空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

張 宇,剛建勛,杜 茜

(1.中國(guó)人民解放軍91599部隊(duì),山東萊陽(yáng),265200;2.中國(guó)人民解放軍92212部隊(duì),山東青島,266002; 3.西安微電子技術(shù)研究所,陜西西安,710065)

空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

張 宇1,剛建勛2,杜 茜3

(1.中國(guó)人民解放軍91599部隊(duì),山東萊陽(yáng),265200;2.中國(guó)人民解放軍92212部隊(duì),山東青島,266002; 3.西安微電子技術(shù)研究所,陜西西安,710065)

首先，本文對(duì)現(xiàn)階段空間激光通信發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入探究，分別對(duì)高功率、高速率激光調(diào)制發(fā)射技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境下維持高靈敏度的光信號(hào)接收技術(shù)、高精度APT技術(shù)以及發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)及基臺(tái)技術(shù)進(jìn)行介紹；接下來(lái)，又提出了空間激光通信發(fā)展趨勢(shì)，包括通信速率繼續(xù)提高及光通信組網(wǎng)取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩個(gè)方面。

空間激光通信；通信網(wǎng)絡(luò)；發(fā)展趨勢(shì)

0 前言

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累和探索研究，目前，空間激光通信應(yīng)用已取得了巨大的發(fā)展成就，不僅能夠有效解決微博通信的難題，構(gòu)建可靠的天基寬帶網(wǎng)，還可通過(guò)對(duì)地觀測(cè)，完成海量數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸，應(yīng)用范圍十分廣泛，無(wú)論是民用領(lǐng)域，還是軍事領(lǐng)域，都擁有著巨大的開發(fā)潛力。因此，近幾年來(lái)，各個(gè)國(guó)家都展開了針對(duì)空間激光通信的深入研究，尤其是歐盟、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，已將這一技術(shù)作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域，并投入了巨大的資金和人才力量。我國(guó)為了在空間激光通信領(lǐng)域取得進(jìn)展，就應(yīng)對(duì)對(duì)其現(xiàn)階段的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，認(rèn)清發(fā)展現(xiàn)狀，從而更好地把握其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)并做好相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備。

1 現(xiàn)階段空間激光通信發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)探究

1.1 高功率、高速率激光調(diào)制發(fā)射技術(shù)

目前，空間激光通信領(lǐng)域的發(fā)展中，在激光調(diào)制發(fā)射技術(shù)方面，已達(dá)到高功率及高速率的發(fā)展水平。整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)中，由激光器，驅(qū)動(dòng)器，溫度控制，功率控制，光放大器，光學(xué)天線以及通信編碼等部分構(gòu)成。與此同時(shí)，還采用了電子濾波，光學(xué)濾波的方案，通過(guò)自適應(yīng)技術(shù)濾波技術(shù)，使信噪比得以提高。

1.2 復(fù)雜環(huán)境下維持高靈敏度的光信號(hào)接收技術(shù)

在激光接收方式上，現(xiàn)階段常用的有兩種，分別是直接探測(cè)及相干探測(cè)。其中，直接探測(cè)方法的應(yīng)用更為廣泛，是空間激光通信系統(tǒng)的常見(jiàn)手段，在技術(shù)上更為成熟。但仍有一定不足，表現(xiàn)為在探測(cè)過(guò)程中，元器件性能的高低，直接會(huì)對(duì)探測(cè)靈敏度產(chǎn)生影響。探測(cè)靈敏度與通信速率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的比例關(guān)系，即如果通信速率升高，那么其靈敏度必然下降。因而在其他技術(shù)條件不變的情況下，如果使用相干探測(cè)方法，對(duì)于光接收機(jī)而言，將對(duì)靈敏度的提升產(chǎn)生積極的作用，一般提高幅度可到10~20dB。但與此同時(shí)，相干探測(cè)對(duì)應(yīng)用條件有更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)光必須與本振光之間應(yīng)表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，頻率應(yīng)保持穩(wěn)定，同時(shí)在空間光場(chǎng)匹配上，也應(yīng)盡量做到精確。為了實(shí)現(xiàn)這一探測(cè)方法，需配合應(yīng)用復(fù)雜的系統(tǒng)，技術(shù)難度較大，但由于所達(dá)到的靈敏度更高，因此已成為當(dāng)前的重點(diǎn)研究對(duì)象。

1.3 高精度APT技術(shù)

為達(dá)到高精度實(shí)時(shí)跟蹤的目的，可利用粗精復(fù)合軸APT技術(shù)。在應(yīng)用粗跟蹤的情況下，可獲得更大的視場(chǎng)，同時(shí)可降低伺服帶寬，因此可實(shí)現(xiàn)快速捕獲，使粗跟蹤更加穩(wěn)定，操縱信標(biāo)光斑，使其移入精跟蹤視場(chǎng)。進(jìn)入到精跟蹤環(huán)境下，動(dòng)態(tài)范圍將相對(duì)縮小，同時(shí)提高伺服帶寬，實(shí)現(xiàn)跟蹤精度的提升，對(duì)于粗跟蹤帶來(lái)的殘差，可對(duì)其進(jìn)行有效控制。對(duì)于復(fù)合軸APT分系統(tǒng)而言，其最終可達(dá)到的精度，將與精跟蹤伺服的單元性能緊密關(guān)聯(lián)。

1.4 發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)及基臺(tái)技術(shù)

為了順利實(shí)現(xiàn)通信，首先應(yīng)安排好發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)及基臺(tái)。在整個(gè)空間激光通信過(guò)程中，這一技術(shù)設(shè)施起著極為關(guān)鍵性的作用。為了保證其性能的正常發(fā)揮，應(yīng)采用集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更為完善的功能，如實(shí)現(xiàn)基臺(tái)小型化設(shè)計(jì)，輕量化設(shè)計(jì)，還可進(jìn)行消雜光設(shè)計(jì)，同時(shí)完成高精度裝調(diào)，針對(duì)重點(diǎn)研發(fā)方向進(jìn)行研究探索。

2 空間激光通信發(fā)展趨勢(shì)

2.1 通信速率繼續(xù)提高

目前，APT技術(shù)已經(jīng)取得了較大突破，這使得通信性能的標(biāo)準(zhǔn)提高，并成為研究的核心要點(diǎn)。由于速率與靈敏度成反比，發(fā)射功率與遠(yuǎn)通信距離在參數(shù)上存在一定矛盾，為了解決上述問(wèn)題，通信分系統(tǒng)得以研制成功，波段為1550nm，能夠在高速率調(diào)制的同時(shí)，完成高功率發(fā)射，由于發(fā)射功率較高，因而即使在高速率的條件下，仍能維持良好的靈敏度。另外還研制成功了空間相干激光通信分系統(tǒng)，與傳統(tǒng)IM/DD探測(cè)技術(shù)相比，在這種新的探測(cè)方式應(yīng)用下，相干通信的高靈敏度得到了有效發(fā)揮。這樣一來(lái)，其傳輸速率就可升至Gbps量級(jí)。目前，國(guó)外針對(duì)未來(lái)5-10年的技術(shù)研究，制定了相應(yīng)的空間激光通信計(jì)劃，通信速率指標(biāo)有所提升，需達(dá)到5-40Gbps。根據(jù)鏈路不同，能夠滿足高分辨率，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸。

2.2 光通信組網(wǎng)取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

從當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)的系統(tǒng)性能正不斷提高，原有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，正逐漸被新興的光通信組網(wǎng)所取代。中繼轉(zhuǎn)發(fā)正成為技術(shù)的核心要點(diǎn)，整體的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造則成為主流的發(fā)展方向。為了使天空及地面得到全方位覆蓋，保證信息傳輸?shù)臅r(shí)效性，就必須構(gòu)建一個(gè)完善的天基信息網(wǎng)絡(luò)，使同步靜止軌道，中軌道，以及低軌道衛(wèi)星，航天飛機(jī)，宇宙飛船，浮空平臺(tái)，航空平臺(tái)，以及地面平臺(tái)互相連接。

3 我國(guó)空間激光通信的發(fā)展概況

目前，我國(guó)也開始在空間激光通信技術(shù)的研究方面進(jìn)行了大力投入，并取得了良好成效。在這些研究項(xiàng)目中，主要是圍繞相同的研究課題，從不同的角度，展開通信的研究。從表1可以得知，在空間激光通信這一領(lǐng)域，我國(guó)主要研究機(jī)構(gòu)所確定的不同研究方向。面對(duì)科技競(jìng)爭(zhēng)空前激烈的當(dāng)今發(fā)展時(shí)代，為了使我國(guó)的綜合國(guó)力得以進(jìn)一步提升，提高科技實(shí)力，就應(yīng)當(dāng)把握機(jī)遇，大力進(jìn)行空間激光通信的研發(fā)，突破關(guān)鍵技術(shù)，展開系統(tǒng)性的研究，使其

表1 我國(guó)研究機(jī)構(gòu)及研究方向

迅速轉(zhuǎn)向應(yīng)用領(lǐng)域，從而為一體化的通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，以及信息組網(wǎng)的建設(shè)，提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)保障。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行全面深入的分析和探究，指出在現(xiàn)階段的發(fā)展過(guò)程中，空間激光通信已成為國(guó)際領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有著廣闊的發(fā)展前景。本文對(duì)現(xiàn)階段空間激光通信發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳盡的說(shuō)明，同時(shí)也對(duì)空間激光通信發(fā)展趨勢(shì)提出了一定看法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)我國(guó)空間激光通信的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概括。

[1] 呂春雷,佟首峰,姜會(huì)林,張?jiān)品?深空激光通信的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，11(01)：141-142.

[2] 張來(lái)線,孫華燕,樊桂花,趙延仲,鄭勇輝.貓眼逆向調(diào)制自由空間激光通信技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)光學(xué)，2013，18(05)：185-186.

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The research status and development trend of space laser communication

Zhang Yu1,Gang Jianxun2,Du Qian3
（1.Chinese people's Liberation Army 91599 troops,Laiyang Shandong,265200; 2.Chinese people's Liberation Army 92212 troops,Qingdao Shandong,266002; 3.Xi'an Institute of microelectronics technology,Xi'an, Shaanxi,710065)

First,this paper the key technologies of at this stage in the development of space laser communication launched a probing,respectively under the high power, high speed modulation of laser emission technology and complex environment to maintain high sensitivity optical signal receiving technique,high precision of APT Technology and emission receiving optical system and the base station technology are introduced.Then,it puts forward the development trend of space laser communication,including communication rates continue to improve and optical communication network instead of point to point communication.

space laser communication;communication network;development trend