课程名称空间激光通信基本知识和技术
空间激光通信原理与技术-华中科技大学光学与电子信息学院
§3.1.1、激光传输大气衰减效应
§3.1.2、激光传输大气湍流效应
§3.2、近地空间光通信光学天线技术
§3.2.1、光学系统设计总体要求
§3.2.2、光学天线传输特性分析
§3.2.3、阵列光学天线
§3.3、自适应光学技术在空间光通信系统中的应用
§3.3.1、波前检测技术
§3.3.2、波前重构技术
§1.1、研究空间光通信的重要意义
§1.2、空间光通信的发展及研究现状，空间光通信的应用领域；
§1.3、空间光通信的特殊性及其和其它通信技术的关联。
第二章，空间光通信系统4学时
§2.1、近地大气空间光通信系统
§2.2、卫星光通信系统
§2.3、星地空间光通信系统
§2.4、可见光无线通信系统
第三章，近地大气空间光通信系统关键技术8学时
§3.3.3、无波前传感器自适应光学技术
§3.4、大气光通信光调制发射技术
§3.4.1、大气光信道编码调制技术
§3.4.2、抗大气衰减光发射功率自适应均衡技术
§3.4.3、半导体激光器在空间光通信中的应用技术
§3.5、大气激光通信光接收技术
§3.5.1、光接收机总体要求
§3.5.2、大气信道光信号处理技术
专家组长
专家年月日
附
课程名称：空间激光通信原理和技术
课程代码：182.528
英文名称：The Principle and Technology of Free Space Optical communication
课程类型：□高水平课程□国际化课程□高水平国际化课程■一般课程
课程类别：□一级学科基础程□二级学科基础课程■专业课程
空间激光通信及其关键技术
空间激光通信及其关键技术简介空间激光通信是一种使用激光光束进行通信的技术，它可以实现高速、高带宽的数据传输，成为了现代通信领域的重要研究方向。
本文将详细探讨空间激光通信的相关概念、原理以及关键技术。
概念及原理空间激光通信的定义空间激光通信是利用激光光束进行数据传输的一种通信方式。
传统的无线通信主要通过无线电波进行信号传输，而空间激光通信则利用激光的高频、高方向性和大带宽特点，可以实现更高的数据传输速率和容量。
空间激光通信的基本原理空间激光通信系统由发射端和接收端组成。
发射端通过激光器产生激光光束，并通过光学设备将光束聚焦成窄束。
接收端通过光学设备接收光束，并通过光电转换器将光信号转换为电信号。
通信双方可以通过调整激光光束的方向来实现通信。
关键技术激光器技术激光器是空间激光通信系统中最核心的技术之一。
激光器的性能直接影响着通信系统的数据传输速率和传输距离。
目前，常用的激光器技术包括固态激光器、半导体激光器和光纤激光器等。
这些激光器的发光特性、功率稳定性以及适应不同环境的能力都需要不断改进和优化。
光学设备技术光学设备在空间激光通信系统中发挥着重要的作用。
发射端的光学设备能够将激光器发出的光束聚焦成窄束，提高光束的转发效率。
接收端的光学设备则能够接收光束，并将其转换为电信号。
这些光学设备需要具备高精度、高效率的特点，以提高通信系统的性能。
光电转换技术光电转换技术用于将接收到的光信号转换为电信号。
在空间激光通信系统中，常用的光电转换器包括光电二极管和光电倍增管等。
这些光电转换器需要具备高灵敏度、低噪声的特点，以确保接收端能够准确地捕捉到光信号。
传输调制技术传输调制技术用于在光信号中传输数据。
常用的传输调制技术包括振幅调制、相位调制和频率调制等。
这些技术可以将待传输的数据嵌入到光信号中，并在接收端进行解调和译码，实现数据的可靠传输。
应用前景空间激光通信技术已经在军事、航空航天以及无人机等领域得到了广泛应用。
空间激光通信的原理
空间激光通信的原理空间激光通信，也被称为激光空间通信，是一种新兴的通信技术，它利用激光作为信息载体，通过大气作为传输媒介，实现空间信息的传输和交换。
本文将详细介绍空间激光通信的原理、系统组成、技术特点和应用前景。
一、原理概述激光是一种高亮度、方向性强、单色性好、相干性强、能量高的光辐射。
空间激光通信正是利用激光的这些特性，通过大气作为传输媒介，实现信息的传输和交换。
在空间激光通信中，发送端将信息调制在激光上，通过光学发射天线发射出去。
激光在传输过程中，经过大气层中的分子散射、吸收、再发射等过程，最终到达接收端。
接收端通过光学接收天线接收激光，再经过光电转换，最终还原成原始信息。
二、系统组成空间激光通信系统主要由激光发射器、光学发射天线、信息调制器、通信卫星或地面站、光学接收天线、光电转换器以及信息解调器等部分组成。
1. 激光发射器：用于产生高亮度的激光，并对其进行调制。
2. 光学发射天线：用于将激光发送到空间中，并收集回波信号。
3. 通信卫星或地面站：用于接收激光信号，并将其转换为电信号，同时将电信号调制为中频信号或射频信号，发送给地面网络。
4. 光学接收天线：用于接收激光信号，并将其转换为光信号或电信号。
5. 光电转换器：用于将光信号转换为电信号，以便进行信息处理。
6. 信息解调器：用于将已调制的电信号还原为原始信息。
三、技术特点空间激光通信具有以下技术特点：1. 高速率：由于激光具有极高的频率，因此空间激光通信可以实现高速数据传输。
2. 远距离：由于激光在大气中的传输距离远大于微波，因此空间激光通信可以实现远距离通信。
3. 低误码率：激光在大气中的传输受大气扰动的影响较小，因此空间激光通信具有较低的误码率。
4. 高安全性：空间激光通信由于使用非电磁辐射，因此不会对电磁环境造成干扰，具有较高的安全性。
5. 可视化程度高：空间激光通信可以实现可视化通信，即实时监测通信链路的状态和性能。
四、应用前景空间激光通信具有广阔的应用前景，主要包括以下几个方面：1. 高速数据传输：空间激光通信可以应用于卫星通信、宽带接入等领域，实现高速数据传输。
空间相干激光通信技术
空间相干激光通信技术空间相干激光通信技术是一种利用激光在空间中传输信息的新兴通信技术。
它不仅具有高速、大容量的特点，还能实现高质量的通信信号传输。
本文将详细介绍空间相干激光通信技术的原理、应用以及发展前景。
一、空间相干激光通信技术原理空间相干激光通信技术利用激光的高直观性和低发散度特点，通过激光器将信息转换为光信号进行传输。
与传统的无线通信技术相比，空间相干激光通信技术具有更高的传输速率和更低的能量损耗。
同时，激光的窄束特性使得信号在传输过程中几乎不受干扰，能够实现高质量的通信信号传输。
1.卫星通信空间相干激光通信技术在卫星通信中有着广泛的应用。
传统的卫星通信主要依靠微波信号进行数据传输，但受限于频段资源的有限性，传输速率和容量都较低。
而空间相干激光通信技术可以实现高速、高容量的数据传输，可以大大提升卫星通信的效率和性能。
2.地面通信空间相干激光通信技术在地面通信中也有着广泛的应用。
传统的地面通信主要依靠光纤进行数据传输，但光纤的布设和维护成本较高，限制了其在一些特殊环境中的应用。
而空间相干激光通信技术可以实现无线传输，无需布设光纤，具有更高的灵活性和便捷性。
3.无人机通信空间相干激光通信技术在无人机通信中也有着重要的应用。
传统的无人机通信主要依靠无线电波进行数据传输，但无线电波易受到干扰和限制，传输距离和速率有限。
而空间相干激光通信技术可以实现高速、远距离的数据传输，可以提升无人机通信的可靠性和效率。
三、空间相干激光通信技术发展前景随着信息技术的快速发展，对通信技术的需求也越来越高。
空间相干激光通信技术作为一种新兴的通信技术，具有巨大的发展潜力。
目前，国内外已经开始加大对空间相干激光通信技术的研发和应用力度。
预计在不久的将来，空间相干激光通信技术将会得到更广泛的应用，并取得重要的突破。
总结：空间相干激光通信技术是一种利用激光在空间中传输信息的新兴通信技术。
它具有高速、大容量的特点，能够实现高质量的通信信号传输。
激光通信空间传输技术
01
02
03
半导体激光器
研究高功率、高效率的半 导体激光器，提高激光输 出的稳定性和可靠性。
光纤激光器
利用光纤作为增益介质， 实现高功率、高效率的激 光输出，同时具有良好的 光束质量。
固体激光器
研究新型固体激光材料， 提高激光器的能量转换效 率和输出功率。
大气湍流对信号影响及补偿措施
大气湍流模型
研究大气湍流的统计特性 和物理模型，为信号传输 提供准确的预测和补偿。
该试验成功实现了卫星与地面站之间的激光通信，标志着中国在卫星激光通信领域取得了 重要突破。
地面站与飞行器间数据传输需求
高数据传输速率
随着空间探测任务的日益复杂， 对数据传输速率的要求也越来越 高，激光通信能够满足这一需求
。
大容量数据传输
激光通信具有传输容量大的特点 ，能够满足地面站与飞行器之间
大容量数据的传输需求。
特点
激光通信具有传输速度快、容量 大、保密性好、抗干扰能力强等 优点，是实现高速、大容量通信 的重要手段。
空间传输技术概述
空间传输技术
指利用激光在大气或空间中进行信息传输的技术，包括自由空间光通信和卫星 激光通信等。
技术原理
通过调制激光束的强度、相位、频率等参数，将信息加载到激光上，然后通过 光学系统发射到空间中，接收端通过光学系统接收并解调激光信号，实现信息 传输。
01
接收来自发射端的激光信号，并进行精确指向和跟踪。
光检测器与解调器
02
将接收到的光信号转换为电信号，并进行解调处理，还原出原
始传输信息。
解码与信号处理单元
03
对接收到的信号进行解码和解密处理，确保信息的完整性和安
全性。
空间激光通信技术
高速率：波长远小于微波波长，可以更高速调制；
点对点：利用激光方向性好的特点，实现能量集中式传输；
高度保密性：因其为激光传输，单向性好，不易被拦截；
高度安全性：由于没有传输介质，传输过程不会被破坏；
通信技术的主要目标是实现高速率、低误码率的双向传输， 对激光通信系统同样也是如此。空间激光技术的主要技术 瓶颈在于以下几个方面： 1、提高激光通信接收端的响应灵敏度：随着快速捕获和 高精度跟踪技术的突破，对于激光通信系统的注意力再次 集中到对通信基本参数的提高上。随着距离增加，速率提 高，对接收端的接收灵敏度提出了更高的要求。由于星载 或是机载受限于载体本身的能源容量，通信系统的功率不 可能支持大功率激光器，考虑到传播过程中的损耗等因素， 需要接收端具有可靠地弱光接收能力，同时有足够的响应 分辨率还原高速率的信号波形。
因此，可以看出地表通信设施越来越突出的问题在于 受制于城市规划，建设周期长。 长距离通信线路缺乏保护，维护困难。
空间激光通信因其远距离，高速率，尤其是星载激光 通信无空间限制等特点为建立立体化通信网提供了崭新的 思路。下图为未来通信网概念图：
星载基 站 城市地 面站
星载基站
星载基 站 城市地 面站
发射激光器为激光通信系统的主要部分。最早使用半导体 激光器，现在使用固体激光器提供较大功率输出。发射波 长主要分布在800nm-900nm之间、1550nm附近，为大气窗 口，损耗约为20%。星间与地空通信普遍使用850nm附近波 长，星地通信主要使用1550nm附近波长。 调制解调将传输数据调制到激光载波上实现传输。接收端 通过解调进行数据复原。现普遍使用相干光调制与外差检 测法进行信号调制解调。 编码过程主要解决传输过程中的高误码率。由于激光传输 距离远，传输速度高，且对于星地传输受大气干扰，除了 提升激光传输稳定性外，匹配合适的编码方式也可以显著 减小误码率。
空间激光通信技术及其发展
空间激光通信技术及其发展空间激光通信技术及其发展摘要：随着空间技术的发展，激光通信技术也逐渐得到重视，空间激光通信技术在空间传输数据方面性能优越。
本文首先分析了空间激光通信技术的原理，其次讨论了空间激光通信技术的发展潜力，最后论述了空间激光通信技术的应用前景。
关键词：激光通信，空间激光，通信发展一、空间激光通信技术空间激光通信技术是指将信息传输系统的发射机、接收机和中继设备安装在天空中，利用激光信号来传输信息的一种技术。
本文介绍的空间激光通信原理如下：1.空间激光通信技术的发射原理空间激光通信技术将特定波长的激光信号发射到太空环境，此时接收机来接收信号，穿透空间的激光信号被接收机的探测装置捕获后，便可以传输信息。
2.空间激光通信技术的接收原理空间激光通信技术的接收原理是接收机的探测器可以探测空间激光信号，并将信号转换为电子信号，然后通过接收机转换为电信号传输到用户端，用户端可以进行识别、解码等处理，最后根据信号进行信息处理。
二、空间激光通信技术的发展潜力1.技术优势空间激光通信技术具有良好的无线信号传输特性，能够有效实现高速、高精度和低功耗的信号传输。
此外，激光信号传播距离长，传输效率高，能够实现空间通信的覆盖和穿透。
2.技术发展随着空间技术的发展，空间激光通信技术也不断取得新的突破性进展。
激光通信载荷的行星级低轨道星座建成，中继型太阳灶通信系统的研制，也标志着激光通信技术走向了规模性的应用，未来的激光通信技术的发展前景十分乐观。
三、空间激光通信技术的应用前景随着现代社会的发展，空间激光通信技术将得到广泛的应用，如： 1.空间科学空间激光通信技术可以用于太空探索，可以替代传统的无线电波传输来传输太空科学实验的信息，以获取更准确的数据。
2.通信空间激光通信技术可以替代传统的无线电波传输来传输信息，以获取更高的传输速率和更稳定的信号，提高信号品质及数据安全性，但由于夜空的密度增加，空间激光通信技术也存在一定的非理想现象，仍有待改进。
空间光通信
空间激光通信一、引言空间光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。
空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤。
二、空间光通信的基本原理空间光通信不是用光纤作为传输媒介，而是以大气为媒质，通过激光或光脉冲在太赫兹（THz）光谱范围内传送信息的通信系统；其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似，但由于用在接入系统，因而组成更为简单。
激光具有普通光的一切特性，即折射、反射、透射、衍射和干涉等，但它比普通光具有更优良的特性，即单色性好（激光光波都具有相同的频率），强度高，相干性与方向性好，因此激光束的发散角度小，能量集中在很小的范围内，接收器可获得比微波高几个数量级的功率密度。
空间光通信本质上也是一种无线电通信，但它与一般无线电通信相比又有区别。
在空间光通信系统中多了两个转换过程，即在发送端进行电一光的转换，在接收端进行光—电的转换。
一个光传输系统，所用的基本技术，也就是光电的转换。
在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，具有全双工的通信能力。
通常把待发送的信息源（语言、文字、数据、图像等），通过信号转换设备（话筒、摄像机等）转换成模拟或数字电信号，然后把这些信号输入光调制器，调制到一个由激光器产生的激光束（激光载波）上，并控制这个载波的某个参数（振幅等），使它按电信号的规律变化。
于是，激光载波就运载着这些信息（此时的激光被称作已调制激光信号），经过信息处理以后由发射望远镜（发射天线）发射出去。
（见图一空间光通信系统的框图）图一空间光通信系统的框图[2]发射望远镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束，方便接收望远镜调整方位并接收信号；如果不进行这样的处理，由于激光束截面很小，且激光是直线传播的，将会给接收望远镜的方位调整带来困难。
接收是发射的逆过程。
接收望远镜（接收天线）接收到已调制激光信号，送到光检测器取出电信号，然后由信号转换设备（如扬声器、显示器等）恢复出原始信息。
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§4.3.2、 APT跟踪伺服系统
§4.3.3、 APT关键器件及工作原理
§4.3.4、 APT算法
§4.4、星间光通信延时处理技术
第五章、 星地光通信技术 6学时
§5.1、星地光通信链路特点
§5.2、地面站址要求与选择
§5.3、远程通信协议建立
§5.4、光学天线特殊技术
§2.4、可见光无线通信系统
第三章， 近地大气空间光通信系统关键技术 8学时
§3.1、 大气激光传输特性
§3.1.1、激光传输大气衰减效应
§3.1.2、激光传输大气湍流效应
§3.2、 近地空间光通信光学天线技术
§3.2.1、 光学系统设计总体要求
§3.2.2、 光学天线传输特性分析
§3.2.3、 阵列光学天线
§3.5、 大气激光通信光接收技术
§3.5.1、 光接收机总体要求
§3.5.2、 大气信道光信号处理技术
§3.5.3、 直接光探测技术
§3.5.4、 相干光探测技术
第四章、 卫星光通信技术 8学时
§4.1、星间光通信链路特点
§4.2、卫星轨道及卫星姿态
§4.3、光束捕获、对准、跟踪（APT）系统原理与技术
§5.5、星间、星地光通信系统基本测试方法
第六章、 研讨 4学时
教材：
自编.
主要参考书：
1、Larry C. Andrews,Ronald L. Phillips, 《Laser beam propagation through random media》，SPIE Press,2Th Edition。
空间光通信原理和技术面向光学工程、光信息科学与技术专业或电子信息科学与技术专业的硕士研究生或博士研究生，旨在讲授和研讨星间光通信、星地光通信的原理和技术，着重介绍星间、星地空间光通信的特殊技术，对于和其它通信方式类同的原理与技术，本课程不予重复介绍。学习空间光通信技术课程，应具有现代通信原理、光电探测、物理光学课程基础，涉及空间光通信的专门知识将在本课程中介绍。本课程总学时为32学时，其中，28学时为讲授，4学时为研讨。
适用层次： 硕士ν 博士ν
开课学期 第二学期
总学时/讲授学时：32/28
学分：2
先修课程要求： 现代通信原理，光电探测技术，物理光学，应用光学。
课程组教师姓名
职 称
专 业
年 龄
学术专长
元秀华
教授
物理电子学
52
光通信
杨振宇
副教授
光通信技术
32
光通信
赵茗
副教授
光学工程
30
光通信
课程教学目标：
空间光通信是以激光束作为信息载体、以空间物质为传输介质的空间信道之间的通信。随着人类对空间探索活动的增加，获取的空间数据量也不断增加，对空间数据传输的带宽需求也不断增加。空间数据传输，具有一系列特殊要求。而激光通信容量大、传输速率高、隐蔽性好、抗干扰能力强等特点，是满足空间数据传输的最佳通信方式，也是今后卫星之间、星地之间大容量信息保密通信的最优方案之一。激光通信对一个国家掌握“制天权”、“制空权”、“制信息权”举足轻重，激光通信技术既能满足军民两用大容量通信，也是适合深空探测领域应用的先进技术。从我国探月工程、载人航天等深空探测工程的启动，足以证明深空探测已成为21实际甚至更远时期人类航天活动的最重要领域，而空间光通信适合应用于深空距离远、信息传输时延长、能量衰耗严重且接收信号微弱等特点的恶劣条件通信，是深空探测数据传输的关键技术。学习掌握空间激光通信的原理和基本技术，对发展我国的空间光通信技术、进一步提高我国在深空探测领域的研究水平和提升我国在世界诸强中的“制空权”地位，具有深远的战略意义和重要的现实意义。
2、李晓峰 星地激光通信链路原理与技术，国防工业出版社
3、周仁忠，自适应光学，国防工业出版社
4、IEEE、SPIE、OSA文献
5、祖耶夫，大气光传输特性分析，高等教育出版社
6、柯熙政，激光无线通信技术，北京邮电大学出版社
注：每门课程都须填写此表。本表不够可加页
教学大纲（章节目录）
第一章， 总论 2学时
§1.1、研究空间光通信的重要意义
§1.2、空间光通信的发展及研究现状，空间光通信的应用领域；
§1.3、空间光通信的特殊性及其和其它通信技术的关联。
第二章， 空间光通信系统 4学时
§2.1、近地大气空间光通信系统
§2.2、卫星光通信系统
§2.3、星地空间光通信系统
§3.3、自适应光学技术在空间光通信系统中的应用
§3.3.1、 波前检测技术
§3.3.2、 波前重构技术
§3.3.3、 无波前传感器自适应光学技术
§3.4、 大气光通信光调制发射技术
§3.4.1、 大气光信道编码§3.4.3、 半导体激光器在空间光通信中的应用技术
表7．
课程名称：空间激光通信原理和技术
英文名称：The Principle and Technology of Free Space Optical communication
课程类型：□讲授课程□实践（实验、实习）课程ν研讨课程□专题讲座□其它
考核方式： 考卷及课程论文
教学方式：讲授加研讨
适用专业：光信息科学与技术