鐳射通訊技術論文
鐳射通訊裝置具有通訊速率高、體積小、重量輕和功耗低等優勢，下面是小編整理了，有興趣的親可以來閱讀一下!
篇一
衛星鐳射通訊技術
摘 要：鐳射通訊裝置具有通訊速率高、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資料傳輸。文章介紹了衛星鐳射通訊技術的特點及系統組成，詳細分析了衛星鐳射通訊的關鍵技術。最後結合國內外衛星鐳射通訊技術的發展現狀和水平，提出了我國大力發展衛星鐳射通訊技術和應用系統的建議。
關鍵詞：衛星鐳射通訊;鐳射通訊;資料傳輸
引言
目前衛星通訊主要是微波通訊，隨著航天技術應用的逐步深入，微波通訊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，資料量越來越大，傳統的微波通訊已經不能滿足未來航天通訊的需求，因此急需開發新的通訊手段來彌補未來通訊的不足。
衛星與衛星之間的無線鐳射通訊是一項嶄新的衛星通訊體制，相對於現有的衛通技術而言，具有以下技術特點和優勢：***1***通訊速率高，鐳射通訊通訊速率能達到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，由於衛星與衛星之間採用點對點無線鐳射通訊，因此基本上不存在干擾問題。***4***隱蔽通訊和抗干擾能力更強。由於衛星鐳射通訊具有極窄的束散角，不容易被偵察和被幹擾。***5***作用距離更遠，是未來深空高速資料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***，對通訊頻段提出了更高的要求。
1 國內外衛星鐳射通訊發展現狀
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訊技術的研究，主要進展如下。
1.1.1 歐空局光通訊
歐洲空間局***ESA***於1986年提出了SILEX計劃，經過幾十年的發展先後進行了低軌道衛星與同步軌道衛星之間、GEO與地面的鐳射通訊實驗***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，通訊速率為50Mbit/s。
德國的TerraSAR-X鐳射通訊終端TerraSAR-X計劃搭載一個鐳射通訊終端***LTC***通訊速率為5.625Gbps***24*255Mbps***，可以用來進行星間鐳射通訊***美國的低軌衛星***和星地鐳射通訊，用於實時傳輸合成孔徑雷達上的資料。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鐳射鏈路實驗，鏈路距離3700～4700km、鏈路持續時間50～650s、誤位元速率優於10-9、通訊資料率高達5.625Gbps，該實驗的成功標誌著星間光通訊技術的發展向前邁進了一大步。
1.1.2 日本空間光通訊發展
日本從80年代中期就開始星間鐳射通訊的研究工作。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鐳射通訊，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訊實驗，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”上進行光通訊實驗。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鐳射通訊是日本的LUCE計劃， LUCE通訊終端***見圖2***負載於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鐳射通訊。2006年3月，LUCE 終端與日本國家資訊通訊技術研究所***NICT*** 光學地面站成功進行了雙向鐳射通訊試驗，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之間實現鐳射通訊試驗，在國際上首次實現低軌衛星與光學地面站的鐳射通訊，日本LUCE計劃的成功推動了星間鐳射通訊技術的發展。
1.1.3 美國空間光通訊
美國於20世紀60年代中期就開始實施空間光通訊方面的研究計劃。美國近年來報道的大多是鐳射通訊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訊體制的理論和實驗研究。
2000年，搭載星載光通訊終端LCT的衛星STRV-2成功發射，但是由於衛星的位置和姿態控制精度未在設計範圍內，沒能與地面站建立光通訊鏈路。2003年，美國JPL開始建造光通訊望遠鏡實驗室***OCTL***，該實驗室主要包括一個1m口徑的光通訊望遠鏡，用於研究多種鐳射在空間傳輸的效能，可實現與低軌到地球同步軌道光通訊終端的光通訊。
美國轉型通訊衛星計劃將在戰時和和平時期為國防部建立更寬的頻寬。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鐳射通訊的可能性，隨著結合鐳射通訊的轉型衛星計劃的出現，美國防部將會在頻寬方面獲得巨大提升。目前衛星上操作的頻寬是幾年前的10倍，在配備有寬頻間隙填充儀的先進極高頻衛星發射後，頻寬將擴大10倍，應用鐳射通訊後，頻寬將再次擴大10倍。
1.2 國內發展現狀
我國在鐳射通訊技術的研究從“七五”開始，已經有了近30年的時間，已經在空間鐳射通訊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，從不同的角度研究鐳射通訊。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 衛星鐳射通訊組成
衛星間鐳射通訊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***分系統和資訊處理分系統等組成。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裝置組成;主要完成信標光和訊號光的發射，信標光和訊號光的接收和濾波等任務。 天線發射部分完成對發射鐳射的準直和擴束，使鐳射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
發射分系統主要由鐳射器、調製器、功率放大器及驅動源等裝置組成，主要完成信標光產生、訊號光產生、資料相干調製和訊號光功率放大任務。
在衛星間鐳射鏈路中，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、通訊距離等參量，本系統選用半導體鐳射器作為光源，並同時使用兩隻鐳射器，分別作為信標光源和訊號光源。由不同的鐳射器產生的訊號光和信標光分別經準直系統後，具有合適的發散角，然後通過合束器合成，最後經過收發光學天線發射出去。
信標鐳射器用作系統的ATP探測，為便於雙方搜尋，減小捕獲時間，信標光源應有較大的光束髮散角，此外，為保證接收端有足夠強的光訊號，對信標光鐳射器的發射功率要求相對較高。
訊號鐳射器應有較好的光束質量和較高的調製頻率響應，為得到較大的輸出功率，選用半導體鐳射器+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裝置組成，主要完成微弱光訊號的探測和資料訊號的解調等任務。
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。由於星間距離較遠，為了滿足作用距離，設計的訊號光波束極窄。當收到對方訊號時，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，確保星地鏈路通訊正常。
粗跟蹤單元負責在大視場範圍內搜尋、捕獲目標，並對目標進行粗跟蹤，將目標匯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資訊。
2.5 資訊處理分系統
資訊處理分系統主要由A/D轉換器、延遲鎖定環、通道譯碼和處理、資料組幀和通道編碼、對外介面等部分組成;主要完成位同步環鎖定，通道編譯碼等任務。
3 衛星鐳射通訊的關鍵技術分析
3.1 捕獲、跟蹤與瞄準技術
在星間鐳射通訊中，ATP分系統的作用是實現對光束的快速捕獲並穩定跟瞄。由於兩個光通訊終端相隔距離較遠、時刻處於移動狀態，為了確保通訊成功，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鐳射通訊系統中的一項非常關鍵且難度很大的工程技術。由於星間鐳射通訊收發裝置之間存在相對運動速度，以及存在著角速度和角加速度，與遠端無線光通訊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，而訊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鐳射訊號的捕獲、跟蹤、瞄準裝置效能以外，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鐳射器、高透射率的光學天線，以提高發射和接收效能。***2***提高ATP自身平臺穩定效能和提高平臺與裝置轉動裝置的重量比值，以改善訊號跟蹤與空間瞄準精度。***3***提高信標光引導精度***如程式控制引導***、增加特殊的信標光裝置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***採用提高相對位置測量精度、降低跟蹤誤差和複合精密跟蹤裝置。***5***採用粗精兩級複合軸聯用方式，以提高跟瞄效能。複合軸控制技術能較大地提高ATP跟瞄的效能。複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、搜尋、捕獲目標的任務。粗跟蹤感測器採用大視場的CCD，控制單元採用DSP作為核心控制器，實現控制演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，控制物件為力矩電機。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***，資料控制器、線性高壓功率運放及兩維壓電陶瓷模組組成。
3.2 高功率光源和高速調製技術
鐳射通訊的需求之一是超高速的資料傳輸，因此需要高位元速率的調製技術。在遠距離的衛星和衛星通訊過程中由於距離較遠所以需要高功率的鐳射光源。在國內外大都採用極性相反的圓偏振光同時傳送和波分複用技術增加通訊容量，採用鐳射二極體陣列技術和使用摻鉺光纖放大器***EDFA***技術來提高鐳射器的發射功率。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佈，然後在訊號光的作用下產生受激輻射，放出與訊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
星間鐳射通訊系統中，光接收功率與光訊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，對於大氣層內的鐳射通訊，還會受到大氣及湍流的影響。為此，除了提高鐳射器的功率之外，還必須研製高靈敏度的微光探測器，對所接收的訊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體探測器***APD***。APD作為鐳射接收器件具有高靈敏度、可靠效能高等特點，廣泛應用在無線光通訊系統中，QAPD作為跟蹤器件，具有精度高等特點，在空間鐳射交會雷達、空間光通訊等領域得到了較多的應用。
由於光接收端機收到的訊號是十分微弱的，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訊號，通常採取兩方面的措施：一是提高接收端機的靈敏度，使其達到μW-pW量級;二是對所接收的訊號進行處理，如光通道上採用光窄帶濾波器***干涉濾光片或原子濾光器等***以抑制背景雜散光的干擾，在電通道上採用微弱訊號檢測與處理技術。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
空間鐳射通訊的發展趨勢將向網路化、小型化、智慧化方向發展，衛星鐳射通訊的應用範圍將進一步擴大，將建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多種形式的鐳射通訊鏈路。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訊更加重視，利用小衛星間鐳射通訊實現全球個人行動通訊將是未來全球個人通訊的發展趨勢。
空間鐳射通訊特點鮮明，優點很多，未來軍民用前景廣闊。但是，作為一種新興通訊模式，空間移動光通訊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訊各種應用的系統設計和試驗驗證工作;有必要加強光通訊裝置的衛星搭載試驗。另外，鑑於國外空間光通訊技術的成熟，有必要積極借鑑國外的研究成果。以期在不久的將來初步形成我國鐳射通訊的衛星。
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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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