深空探测中的光学(论文)

目录

一、引言 (2)

二、深空通讯技术的概念及发展 (3)

2.1、通讯技术的基本概念 (3)

2.2、深空中光通信系统的结构及原理 (4)

2.3、深空中光通讯的特点 (5)

三、深空光通讯中主要技术 (7)

3.1、光束准直及天线技术 (7)

3.2、高码率调制、高能量转换效率的发射技术 (8)

3.3、高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术 (9)

3.4、调制与编码技术 (9)

3.5、捕获、瞄准和跟踪技术(APT) (10)

3.6、深空光通讯中的其他技术 (11)

四、深空光通讯的发展趋势和给我们的启示 (12)

五、对未来深空光通信的展望 (13)

参考文献 (14)

一、引言

当前,世界上正兴起一个深空探测的热潮,主要的目的是开发和利用空间资源,发展空间技术,进行科学研究,探索太阳系和宇宙的起源,扩展人类的生存空间,为人类社会的长期可持续发展服务。我国以“嫦娥”探月工程为起点的深空探测也已经启动, 正逐步深入发展。深空探测是指对2 ×106 km以远的天体和空间进行的探测。在1988年以前,国际电信联盟( ITU)也曾将月球及月球以远的探测定义为深空探测,因此,目前这两种定义方法都在应用。实施探测的航天器称为深空探测器,对其测控通信的系统称为深空测控通信系统,它包括深空测控通信地面站和空间应答机两大部分。它的主要功能是:跟踪、遥测、指令控制和数传(TTC&DT) ,在深空探测器的整个飞行过程中,需要对其测控以保证其飞行轨道的准确,而在进入探测过程以后,需要传回探测信息。它是深空探测的唯一信息线,至关重要,与其它测控系统相比其重要性更加突出。不同于现有的地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站,深空测控通信系统有着自己的特点和特殊技术问题。由于通信的距离很远,所以与此相关的技术问题总是处于测控通信技术发展的最前沿。在建设深空测控系统以前,应对它的特点进行研究,比较它与现有系统的区别, 抓住它特殊的、主要技术问题,重点地开展研究工作。

二、深空光通讯技术的概念及发展

2.1、光通讯技术的基本概念[1]

2.1.1、深空探测

深空探测是指对月球和月球以远的天体和空间进行的探测 ,实施探测的航天器称为深空探测器,对其测控通信的系统称为深空测控通信系统,它包括深空测控通信地面站和空间应答机两大部分。当前 ,世界上正兴起一股深空探测的热潮,主要的目的是:开发和利用空间资源、发展空间技术、进行科学研究、探索太阳系和宇宙的起源、扩展人类的生存空间、为人类社会的长期可持续发展服务。深空测控通信系统不同于现有的地基测控系统、天基测控系统、遥感地面接收站和卫星通信站,有着自己的特点和特殊技术问题,由于通信的距离很远,所以与此相关的技术问题总是处于测控通信技术发展的最前沿,在建设深空测控系统以前,应对它的特点进行研究,比较它与现有系统的区别,抓住其特殊的、主要的技术问题 ,有重点地开展研究工作。

2.1.2、通信

通信在不同的环境下有不同的解释，在出现电波传递通信后通信(Communication)被单一解释为信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。

2.1.3、光通讯

光通信就是以光波为载波的通信。增加光路带宽的方法有两种：一是提高光纤的单信道传输速率；二是增加单光纤中传输的波长数，

即波分复用技术。

光通信按光源特性可分为激光通信和非激光通信；按传输媒介的不同，可分为有线光通信和无线光通信（也叫大气光通信）。

2.2、深空光通信系统的结构及原理

2.2.1、深空光通信系统的结构[2]

图1 空间光通信系统物理结构框图

空间光通信系统的基本结构见图1,由光发射机、光接收机和空间光通道3部分构成,通信距离由视距方程确定,决定于发射机功率、接收机灵敏度、收发天线增益、光通道传播和损耗特性。当光发射机和光接收机座落于地面,光束通过地表或大气传播时,该系统即为普通的无线或大气光通信系统。当光发射机和光接收机分别置于地球卫星、航天飞机和人造空间站,光束通过宇宙空间传播时,该系统即为空间光通信系统。还可以构成地面站的光发射机和光接收机与飞行器上的光接收机和发射机间的地二空光通信系统。

2.2.2、基本光通讯原理

最基本的光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（图像或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。系统可传递图像和进行计算机间数据通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有图像信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出图像信号，最后通过功放经显示器接收，完成图像通信。可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、传输信道等几部分组成。接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。

2.3、深空中光通讯的特点

（1）、空间光通道通过自由空间传递信息，不受传播媒质色散和非线性效应限制，频带宽、容量大,是一种无损、无色散、无非线性和无需成本的信息传输通道。但光发射和接收天线结构比陆地光纤通信系统发送和接收耦合结构复杂，重量和尺寸大，制造、调整和运

行维护颇复杂，成本较高。

（2）、空间光通信利用激光束传递信息，与微波和毫米波通信相比,频率高波长短，波斑尺寸小，方向性好,系统增益和检测灵敏度高、抗干扰能力强，信息容量大，天线尺寸小、重量轻、功耗低,是实现宇宙空间高速通信的最佳选择。