空间激光通信组网光学原理研究_姜会林

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｕｒｇｅｎｔ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｄａｔａ ｒａｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｒａｔｅ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｍｍｉｎｅｎｔ．Ｂａｓｉｃ
线可以同时接收不 同 轨 道、不 同 方 位 空 间 光 端 机 发 射 来 的 激 光 束 ，也 可 以 同 时 发 出 适 用 于 不 同 轨 道 、不 同方位空间光端机接收的激光束。由于抛物面上总 存在一点 是 由 射 向 焦 点 的 光 线 与 抛 物 面 相 交 形 成 的 ，且 该 点 具 有 唯 一 性 ，只 有 该 点 的 反 射 光 线 平 行 于 对称轴出射，难以满 足 通 信 系 统 对 接 收 光 能 量 的 要 求 。 为 此 ，对 该 抛 物 面 结 构 进 行 了 改 造 ，将 该 点 扩 大 成一个镜面，利用多 个 镜 面 片 拼 接 出 一 个 旋 转 抛 物 面形状，即设计了一 种 基 于 旋 转 抛 物 面 的 多 反 射 镜 拼接结构的多点激光通信天线。其通信光端机系统 总体结构如下图４所示。
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ
Ｊｉａｎｇ Ｈｕｉｌｉｎ Ｈｕ Ｙｕａｎ Ｄｉｎｇ Ｙｉｎｇ Ｆｕ Ｑｉａｎｇ Ｚｈａｏ Ｙｉｗｕ Ｄｏｎｇ Ｋｅｙａｎ Ｓｏｎｇ Ｙａｎｓｏｎｇ Ｌｏｕ Ｙａｎ
（Ｓｐａｃｅ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ １３００２２，Ｃｈｉｎａ）
若采 用 旋 转 抛 物 面 作 为 光 学 天 线，任 何 方 向 发 来的通信光束（近 似 被 看 为 平 行 光），都 会 有 一 条 光 束的方向通过抛物 面 的 焦 点，可 以 平 行 于 对 称 轴 反 射并进入后续系 统 中。 但 其 他 光 束，因 不 通 过 焦 点 而不具有这样的 性 质。 于 是 就 存 在 一 个 问 题，若 旋 转抛物面不经过改 造，则 其 通 信 光 能 利 用 率 就 太 低 了 （因 为 只 有 少 数 光 束 能 进 入 后 续 系 统 中 ）。
的 ０．８５ 倍 。 再取抛物面的高度 Ｈ ＝＝２００ ｍｍ，去 掉 其 底
部通信盲区后，近似有 Ｈ＊ ＝０．９ Ｈ ＝１８０ ｍｍ，则 每 层 高 度 ｈ＝９０ ｍｍ，所 以 每 块 镜 片 面 积 为
Ｓ２
＝
Ｌ Ｎ
×０．８５×ｈ
≈ ５３００ ｍｍ２．
（８）
而入射光全口 径 面 积 在 取 Ｄ＝＝２００ ｍｍ，θ≤３０°
收 稿 日 期 ：２０１２－０４－０９；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１２－０５－０８ 作者简介：姜会林（１９４５—），男，教授，博士生导师，主要从事光学系统总体设计、光电检测技术和激光通 信 技 术 等 方 面 的
研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｌｊｉａｎｇ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ ＊ 通 信 联 系 人 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｙ＠ｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ｌ：ｙ０ｙ ＝２ｐ（ｘ＋ｘ０）２ｐｘ －ｙ０ｙ＋２ｐｘ０ ＝０． （１）
直线 ＰＦ（Ｆ 为焦点）的方程为
ｙ
＝
ｙ０ （ｘ ｘ０ －ｐ
－ｐ）ｙ０ｘ
－
（ｘ０
－ｐ）ｙ－ｐｙ０
＝ ０．
（２）
抛 物 线 的 对 称 轴 方 程 为 ｙ＝０。
设切线 Ｌ 与直线ＰＦ 的锐 夹 角 为θ１，切 线 Ｌ 与
对 称 轴 的 锐 夹 角 为θ２ ，计 算 可 得
下两层镜片，每层毎周镜片数为 Ｎ，取 Ｎ ＝ ９，则毎
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姜 会 林 等 ： 空 间 激 光 通 信 组 网 光 学 原 理 研 究
两块镜片间夹角α＝ ３６Ｎ０°＝ ４０°。现 取 上 层 结 构 进 行计算。旋转抛物面 上 端 周 长 Ｌ＝２πＲ＝６２８ ｍｍ， 考虑到每块镜片近 似 为 梯 形，取 其 腰 的 宽 度 为 上 端
ｃｏｓθ１ ＝ｃｏｓθ２．
（４） （５）
图１ 抛物线光学原理示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐａｒａｂｏｌａ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
式中θ１，θ２ 均为锐角，所以θ１ ＝θ２。由于Ｌ 为切线并 根 据 反 射 定 律 可 知θ′１ ＝θ１ ，因 此θ′１ ＝θ２ 。
空间激光通信组网的主要难点是由于远距离、 高 速 率 、保 密 安 全 通 信 的 要 求 ，使 得 通 信 用 光 端 机 的 发射束散角和接收 视 场 角 都 很 小，因 此 必 须 提 出 新 的光学原理，才 能 实 现 多 点 间 激 光 通 信。 本 文 鉴 于 当前国内外开展空间激光通信及组网研究的形势和
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔａｒｇｅｔｓ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ａｎｄ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｍｉｒｒｏｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｂｏｌｏｉｄ ｏｆ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ，ｒｅｌａｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ， ｐｏｉｎｔｉｎｇ，ｔｒａｃｋｉｎｇ （ＡＰＴ）ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｗａｙ ｆｏｒ ｓｐａｃｅ ｌａｓｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｔｅｎｎａ；ｐａｒａｂｏｌｏｉｄ ｏｆ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ０６０．４５１０；０６０．２６０５；０６０．１１５５
合的 双 层 低 轨 道 全 球 通 信 组 网 方 案 等 ［７］ ，但 国 际 上 至今还未见激光通信组网的成功应用报道。国内对 激光链路组网的研 究 还 处 于 起 步 阶 段，主 要 集 中 在 总体设想及网络 协 议 等 方 面 ，针 ［８～１３］ 对 具 体 激 光 通 信组网系统的深入研究也未见报道。
根据 上 述 证 明 可 知：旋 转 抛 物 面 具 有 入 射 光 线 通过焦点时，反射光 线 与 旋 转 对 称 轴 平 行 的 光 学 性 质。由此可以考虑，若 把 旋 转 抛 物 面 （改 造 后）作 为 空间激光通信的一 个 终 端 光 学 天 线，则 可 以 实 现 一 点 对 多 点 通 信 ，进 而 实 现 激 光 通 信 链 路 组 网 。 ２．２ 光 能 利 用 率
与 ＸＯＹ 面夹角为θ，该光束在 ＸＯＺ 面上投影为Ｓ１，
则近似有
Ｓ１
≈
π［Ｄ／ｓｉｎ（π／２－θ）］Ｄ ４
＝
πＤ２ ． ４ｃｏｓθ
（６）
如果改造后的旋转抛物面在通信中利用的镜片面积
为Ｓ２，则通信光能利用率η 可表示为
η
＝
Ｓ２ Ｓ１
．
（７）
如 图２ 所 示 ，设 旋 转 抛 物 面 的 口 径 为＝２００ｍｍ，上
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光 学 学 报
未来发展ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ势，对空 间 激 光 通 信 组 网 原 理 和 方 案 进 行 探 讨 ，希 望 能 提 供 一 种 有 价 值 的 技 术 途 径 。
２ 组网光学原理
２．１ 光 学 天 线 与 性 能 为 了 实 现 多 目 标 同 时 通 信，需 要 尽 量 增 大 光 学
为了 提 高 天 线 的 光 能 利 用 率，提 出 把 抛 物 面 改 造成为以旋转抛物 面 为 基 底 的 多 镜 片 拼 接 结 构，如 图２所示。
图２ 光学天线结构示意图
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｔｅｎｎａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
假设入射到光学天线的通信光 束 口 径 为 Ｄ，若
天线的可视范围，可 采 用 抛 物 面、椭 球 面、双 曲 面 或
者其他形式的自由曲面作为光学天线。分析了多种 曲面形式的光学性 质 之 后，本 文 以 旋 转 抛 物 面 为 例
进行讨论。
如图 １ 所 示，假 设 抛 物 线 方 程 为 ｙ２ ＝ ４ｐｘ， Ｐ（ｘ０，ｙ０）为抛物线上一点，则ｙ２０ ＝４ｐｘ０。过点Ｐ 的 切线为
ｃｏｓθ１ ＝
２ｐｙ０ ＋ （ｘ０ －ｐ）ｙ０
＝
槡４ｐ２ ＋ｙ２０ 槡ｙ２０ ＋ （ｘ０ －ｐ）２
ｘ０ｙ０ ＋ｐｙ０
＝
槡４ｐ２ ＋４ｐｘ０ 槡４ｐｘ０ ＋ｘ２０ －２ｐｘ０ ＋ｐ２
ｙ０
，
槡４ｐ （ｐ＋ｘ０ ）
（３）
ｃｏｓθ２ ＝ －ｙ０ ＝
－ｙ０
＝
槡４ｐ２ ＋ｙ２０ 槡４ｐ２ ＋４ｐｘ０
ｙ０
，
槡４ｐ（ｐ＋ｘ０）
的情况下，根据（６）式 计 算 可 知 Ｓ１≈３５０００ ｍｍ２，所
以一块镜片的光能利用率为
η
＝
Ｓ２ Ｓ１
≈ １５％ ．
（９）
在系统设计时，应 考 虑 用 主 反 射 镜 片 的 相 邻 镜
片“协助”的办法。 假 设 有 一 块 相 邻 镜 片 “协 助”，则
光能利用 率 可 达 到 ３０％。 其 中 “协 助”镜 片 的 工 作 原理如图３所示。
１ 引 言
目 前，空 间 激 光 通 信 技 术 研 究 基 本 上 都 是 点 对 点 形 式 的 ［１～４］，然 而 从 应 用 的 角 度 看 ，如 果 实 现 多 点 间 的 空 间 激 光 通 信 ，建 立 起 信 息 传 输 网 络 ，具 有 更 大 的实用价值。近年 国 际 上 已 经 开 展 相 关 研 究，如 美 国 计 划 在 ２０１６ 年 实 施 “转 型 卫 星 通 信 系 统 （ＴＳＡＴ）”全球通信组网计划的构想，拟 采 用 微 波 通 信与激 光 通 信 相 结 合 的 方 式［５］；德 国 计 划 建 立 以 ＧＥＯ 为中继，与 ＬＥＯ、地面站和高空探测器等之 间 的 激 光 通 信 链 路［６］；日 本 提 出 激 光 与 微 波 通 信 相 结
第 ３２ 卷 第 １０ 期 ２０１２ 年 １０ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１２
空间激光通信组网光学原理研究
姜会林 胡 源＊ 丁 莹 付 强 赵义武 董科研 宋延嵩 娄 岩
（长春理工大学空间光电技术研究所，吉林 长春 １３００２２）
摘要 随着高分辨率观测技术的发展 和 高 数 据 率 信 息 传 输 的 迫 切 需 求，研 究 高 速 率 激 光 通 信 的 组 网 技 术 迫 在 眉 睫。分析了空间激光通信链路组网所需 要 满 足 的 基 本 要 求 及 其 实 现 中 必 须 解 决 的 技 术 难 点，提 出 了 组 网 光 学 原 理，同时研究了一种可用于多目标间同时进行激光通 信 的 技 术 方 案，设 计 了 以 旋 转 抛 物 面 为 基 底 的 多 反 射 镜 拼 接 结构的光学天线、中继光学系统以及发射接收与捕获、跟踪和对准（ＡＰＴ）系统，为空间 激 光 通 信 链 路 组 网 提 供 了 新 的技术途径。 关 键 词 光 通 信 ；组 网 光 学 原 理 ；光 学 系 统 天 线 ；旋 转 抛 物 面 中 图 分 类 号 ＴＮ９２９．１ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１２３２．１００６００３