空间激光通信及应用

验证了建立空中移动平台和地面固定站间激光通信 链路的可行性。80 年代初， 欧洲、 以色列、 俄罗斯、 中国及日本的军事机构和宇航机构也都成功地进行 了大气激光传输实验， 二氧化碳激光器是当时最有 效和最可靠的光源。 20 世纪 80 年代末到 21 世纪初为整体系统实验 装置的开发和应用性能测试阶段。1994 年， 加里福 海拔高度 尼亚的 Thermo Trex 公司在相距 42 公里、 为 7000 英尺的两座山峰之间进行了数据速率为 1 . 2
图1 空间激光通信系统构成
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关键技术 空间激光通信的核心是激光在视距空间中的传
输， 因而存在着一些特有的问题： 高速调制激光光源 问题、 大气湍流信道的随机性影响问题、 微弱光信号 检测问题、 背景光和抖动干扰问题、 精确对准和保持 问题， 以及激光安全问题。针对以上问题， 需要突破 一些关键技术。主要有： 高功率激光光源及高速率 调制技术， 大气信道处理技术， 近量子限高灵敏度抗 干扰的光信号接收技术， 高精度的捕获、 跟踪和瞄准 （ATP） 技术， 精密、 可靠、 高增益的收 / 发光学天线技 术和激光防护技术。 高功率光源及高传输码率调制和解调技术需要 研制高效、 低耗、 稳定、 长寿命的高功率激光光源。 为保证传输光束的质量， 需要采用光源稳频技术和 光束整形技术。目前， 这些方面的技术已取得了较 大突破， 德国、 英国和美国处于领先地位。空间激光 通信中的激光光源可分为两种： 信标光源和信号光 源。信标光源要求具有几瓦量级的光功率， 以便在 大视场、 高背景噪声的情况下实现快速捕获、 跟踪和 瞄准， 降低 APT 系统实现的难度。信标光既可以是 连续光， 也可以是脉冲光。为了克服背景光的干扰， 通常对信标光进行调制， 调制频率为几千到几十千 赫兹。目前采用的激光光源多数为半导体激光器， 也有部分系统开始使用固体激光光源。 高效、 可靠的高速调制、 解调技术是高传输速率 和低误码率的保证。综合考虑系统复杂度和可靠性 要求， 空间激光通信系统一般采用强度调制 / 直接探 测方式。编码方式则根据不同的系统有所不同， 而 且随着数据率的提高， 新的编码方式不断出现， 如组 合脉冲位置调制 （ CPPM） 。随着高功率激光光源技
工作原 3 空间激光通信的系统组成、 理及关键技术
!"# 系统组成和工作原理 空间激光通信系统主要由激光光源子系统、 发 射 / 接收子系统和捕获、 跟踪和瞄准 （ ATP） 子系统构 成， 如图 1 所示。通信光源至关重要， 它直接影响探 测器件的选择、 通信距离、 光学天线的口径和增益等 参量。常用 激 光 器 为 波 长 在 800 ~ 850 nm 范 围 的 该波长范围内的 APD 探测器件工作 AlGaAs 激光器， 在峰值， 量子效率高、 增益高。采用倍频 Nd 1 YAG 激 光器或氩离子激光器得到的波长在 514 ~ 532 nm 的 激光器是星上激光光源的良好选择。发射 / 接收子 系统主要涉及发射及接收天线的选择， 滤波元件及 信号探测与处理器选取， 调制、 解调体制等问题。发 射、 接收天线实际上就是光学望远镜， 根据具体情况 可采用卡塞格伦型反射式天线或透射式天线。天线 的孔径一般取为 10 ~ 30 cm。滤波器、 探测器是接收 系统中的重要部分， 滤波器一般采用干涉滤光片， 探 测器一般选用雪崩光电二极管 （APD） 。 该系统的工作原理如下： 由数字基带信号调制 后产生的已调信号通过功率驱动电路使激光器发 光， 这样载有通信信号的激光通过光学发射天线发 射出去。接收时， 另一端的激光通信机通过光学接 收天线将收集到的光信号汇聚到光电探测器上， 将 这一光信号转换成电信号， 再经过放大， 用阈值探测 法检测出有用信号， 再经过解调电路还原出基带信 140
术的发展， 适于空间激光通信的激光器已不仅仅局 限于 半 导 体 激 光 器。半 导 体 激 光 器 泵 浦 的 倍 频 （DPL） 具有体积小、 相干性好的优势， 可 YAG 激光器 以采用外差探测方式， 从而大幅度地提高探测灵敏 度， 而且在大气中传输时， 其波长 （532 nm） 具有一定 优势， 预计 DPL 将是未来空间激光通信系统中的一 种重要光源。同时， 使得空间激光 DPL 光源的引入， 通信的调制方式将不再采用直接调制方式， 新的调 制技术研究将成为未来空间激光通信研究的一个重 要方面。 大气信道对激光传输质量的影响主要体现在三 个方面： 分子吸收、 大气散射和大气湍流。分子吸收 和大气散射会导致激光光强衰减严重， 处理的方法 是选用大气窗口的激光波长， 提高激光光束质量。 大气湍流会导致光强闪烁、 光束漂移、 到达角起伏和 波前畸变。减弱大气湍流效应的方法主要有
前沿技术
空间激光通信及应用
马东堂，魏急波，庄钊文
（国防科技大学 电子科学与工程学院， 湖南 长沙 410073）
摘
要： 简单回顾了空间激光通信的发展历史， 阐述了空间激光通信系统的组成、 工作原理
和主要的关键技术。介绍了国际上几个空间光通信发展的前沿国家 （或地区） 和国内开展空间激光 通信研究的进展情况， 分析了空间激光通信的应用前景和发展趋势。 关键词： 空间激光通信；星间光通信；宽带接入；捕获；跟踪；瞄准 中图分类号： TN929.12 文献标识码： A 文章编号： 1001 - 5868 （2003） 02 - 0139 - 06 早期的研究进展较慢。到了世纪之交， 元器件技术 逐渐成熟， 大量关键技术被突破， 空间激光通信再度 空间激光通信是指在两个或多个终端之间， 利 用在空间传输的激光束作为信息载体， 实现通信。 它包括深空、 同步轨道、 低轨道、 中轨道卫星之间、 地 面站与卫星之间以及地面站与地面站之间的激光通 信， 又称为自由空间光通信 （ Free Space OpticaI 简称 FSO） 。 Communication， 激光的高度相干性和空间定向性， 决定了空间
： 多
光束传输， 适当的接收天线口径 （利用孔径平滑效 应） 和发射天线间距， 自适应光学应用和尽可能高的 激光发射功率 （需满足人眼安全限制） 。其中， 自适 应光学技术于 2002 年取得突破性进展， 正逐步走向 实用化。前向纠错编码技术也常用于大气信道处理 中。 近量子限高灵敏度抗干扰的光信号接收技术是 空间激光通信接收机的核心技术。通常， 通信信号 激光的探测选用雪崩光电二极管 （ APD） ， 因为 APD 有很高的增益， 且峰值灵敏度在 800 nm 附近。信标 激光的探测器一般选用四象限红外探测器 （ OD） 和 CCD。欧洲 SILEX 系统采用的 APD 探测器灵敏度在 通信速率为 50 Mb / S， 误码率 为 l > l0 - 6 时 为 - 59 dBW。微弱信号检测和背景噪声抑制技术常常与高 灵敏度的光信号接收技术结合使用。 捕获、 跟踪和瞄准 （ ATP） 系统包括粗跟踪 （捕 获） 系统和精跟踪 （跟踪、 瞄准） 系统两部分。对于星 间激光通信系统， 激光信标发射的光束很窄， 在相距 极远的两个卫星之间， 必须保证信标的发射波束覆 盖接收机的接收天线， 接收机能够捕获、 跟踪发射端 的窄光束。由于姿态监测控制系统误差、 参照系计 算误差、 卫星的振动以及其它系统误差的存在， 在收 发双方互相对准之后总有一个不确定角。空间捕获 目标的范围在 1 l ~ 1 20 或更大， 通常采用 CCD 来 实现。为了缓解对空间捕获、 跟踪和瞄准系统苛刻 的要求， 加快通信链路建立速度， 需要增大接收机的 视场角， 为毫弧度量级。此时， 接收的背景辐射功率
［1］ 激光通信与 RF 通信相比在许多方面优势明显 ： 抗干扰能力强、 安全性好、 设备体积小、 重量轻、 频谱
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引言
成为研究热点， 并逐渐进入了商用化发展阶段。概 括起来， 空间激光通信的发展历程可划分为四个阶 段。 20 世纪 60 年代中期到 80 年代中期为概念验证 和单元技术实验阶段。该阶段主要进行可行性论证 和一些关键单元技术的探索性研究， 建立了一些简 美国国家航空 单的概念性实验系统。70 年代初期， 和宇宙航行局 （ NASA） 就资助进行 CO2 激光和光泵 浦的 Nd 1 YAG 激光空间通信系统的研究， 并于 1995 年 首 次 研 制 出 激 光 通 信 演 示 系 统： （ Laser LCDS ， 通信速率不小 Communication Demonstration System） 于 750 Mb / s。1977 年， 欧洲航天局 （ ESA） 签订了第 一份空间光通信技术研究合同， 开始了民用星间光 美国海军支持的空间飞行试 通信的研究。1980 年， 验系统首次成功实现了 KC - 135 飞机与地面站之
天局 （ ESA） 首次建立了卫星之间的激光通信链路， 成功实现了星间的光载波双向数据传输。 21 世纪初到 2015 年左右为实际应用和全面发 展阶 段。世 纪 之 交， Terabeam、 LightPointe、 Airfiber、 Canon、 Pav、 iRLan 等公司都先后推出了用于短距离 固定点之间通信的 fSO 产品。星间光通信也已取 得了较大的进展。 将是空间激光通信得 2015 年以后为第四阶段， 到广泛应用的阶段。空间激光通信将在军事通信、 卫星通信、 宽带接入和全球个人移动通信中占据举 足轻重的地位。
［3］ ， 展示了空间激光通信技术上的 Gb / s 的传输实验
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空间激光通信的历史
空间激光通信的研究已开展了约 40 年， 伴随着
空间激 1960 年世界上第一台红宝石激光器的诞生， 光通信研究开始起步。 20 世纪 60 年代中期， 处在 大气窗口的激光通信掀起了世界性的研究热潮。但 由于受到大气信道的复杂性和元器件技术的限制，
［2］ 间的激光通信， 速率达 1 Gb / s 量级 ， 试验的成功
不受管制、 功耗低、 系统机动性强、 造价低、 易于扩 容， 以及组网灵活。同时， 也存在着大气衰减严重、 大气信道随机性强、 精确对准和保持难度大等问题。 目前， 空间激光通信已成为解决宽带网络 “最后一公 里” 瓶颈和最终实现全球个人移动通信的重要技术 选择。本文首先简单回顾空间激光通信的发展历 史， 然后介绍系统组成和相关的主要关键技术， 分析 国内外的研究现状， 最后展望 FSO 的应用前景和发 展趋势。