空間激光通信研究現狀及發展趨勢分析

張 宇,剛建勛,杜 茜

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

空間激光通信研究現狀及發展趨勢分析

張 宇1,剛建勛2,杜 茜3

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

首先，本文對現階段空間激光通信發展中的關鍵技術展開了深入探究，分別對高功率、高速率激光調制發射技術、復雜環境下維持高靈敏度的光信號接收技術、高精度APT技術以及發射接收光學系統及基臺技術進行介紹；接下來，又提出了空間激光通信發展趨勢，包括通信速率繼續提高及光通信組網取代點對點通信兩個方面。

空間激光通信；通信網絡；發展趨勢

0 前言

經過多年的技術經驗積累和探索研究，目前，空間激光通信應用已取得了巨大的發展成就，不僅能夠有效解決微博通信的難題，構建可靠的天基寬帶網，還可通過對地觀測，完成海量數據的即時傳輸，應用范圍十分廣泛，無論是民用領域，還是軍事領域，都擁有著巨大的開發潛力。因此，近幾年來，各個國家都展開了針對空間激光通信的深入研究，尤其是歐盟、美國、日本等發達國家，已將這一技術作為重點研究領域，并投入了巨大的資金和人才力量。我國為了在空間激光通信領域取得進展，就應對對其現階段的關鍵技術要點進行分析，認清發展現狀，從而更好地把握其未來的發展趨勢并做好相應的技術準備。

1 現階段空間激光通信發展中的關鍵技術探究

1.1 高功率、高速率激光調制發射技術

目前，空間激光通信領域的發展中，在激光調制發射技術方面，已達到高功率及高速率的發展水平。整個發射系統中，由激光器，驅動器，溫度控制，功率控制，光放大器，光學天線以及通信編碼等部分構成。與此同時，還采用了電子濾波，光學濾波的方案，通過自適應技術濾波技術，使信噪比得以提高。

1.2 復雜環境下維持高靈敏度的光信號接收技術

在激光接收方式上，現階段常用的有兩種，分別是直接探測及相干探測。其中，直接探測方法的應用更為廣泛，是空間激光通信系統的常見手段，在技術上更為成熟。但仍有一定不足，表現為在探測過程中，元器件性能的高低，直接會對探測靈敏度產生影響。探測靈敏度與通信速率呈現負相關的比例關系，即如果通信速率升高，那么其靈敏度必然下降。因而在其他技術條件不變的情況下，如果使用相干探測方法，對于光接收機而言，將對靈敏度的提升產生積極的作用，一般提高幅度可到10~20dB。但與此同時，相干探測對應用條件有更高的技術標準，信號光必須與本振光之間應表現出良好的相關性，頻率應保持穩定，同時在空間光場匹配上，也應盡量做到精確。為了實現這一探測方法，需配合應用復雜的系統，技術難度較大，但由于所達到的靈敏度更高，因此已成為當前的重點研究對象。

1.3 高精度APT技術

為達到高精度實時跟蹤的目的，可利用粗精復合軸APT技術。在應用粗跟蹤的情況下，可獲得更大的視場，同時可降低伺服帶寬，因此可實現快速捕獲，使粗跟蹤更加穩定，操縱信標光斑，使其移入精跟蹤視場。進入到精跟蹤環境下，動態范圍將相對縮小，同時提高伺服帶寬，實現跟蹤精度的提升，對于粗跟蹤帶來的殘差，可對其進行有效控制。對于復合軸APT分系統而言，其最終可達到的精度，將與精跟蹤伺服的單元性能緊密關聯。

1.4 發射接收光學系統及基臺技術

為了順利實現通信，首先應安排好發射接收光學系統及基臺。在整個空間激光通信過程中，這一技術設施起著極為關鍵性的作用。為了保證其性能的正常發揮，應采用集成化設計，實現更為完善的功能，如實現基臺小型化設計，輕量化設計，還可進行消雜光設計，同時完成高精度裝調，針對重點研發方向進行研究探索。

2 空間激光通信發展趨勢

2.1 通信速率繼續提高

目前，APT技術已經取得了較大突破，這使得通信性能的標準提高，并成為研究的核心要點。由于速率與靈敏度成反比，發射功率與遠通信距離在參數上存在一定矛盾，為了解決上述問題，通信分系統得以研制成功，波段為1550nm，能夠在高速率調制的同時，完成高功率發射，由于發射功率較高，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，與傳統IM/DD探測技術相比，在這種新的探測方式應用下，相干通信的高靈敏度得到了有效發揮。這樣一來，其傳輸速率就可升至Gbps量級。目前，國外針對未來5-10年的技術研究，制定了相應的空間激光通信計劃，通信速率指標有所提升，需達到5-40Gbps。根據鏈路不同，能夠滿足高分辨率，進行海量數據的即時傳輸。

2.2 光通信組網取代點對點通信

從當前的發展趨勢來看，這項技術的系統性能正不斷提高，原有的點對點通信模式，正逐漸被新興的光通信組網所取代。中繼轉發正成為技術的核心要點，整體的通信網絡構造則成為主流的發展方向。為了使天空及地面得到全方位覆蓋，保證信息傳輸的時效性，就必須構建一個完善的天基信息網絡，使同步靜止軌道，中軌道，以及低軌道衛星，航天飛機，宇宙飛船，浮空平臺，航空平臺，以及地面平臺互相連接。

3 我國空間激光通信的發展概況

目前，我國也開始在空間激光通信技術的研究方面進行了大力投入，并取得了良好成效。在這些研究項目中，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域，我國主要研究機構所確定的不同研究方向。面對科技競爭空前激烈的當今發展時代，為了使我國的綜合國力得以進一步提升，提高科技實力，就應當把握機遇，大力進行空間激光通信的研發，突破關鍵技術，展開系統性的研究，使其

表1 我國研究機構及研究方向

迅速轉向應用領域，從而為一體化的通信網絡的實現，以及信息組網的建設，提供堅實的物質保障。

4 結論

本文通過對空間激光通信研究現狀及發展趨勢進行全面深入的分析和探究，指出在現階段的發展過程中，空間激光通信已成為國際領域的研究熱點，有著廣闊的發展前景。本文對現階段空間激光通信發展中的關鍵技術進行了較為詳盡的說明，同時也對空間激光通信發展趨勢提出了一定看法，并在此基礎上對我國空間激光通信的發展進行了簡要的概括。

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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