空間激光通信技術(shù)研究綜述

李 靜 趙樹波

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.重慶建設(shè)工業(yè)（集團）有限責任公司，重慶 400054）

0 引言

人類通信的歷史源遠流長，從古代的狼煙通信、驛站通信，到現(xiàn)代的電報電話通信、無線電通信、光纖通信等，不僅僅是通信手段發(fā)生了巨變，而且也空前地改變了人類的生活方式。今天，科技發(fā)展日新月異，空中、地面、水下都已經(jīng)被開辟為廣闊的通信空間，采用高頻激光進行空間衛(wèi)星通信已成為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的新焦點。有專家測算，在理想的情況下，用激光作載體進行空間衛(wèi)星通信，若話路帶寬為4千赫，則可容納100億條話路；若彩色電視帶寬為10千赫，則可同時傳送100萬套節(jié)目而互不干擾，屆時，人們的生活將更加豐富多彩。與此同時，航天、航空、航海等都對空間激光通信技術(shù)提出了迫切需求。

1 空間激光通信技術(shù)系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)及原理

空間激光通信也稱為無線光通信，它是指利用激光束作為載波在空間直接進行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息傳輸?shù)囊环N技術(shù)?？臻g激光通信系統(tǒng)所涵蓋的平臺有深空探測器、GEO衛(wèi)星、LEO衛(wèi)星空間站、臨近空間平臺、航空平臺、地面平臺、水面平臺等，不同平臺間可構(gòu)成不同的空間激光通信鏈路。其突出特點是是搭載在運動平臺上，以激光器作為光源，并以小束散角發(fā)射，實現(xiàn)高速率、遠距離信息傳輸。例如，星際激光通信系統(tǒng)、星地激光通信系統(tǒng)、空空激光通信系統(tǒng)等。

空間通信技術(shù)的基本原理實質(zhì)上就是，信息電信號通過調(diào)制加載在激光上，通信的兩端通過初定位和調(diào)整，再經(jīng)過光束的捕獲、瞄準、跟蹤建立起光通信鏈路，然后再通過光在真空或大氣信道中傳輸信息?？臻g激光通信系統(tǒng)按照功能主要分為以下幾個部分：光源系統(tǒng)、發(fā)射和接收系統(tǒng)、信標系統(tǒng)、捕獲、瞄準和跟蹤系統(tǒng)四大塊。下面將分別對其進行討論。

（1）光源系統(tǒng)

在衛(wèi)星激光通信中，通信光源具有十分重要的作用，他直接影響天線的增益、探測器件的選擇、天線直徑等參量。常用激光器為波長在800～850 nm 范圍的AlGaAs激光器，該波長范圍內(nèi)的APD探測器件工作在峰值，量子效率高、增益高。采用倍頻Nd：YAG激光器或氬離子激光器得到的波長在514～532nm的激光器是星上激光光源的良好選擇。

（2）發(fā)射和接收系統(tǒng)

這是空間激光通信的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，激光發(fā)射機實質(zhì)上就是光源、調(diào)制器和光學(xué)天線的級聯(lián)，而接收機則可看成是接收天線和探測器、解調(diào)器的級聯(lián)。調(diào)制的作用是將需要發(fā)射的信號 調(diào)制到光載波上；探測、解調(diào)是通過光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。探測部分還包括濾波、放大部分，該部分也是衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中必不可少的。

（3）信標系統(tǒng)

在空間激光通信系統(tǒng)中，通信信號光束發(fā)散角非常小，因此如果利用信號光束進行捕獲、瞄準將會是非常困難的過程。所以在其中要單獨設(shè)立一個激光信標系統(tǒng)。信標光束主要是給瞄準、捕獲過程提供一個較寬的光束，以便在掃描過程中易于探測到信標光束，然后進行后面的調(diào)整過程。

（4）捕獲、瞄準和跟蹤系統(tǒng)

捕獲、瞄準和跟蹤系統(tǒng)幾乎可以說是整個空間激光通信系統(tǒng)的心臟，也是空間激光通信技術(shù)的難點、重點。各個國家在對空間激光通信系統(tǒng)的研究中，都提出了一些捕獲、瞄準、跟蹤方案，并對相當一部分方案進行了實驗室模擬。這些方案在探測時的掃描方式以及探測、跟蹤傳感器的選擇等方面都有所不同，但實際采用的捕獲、瞄準、跟蹤方案是基本一致的。

2 空間激光通信的優(yōu)勢

空間激光通信是在外層空間進行的通信，由于具有損耗小、成本低、容量大、光定向性好等優(yōu)點，在超大容量長距離數(shù)字通信系統(tǒng)中，尤其適用于星際鏈路間長距離、干線通信。它比地面光纜擁有更高寬帶的數(shù)據(jù)、視頻和語音轉(zhuǎn)播等多項通信能力。因此，現(xiàn)代衛(wèi)星通信的重要方向就是自由空間中衛(wèi)星激光通信。

自由空間激光通信是利用激光作為載體，在自由空間中進行信息和數(shù)據(jù)的傳輸。激光的頻率單純，能量高度集中，波束非常細密，波長介于微波與紅外線之間，因此，利用激光所特有的高強度、高單色性、高相干性和高方向性等諸多特性，進行星際間鏈路通信，就可具備容量更大、增益更高、速度更快、抗干擾性更強和保密性更好的一系列優(yōu)點，從而使激光成為發(fā)展空間衛(wèi)星通信的最理想載體。

3 國內(nèi)外空間激光通信歷史及現(xiàn)狀

美國是世界上開展空間激光通信研究最早的國家，于20世紀60年代中期就開始實施空間激光通信方面的研究計劃，歐洲和日本也先后于70年代末和80年代中期開始研究，到20世紀80年代末90年代初，日本、美國、歐洲空間總署先后制定了發(fā)展衛(wèi)星間激光通信的研究計劃，對衛(wèi)星與地面之間、地球軌道同步衛(wèi)星與近地軌道衛(wèi)星之間、地球軌道同步衛(wèi)星之間的激光通信技術(shù)都進行了深入研究，初步的設(shè)計方案及模擬演示系統(tǒng)也達到了理想的效果。當時美國率先進行的海島與海島之間的激光通信，作用距離可達到240公里；在飛機與地面站的激光通信試驗中，當飛機位于1100米高度時，作用距離達到了20～30公里。1995年，美國與日本兩顆相距3.9萬公里的衛(wèi)星實現(xiàn)了互聯(lián)，并完成了8分鐘的激光通信。到現(xiàn)在歐美日在空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)取得了相當矚目的成績。

1985年，歐洲空間局研制了SILEX系統(tǒng)，在試驗的基礎(chǔ)驗證衛(wèi)星間激光通信的所有技術(shù)。系統(tǒng)從SPOT-4上的低軌道終端向ARTEMIS上的同步軌道終端傳輸50Mb/s的數(shù)據(jù)。同時在ARTEMIS上還裝備有一個定位裝置，可使其系統(tǒng)上的望遠鏡（亦即光學(xué)天線）對準SPOT_4后其他任何低軌道高度大于1000km的LEO空間飛行器，并向GEO終端傳送2Mb/s的數(shù)據(jù)。

1989年，在德國政府支持下，空間固體激光通信 試 驗（Solid State Laser Communications in Space，SOLACOS）開始實施，它是一個高碼率衛(wèi)星間激光通信計劃。該項目建立了完整的計算機仿真系統(tǒng)，同時制造了一套用于測試的試驗?zāi)M系統(tǒng)，其試驗?zāi)Ｐ陀?997年完成。該終端采用固體激光器和相干接收，波長1064nm、發(fā)射功率1W的Nd：YAG激光器，通信速率可達650Mb/s。SOLACOS終端發(fā)射孔徑150ram，質(zhì)量70kg?？梢杂脕磉M行星問激光通信和星地激光通信。

1994年，美國JPL實驗室研制成功OCD通信端機演示系統(tǒng)，數(shù)據(jù)率可達250Mb/s，通信波長采用800nm波段，用OOK調(diào)制方式。它具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕（15kg）、體積小、功耗低等特點。

1995年，在NASA的資助下，美國Ball公司完成了LCDS系統(tǒng)（Laser Communication Demonstration System）。該系統(tǒng)具備 1Gb/s的 LED—GEO、距離為40000km的GEO-LEO星際通信和GEO-航空平臺激光通信能力，系統(tǒng)重量84磅（約37.8kg），功耗96W。

1996年，美國TT公司首次成功地進行了飛機對地面站間的激光通信試驗，飛機的飛行高度11km，飛機距地面站距離20km～30km，傳輸速率1Gb/s。

1998年，ESA成功研制了光學(xué)演示終端SROIL（Short Range Optical Intersatellite Link）。該終端的發(fā)射機以半導(dǎo)體激光器泵浦的1064nm波長Nd：YAG激光器作為光源，相干體制的接收機采用二進制相移鍵控調(diào)制方式和零差探測，通信系統(tǒng)的發(fā)射天線孔徑為350nm，通信碼率1.5Gb/s，誤碼率低于10-6，總質(zhì)量為 15kg，功率為 40w。

1999年，TT公司還使用T39A飛機為搭載平臺進行了飛機一飛機間激光鏈路通信試驗，飛行高度約為40000英尺（約12192km），通信距離50km～500km，速率 1Gb/s，誤碼率10-6。

2000年，日本研制了用于國際空間站（ISS）對地的雙向超高速光通信端機LCDE（Laser Communication Demonstration Equipment），其上行碼率為1.2Gb/s，下行碼率為2.5Gb/s，使用1550nm波段作為通信光，功耗小于115W，質(zhì)量小于90kg。

同年，JPL成功建立了一套高魯棒APT子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)在OCD基礎(chǔ)上進行改進，通信速率2.5Gb/s，通信波長1550nm，發(fā)射功率200mW。

也是在這一年，在BMDO資助下，TT公司研制STVR-2衛(wèi)星通信LCT光端機和地面光端機。將LCT作為TSX-5衛(wèi)星有效載荷之一，2001年開展星地激光通信演示驗證。

2005年，日本的 OICETS（LEO）與 ESA的 ARTEMIS衛(wèi)星（GEO）成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2006年12月，法國國防部采辦局（DGA）與歐洲航空防務(wù)與空間公司（EADS）進行了機載激光鏈路技術(shù)演示器（LOLA）的演示試驗，第一次實現(xiàn)了地球同步衛(wèi)星和飛機之間激光通信。先后開展了近50余次的空一星激光通信試驗。通信距離40000km、通信速率50Mb/s、飛機海拔高度9km。

2008年3月，德國Terra SAR-X衛(wèi)星與美國NFIRE衛(wèi)星問實現(xiàn)距離為5000km的星際相干激光通信，通信速率5.65Gb/s，通信波長為1064nm。使用口徑為125mm的望遠鏡，終端質(zhì)量小于30kg，功耗低于130W。該終端采用二進制相移鍵控調(diào)制，檢測方式是零差相干檢測。

我國空間激光通信研究與歐、美、日相比起步較晚，已進行了關(guān)鍵技術(shù)、原理樣機和野外試驗等研究，并開始部分工程化研究。開展空間光通信研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)、電子科技大學(xué)、上海光機所、航天504 所、長春理工大學(xué)等。目前已取得一定成果。

2010年8月研制出7.5G速率空間激光通信系統(tǒng)，并在在青海省青海湖成功進行了7.5G速率40km距離的自由空間激光通信試驗。

在國內(nèi)，目前空間光通信技術(shù)的發(fā)展才處于初級階段，及時了解空間光通信的最新動向，以及領(lǐng)航者的研究布局，對我們發(fā)展空間光通信具有很強的借鑒和指導(dǎo)意義。

4 空間激光通信的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢

空間激光通信技術(shù)作為一種很優(yōu)越的通信手段，應(yīng)用前景十分廣闊。

首先它既可以作為實現(xiàn)全球個人通信的重要技術(shù)選擇，又可以解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”的瓶頸。具有十分廣闊的市場和美好的應(yīng)用前景。星間激光通信將成為建立全天候綜合信息網(wǎng)和區(qū)域天基綜合信息主干線的必要通信手段，也必將成為未來移動通信和全球多媒體通信的一個必不可少的環(huán)節(jié)。

近地面的FSO可以解決通信寬帶網(wǎng)絡(luò)的最后一公里的接入問題，從而實現(xiàn)光纖到桌面，完成語音、數(shù)據(jù)、圖像的高速傳輸，拉動聲訊服務(wù)業(yè)和互動影視傳播，實現(xiàn)“三網(wǎng)融合”，有利于電子政務(wù)、電子商務(wù)和遠程教育及遠程醫(yī)療的發(fā)展，并將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。在一下幾個方面也將得到廣泛的應(yīng)用：光纖通信網(wǎng)的完善和延伸，有效提高光通信網(wǎng)的覆蓋面；重要光纖通信鏈路的備份，多根不同路徑的光纖備份方式通常不可實現(xiàn)且耗資巨大，利用近地的空間激光通信（FSO）作為光纖備份既經(jīng)濟又方便；不便鋪設(shè)光纖場合的寬帶通信，如大城市繁華地帶的公司內(nèi)部的兩幢大樓之間，地形險惡的兩通信樞紐站之間的寬帶通信；保密通信，如銀行、工商及公司內(nèi)部涉密信息的寬帶傳輸?shù)龋豢焖俨渴饳C動通信，如因戰(zhàn)爭或水災(zāi)、山體滑坡等導(dǎo)致的兩個光纖節(jié)點之間的通信恢復(fù)；空間立體網(wǎng)絡(luò)組建；光纖、微波、FSO混合網(wǎng)絡(luò)的組建等。

軍事上，空間激光通信可廣泛應(yīng)用于軍事野戰(zhàn)通信網(wǎng)、空間機群指揮、海上艦艇編隊間無線電靜默期間通信、戰(zhàn)時應(yīng)急通信。具體地，可架在高山之間完成邊防哨所和森林觀察的通信；可以臨時架設(shè)解決必要的戰(zhàn)時指揮所之間的保密通信問題；可以實現(xiàn)與計算機的聯(lián)網(wǎng)或作為移動通信的轉(zhuǎn)接站；可架設(shè)在海岸、島嶼或艦船上實現(xiàn)短距離的移動大氣激光通信。

有著如此光明的前景，空間激光通信技術(shù)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，具體來說主要包括以下幾方面的轉(zhuǎn)變，由強度調(diào)制/直接探測向零差相干體制發(fā)展，由傳統(tǒng)光通信向空間量子通信變革，星載設(shè)備朝光子集成化升級，天基網(wǎng)絡(luò)一體化演變，開拓深空光通信等[6]。

未來衛(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，建立全球商用衛(wèi)星激光通信網(wǎng)。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。地面FSO 系統(tǒng)將進一步提高全天候工作的能力和自動跟蹤精度。技術(shù)研究方面，有效的信道補償算法、快速精確的ATP 技術(shù)、自適應(yīng)變焦的光學(xué)天線技術(shù)、新的調(diào)制和編碼技術(shù)須取得進一步的突破?？臻g光通信聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間光波分復(fù)用技術(shù)也將成為今后空間光通信研究的重要課題。

5 結(jié)論

空間激光通信技術(shù)作為一項很有發(fā)展前景的通信技術(shù)正受到越來越多重視，經(jīng)過30 多年的發(fā)展，歐洲已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速（5.625Gb/s）、低誤碼率的空間相干光星間通信鏈路。種種跡象都表明，空間激光通信技術(shù)將導(dǎo)致一場新的通信革命，要想在未來的全球軍事和商業(yè)通信中占得先機，就必須大力發(fā)展該技術(shù)。雖然我國在這方面起步比較晚，但由于各元器件和技術(shù)已趨于成熟，加之我們也有一定的基礎(chǔ)，借鑒外國經(jīng)驗，取得跨越式發(fā)展也指日可待。這就需要我們及時把握國際上空間光通信的最新動向，認真研究各種新技術(shù)以求為我所用。

[1] 蔣麗娟，空間激光通信技術(shù)及其發(fā)展[A]，面向21世紀的科技進步與經(jīng)濟社會發(fā)展（上冊）[C]，1999.

[2] 孫兆偉，吳國強，孔憲仁，國內(nèi)外空間光通信技術(shù)發(fā)展及趨勢研究[A]，無線光通信，2005，29（9）：61-64.

[3] 付強，姜會林等，空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[A]，中國光學(xué)，2012，5（2）：116-125.

[4] 王佳，俞信，自由空間光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向綜述，光學(xué)技術(shù)，2005，31（2）：259-262.

[5] 李英超，胡源，趙義武，等.發(fā)展空間激光通信，提高對地觀測效能[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，34（1）：1-4.

[6] 馬東堂，魏急波，莊釗文.空問激光通信及應(yīng)用[J].半導(dǎo)體光學(xué)，2003，24（2）：139-144.

[7] 劉宏展，孫建鋒，劉立人.空間激光通信技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].光通信技術(shù)，2010，34（8）：39-42.

[8] KARAFOLAS N，SODNIK Z，AMENGOL J M P，et al.Optical communications in space[C].ONDM 2009，1-6.

[9] PENG C，YANY T，BAO X，et al.Experimental free-space distribution of dntangled photon pairs over 13 km：towards satellite-Based global quantum communication[J].Physical Review Letters，2009，94（15）：150501-1-4.

[10] 潘文，胡渝.美國空間激光通信研究發(fā)展概況及現(xiàn)狀[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2008，27（5）：541-542.

[11] 王曉梅.空間激光通信系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2010，（10）：33-35.

[12] 徐香，王平.衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].艦船電子工程，2010，28（3）：87-89.

[13] 胡貞，姜會林，佟首峰等.空間激光通信終端ATP技術(shù)與系統(tǒng)研究[J].兵工學(xué)報，2011，32（6）：752-757.

[14] 佟首峰，姜會林，張立中.高速率空間激光通信系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2010，39（4）：649-654.

[15] 胡鶴飛，劉元安.高速率空間激光通信系統(tǒng)在空天信息網(wǎng)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用光學(xué)，2011，32（6）：1270-1274.