空间激光通信技术研究综述

摘要 ： 空问激 光通信 是 目前相对较先进 的一种通信技术 ， 相比于传 统的微波通信 ， 它具有很多不可比拟 的优势 。 本文首先概述 了研究空 间激光通信技术 的必要性 ， 接着分析 了空间激光通信技术的系统组成 、 基本原理、 关键技术及其优势 ， 然后按照时间 顺序详细地论述 了国外空 间激光通信技术 的发展 历史及研 究现 状， 并对我 国空 间激光通信技术 的研究做 了简 明介绍 ， 最后详 细分析 了该技术 的应用前景 以及发展新动向， 并在结论部分给 出了当前激光通信技术所达 到的最新水平 。
０ 引 言
人类通 信 的历 史源远流 长， 从 古代 的狼烟通信 、 驿站通信 ， 到现代 的电报 电话通信 、 无线 电通信 、 光纤 通信等 ， 不仅仅 是通 信手段 发生 了巨变 ， 而且 也空前 地改变 了人类 的生活方式 。 今 天， 科技发展 日新月异 ， 空中、 地面 、 水下 都 已经被开辟为广阔的通 信空间， 采
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空 间激 光 通 信技 术 研 究综 述
李 静 赵树 波
（ １ ．中北 大学信息与通信 工程 学院， 山西 太原 ２ ． 重庆建设 工业（ 集团 ） 有 限责任公 司 ， 重庆
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０ ３ ０ ０ ５ １ ； ４ ０ ０ ０ ５ ４ ）
的生活将 更加丰 来自百度文库多彩 。 与此 同时， 航天 、 航空 、 航海 等都对空间激光通信技术提 出了迫切 需求 。
１ 空间激光通信技术系统组成、 关键技术及原理
空 间激光通信也称为无线光通信， 它是指利用激
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光束 作为载波在 空间直接进行 语音、 数据 、 图像 等信 息传输 的一种技术。 空 问激光通信 系统所涵盖 的平 台 有 深 空 探 测 器 、Ｇ Ｅ Ｏ卫 星 、Ｌ Ｅ Ｏ卫 星 空 间 站 、 临 近 空 间平 台、 航 空平 台、 地 面平 台、 水面平 台等， 不 同平 台 间可构成不 同的空间激光通信链路 。 其突 出特 点是是 搭载在 运动平 台上， 以激 光器作为光源 ， 并 以小束散 角发射 ， 实现高速率 、 远距 离信 息传输 。 例如 ， 星际激 光通信 系统 、 星地激光通 信系统 、 空空激光通信 系统 等。 空间通信技术 的基本原理实质上就是， 信息 电信 号通过调制加载在激光上， 通信 的两端通过初定位和 调整 ， 再经过光束 的捕获 、 瞄准 、 跟踪建立起光通信链 路， 然后再通 过光在真 空或大气信道 中传 输信 息。 空 间激 光通 信系统 按照功 能主要 分为 以下几个 部分 ： 光源 系统 、 发射和接 收系统 、 信 标系统 、 捕获 、 瞄准和 跟踪系统 四大块。 下面将分别对其进行讨论 。 （ １ ） 光源 系统
用高频激 光进行空 间卫星通信 已成 为现代通信 技术 发展的新焦 点。 有专家测算， 在理想 的情况下， 用激光
作载体 进行空 间卫星通信 ， 若话路 带宽为 ４ 千赫 ， 则 可容 纳 １ ０ ０亿条 话路 ； 若彩 色 电视带 宽 为 １ ０千赫 ，
则可 同时传送 １ ０ ０万 套 节 目而 互 不 干 扰 ， 届 时， 人 们
关键词 ： 空 间激 光 通 信 ； 星 际链 路 ： 通 信 模 式
中图分类号 ： Ｔ Ｎ ９ ２ ９ ． １ ２ 文献标 志码 ： Ａ
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测试 工 具 与解 决 方案
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第 ２ ０ ０ １ ３ — 年 ０ ４ ２ 期 月
在卫星激 光通 信 中， 通信光源 具有十 分重要 的作 用， 他直接 影响天线的增益 、 探测器件 的选择 、 天线直 径等参量 。 常用激光器 为波长在 ８ ０ ０～ ８ ５ ０ ｎ ｍ 范围 的Ａ Ｉ Ｇ ａ Ａ ｓ 激光 器 ， 该波长 范 围 内的 Ａ Ｐ Ｄ 探 测器件 工 作在峰值 ， 量子效率高、 增益 高。 采用倍频 Ｎ ｄ： Ｙ Ａ Ｇ激 光器 或氩 离子激 光器 得到 的波长在 ５ １ ４～ ５ ３ ２ ｎ ｍ的 激光器是星上激光光源 的良好选择 。 （ ２ ） 发射和接收系统 这是 空间激光通信的关键系统之一 ， 激光发射机 实质 上就是光源 、 调制器和 光学天线 的级联 ， 而接 收 机则 可看成是接 收天 线和探测 器、 解 调器 的级联 。 调 制 的作用是将 需要发射 的信 号 调制到光载波上 ； 探 测、 解 调是 通过 光 电转换 器 件将 光信 号转 换 为 电信 号。 探测 部分还包括滤波、 放大部分 ， 该部分也是卫星 光通信系统 中必不可少 的。 （ ３ ） 信 标系统 在空 间激光通信 系统 中 ， 通信信 号光束 发散角非 常 小， 因此 如果利 用信号光 束进行捕 获 、 瞄准将会 是 非常 困难 的过程 。 所 以在其 中要单独设立 一个激光信 标系统 。 信标 光束 主要是给 瞄准、 捕 获过程 提供一 个 较 宽 的光 束 ， 以便在 扫描 过 程 中易于 探测 到信 标 光 束， 然后进行 后面 的调整过程 。 （ ４ ） 捕 获、 瞄准和跟踪系统 捕获 、 瞄准和跟踪系统几乎可 以说是 整个空间激 光通信 系统 的心 脏 ， 也是 空间激光通 信技术 的难 点、 重 点。 各个 国家在对 空 间激光 通信系 统 的研 究 中， 都 提 出了一些捕获 、 瞄准 、 跟踪方案 ， 并对 相当一部分方 案进行 了实验室模拟 。 这些 方案在探 测时的扫描方式 以及探 测、 跟 踪传 感器 的选择 等方面 都有所 不 同， 但 实际采用的捕获 、 瞄准 、 跟 踪方案是基本 一致的 。