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。接收望远镜能用于接收大面积的激光束，并聚焦成较小的光斑，起到恢复激光束本来面目的作用。（见图二发射接收原理图）

图二发射接收原理图

三、系统构成[4]

根据空间光通信系统的特点及要求，一个典型的光学通信终端应该由光收发端机系统，光学天线系统，光的捕捉瞄准跟踪系统（A TP）构成。

1.光发射端机

在系统中，光源直接影响天线的增益，探测器件的选择，天线直径，通信距离等参量，作为光源的激光器是激光通信机的核心部件之一，常见的系统均采用半导体激光器作为光源，并同时使用两只激光器分别作为信标光源和通信光源。

信标光激光器：由于信标光是当作系统的A TP，为使双方搜索方便，减少捕获时间，信标光源应具有较大的光束发散角，为保证接收端能接收到足够强的光信号，作为光源的激光器应有足够强的发射功率。

信号光激光器：通信用激光器应有较好的光束质量和较高的调制频率响应，由于信号光采用较小的发散角，所以可以采用功率较小的激光器。

2.光接收端机

光接收端机主要由光探测部分，低噪声前放部分及后续信号处理电路部分组成，鉴于篇幅原因，这里仅对光探测部分做简要的介绍。光探测部分主要完成以下功能：首先，探测对方发来的信标光确定其位置，给出位置误差信号用于驱动A TP单元，校正接收天线的方向，完成双端天线的粗对准；其次，在天线粗对准的情况下，探测对方发来的信号光，并利用信号光在四象限探测器上的坐标，确定信号光的位置，给出位置误差信号并提供给A TP单元，完成双端天线的精对准及跟踪；最后，探测对方发来的信号光，接收通信信号，完成通信功能。下面对信号光和信标光的接收作简单的分析。

（1）信号光接收的分析

信号光探测器完成通信任务，应有高的灵敏度，高的光电转换效率，低的噪声系数，较宽的带宽。接收通信信号的探测器一般都选用雪崩光电二极管（APD）。

（2）信标光接收的分析

信标光主要是作APT单元技术中提取误差信号的光源，通常在跟踪技术中分为粗跟踪和精跟踪两部分，空间光通信系统的捕捉，跟踪基本上都是采用高精度CCD传感器完成的。

3.光学天线

光学天线的作用有两个，第一个是可以对发射光束进一步扩束准直，第二个是接收另一个终端发出的激光束，将其聚焦并耦合到探测器上。

四、空间光通信中的关键技术

1.高功率激光器的选择

激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类：

二氧化碳激光器。输出功率最大（>10kw），输出波长有10.6m和9.6m，但体积较大，寿命较短，比较适合于卫星与地面间的光通信。

Nd：Y AG激光器。波长为1064nm，能提供几瓦的连续输出，但要求高功率的调制器并保证波形质量，因此比较难于实现，是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器，若使半导体发射谱线与Nd：Y AG激光器吸收谱线一致，可减少热效应，改善激光光束质量，提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。

二极管激光器（LD）。LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，并且可以直接调制，所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800～860nm 的ALGaAs LD和波长为970～1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有简单、高效的特点，并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性，在空间光通信中成为一个较好的选择。

2.快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（A TP）技术

这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成：捕获（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad；跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百祌ad，跟踪精度为几rad，跟踪灵敏度大约为几nW。

图三捕获、跟踪、瞄准的系统框图

3.精密可靠高增益的收、发天线

为完成系统双向互逆跟踪，空间光通信系统均采用收、发一体天线，隔离度近100%的精密光机组件。由于二极管激光器光束质量一般较差，要求天线增益高，另外为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件）总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25厘米。

4.大气信道

在地－地、地－空激光通信系统信号传输中，大气信道是随机的。大气中气体分子、水