)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(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)、光學分系統(tǒng)、捕獲跟蹤瞄準(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 天線分系統(tǒng)
天線分系統(tǒng)主要由望遠鏡，濾光片，天線方位俯仰轉(zhuǎn)動平臺，精跟蹤和超前瞄準快速反射鏡等設(shè)備組成;主要完成信標光和信號光的發(fā)射，信標光和信號光的接收和濾波等任務(wù)。 天線發(fā)射部分完成對發(fā)射激光的準直和擴束，使激光光束按照一定的發(fā)散角發(fā)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(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)動源等設(shè)備組成，主要完成信標光產(chǎn)生、信號光產(chǎn)生、數(shù)據(jù)相干調(diào)制和信號光功率放大任務(wù)。
在衛(wèi)星間激光鏈路中，光源的設(shè)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(tǒng)選用半導(dǎo)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(chǎn)生的信號光和信標光分別經(jīng)準直系統(tǒng)后，具有合適的發(fā)散角，然后通過合束器合成，最后經(jīng)過收發(fā)光學天線發(fā)射出去。
信標激光器用作系統(tǒng)的ATP探測，為便于雙方搜索，減小捕獲時間，信標光源應(yīng)有較大的光束發(fā)散角，此外，為保證接收端有足夠強的光信號，對信標光激光器的發(fā)射功率要求相對較高。
信號激光器應(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的探測和數(shù)據(jù)信號的解調(diào)等任務(wù)。
2.4 ATP分系統(tǒng)
ATP分系統(tǒng)主要由粗跟蹤單元、精跟蹤單元、中心控制器、超前瞄準機構(gòu)以及相關(guān)光路組成。主要完成對方信標光的捕獲、跟蹤和瞄準任務(wù)。由于星間距離較遠，為了滿足作用距離，設(shè)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(fā)射天線波束的超前瞄準功能將克服該現(xiàn)象，確保星地鏈路通信正常。
粗跟蹤單元負責在大視場范圍內(nèi)搜索、捕獲目標，并對目標進行粗跟蹤，將目標導(dǎo)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(nèi)對目標進行精確跟蹤，確保系統(tǒng)視軸指向?qū)Ψ揭晥鲋行摹Ｖ行目刂破髫撠焻f(xié)調(diào)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(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、對外接口等部分組成;主要完成位同步環(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、跟蹤與瞄準技術(shù)
在星間激光通信中，ATP分系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)對光束的快速捕獲并穩(wěn)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(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)計和實現(xiàn)是星間激光通信系統(tǒng)中的一項非常關(guān)鍵且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(tài)調(diào)整，跟蹤狀態(tài)下引入的平臺姿態(tài)變化和平臺隨機振動等均對窄視場的穩(wěn)定跟瞄提出了嚴格的要求。系統(tǒng)信標光的發(fā)散角在mrad量級，而信號光的發(fā)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(shè)備性能以外，還必須從整體系統(tǒng)角度綜合平衡各個功能單元的技戰(zhàn)術(shù)指標。比如：(1)在接收機中使用穩(wěn)定的激光器、高透射率的光學天線，以提高發(fā)射和接收性能。(2)提高ATP自身平臺穩(wěn)定性能和提高平臺與設(shè)備轉(zhuǎn)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(dǎo)精度(如程序控制引導(dǎo))、增加特殊的信標光設(shè)備和其他手段的實時引導(dǎo)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(fù)合精密跟蹤裝置。(5)采用粗精兩級復(fù)合軸聯(lián)用方式，以提高跟瞄性能。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)具體可分為以下幾個部分：粗跟蹤系統(tǒng)完成掃描、搜索、捕獲目標的任務(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，實現(xiàn)控制算法和其他功能控制。絕對式編碼器構(gòu)成位置反饋和速度反饋，控制對象為力矩電機。精瞄準系統(tǒng)完成精跟蹤的任務(wù)，精瞄準機構(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)。在遠距離的衛(wèi)星和衛(wèi)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(nèi)外大都采用極性相反的圓偏振光同時傳送和波分復(fù)用技術(shù)增加通信容量，采用激光二極管陣列技術(shù)和使用摻鉺光纖放大器(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稀土金屬鉺元素，這種光纖在泵浦光的激勵下形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，然后在信號光的作用下產(chǎn)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(xiàn)光功率的放大。
3.3 高靈敏度、高增益接收技術(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(nèi)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(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，在空間激光交會雷達、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(dǎo)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(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到10-11w。非相干探測也可以達到10-8w的級別。 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(wèi)星星座的迅猛發(fā)展，使得人們對小衛(wèi)星星座的星間光通信更加重視，利用小衛(wèi)星間激光通信實現(xiàn)全球個人移動通信將是未來全球個人通信的發(fā)展趨勢。
空間激光通信特點鮮明，優(yōu)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(shù)和應(yīng)用上還有不少難點，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)還很多，有必要加強基礎(chǔ)元器件和關(guān)鍵元器件的研發(fā)投入;有必要加強空間光通信各種應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計和試驗驗證工作;有必要加強光通信設(shè)備的衛(wèi)星搭載試驗。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。
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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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