對(duì)空間激光通信光學(xué)原理的研究

侯亞萍

摘 要：隨著現(xiàn)代通訊信息技術(shù)的不斷發(fā)展，空間激光通信技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)我國(guó)建設(shè)具有抗衡干擾作用的一體化天地空高速運(yùn)行的通訊信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重大意義。將雙光楔配合擴(kuò)束鏡共同使用，利用擴(kuò)束鏡的廣角鏡頭收集來(lái)自不同方向的光信號(hào)，同時(shí)利用多組雙光楔對(duì)這些不同方向的光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，從而形成一種全新的空間激光通信組網(wǎng)技術(shù)的研究方案。并結(jié)合已有光學(xué)原理的理論知識(shí)，完成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的空間激光通信光學(xué)系統(tǒng)和技術(shù)的研究和分析。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)束鏡、雙光楔、空間激光、通信技術(shù)、光信號(hào)

1、概述

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)世界各國(guó)對(duì)空間激光通信技術(shù)的研究已經(jīng)有了大量的理論和實(shí)踐成果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，利用空間激光進(jìn)行信息通訊時(shí)具有簡(jiǎn)易輕便、抗干擾性好、抗攔截能力強(qiáng)、速率高等特點(diǎn)，如能將其廣泛運(yùn)用到信息傳輸中，那么空間激光的通信技術(shù)將得到更大的發(fā)展、發(fā)揮更大保障信息安全的價(jià)值。然而，在現(xiàn)階段，利用空間激光進(jìn)行通訊信息的傳輸還處于向工程化發(fā)展方向靠攏的初級(jí)應(yīng)用階段。在這一階段，空間激光的通信形式只能完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，且因?yàn)榭臻g激光通信所發(fā)出的光信號(hào)的光束散角的角度較小，這也在某種程度上限制了空間激光技術(shù)的推廣應(yīng)用。例如在衛(wèi)星的信息傳輸過(guò)程中，低軌衛(wèi)星不能直接將信息傳輸回地面的控制中心，而要借助中繼通信衛(wèi)星作為傳輸中介。這就是現(xiàn)階段能廣泛使用的一對(duì)一空間激光通信技術(shù)。如果要實(shí)現(xiàn)多個(gè)低軌衛(wèi)星同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的話，就要求高軌中繼衛(wèi)星在通信技術(shù)上個(gè)擁有一對(duì)多的空間激光通信技術(shù)。但是在當(dāng)前的衛(wèi)星傳輸中一對(duì)多的空間激光通訊技術(shù)的應(yīng)用還不完成成熟，故研究一對(duì)多空間激光通信技術(shù)對(duì)通信傳輸領(lǐng)域的影響和作用是非常重大的。如美國(guó)和日本在本世紀(jì)初就有對(duì)一對(duì)多的空間激光通訊技術(shù)的研究和運(yùn)用，并取得了一定的成績(jī)。借鑒他們的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和研究成果，結(jié)合空間激光通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向及其發(fā)展空間，根據(jù)一對(duì)多激光通訊技術(shù)相關(guān)研究，提出以空間激光通信組網(wǎng)為主要研究方向的一種全新空間激光通信計(jì)劃。

2、一對(duì)多空間激光通信技術(shù)設(shè)計(jì)理念

為完成一對(duì)一空間激光通信技術(shù)向一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的改革和轉(zhuǎn)變，需要有借助光學(xué)原理的理論知識(shí)以及擴(kuò)束鏡與雙光楔的實(shí)踐成果。因此，一對(duì)多的空間激光通信技術(shù)的設(shè)計(jì)理念分為兩個(gè)方面，即一方面利用光學(xué)原理中的光學(xué)天線原理以及擴(kuò)束鏡對(duì)光的擴(kuò)散作用來(lái)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的空間激光通信技術(shù)；另一方面是利用雙光楔中的旋轉(zhuǎn)雙光楔能夠?qū)獾倪M(jìn)行跟蹤的作用推動(dòng)一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的運(yùn)用和實(shí)踐。

第一，借助光學(xué)理論知識(shí)推動(dòng)空間激光通信技術(shù)的改革。一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要求現(xiàn)行的空間激光通信技術(shù)端擁有同時(shí)收發(fā)來(lái)自不同方向光信號(hào)的能力，這就需要空間激光通信技術(shù)端的天線必須擁有較廣的視場(chǎng)角。而擴(kuò)束鏡的廣角鏡頭在擴(kuò)大光學(xué)天線的視場(chǎng)角上能發(fā)揮其重要作用。因?yàn)閺V角鏡頭式的擴(kuò)束鏡可以將前后組物鏡的兩焦點(diǎn)完成重合在一起，這就可以使其入射光線與出射光線都為平行光線，從而增加空間激光通信技術(shù)端光學(xué)天線的視場(chǎng)角，使得空間激光通信技術(shù)端可以同時(shí)多個(gè)來(lái)自不同方向的光信號(hào)，這在一定程度上可以推進(jìn)了一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

第二，借助旋轉(zhuǎn)型雙光楔跟蹤作用捕捉來(lái)自不同方向的光信號(hào)。旋轉(zhuǎn)雙光楔之所以擁有跟蹤功能是因其由兩個(gè)可以獨(dú)自繞相同的光軸自由旋轉(zhuǎn)的，一模一樣的折射式楔形棱鏡經(jīng)過(guò)排列組合而成的。其能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行跟蹤的工作原理是：平行于雙光楔旋轉(zhuǎn)光軸的入射光線進(jìn)入雙光楔系統(tǒng)后，旋轉(zhuǎn)雙光楔通過(guò)變化其折射式楔形棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度，使得出射光線在其可控范圍中可以指向任何方向，從而達(dá)到跟蹤光信號(hào)和實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的具體指向的效果。

3、一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)施方案

一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的實(shí)施方案分為系統(tǒng)總實(shí)施方案和系統(tǒng)具體實(shí)施方案。系統(tǒng)總實(shí)施方案主要是將廣角式鏡頭的擴(kuò)束鏡和旋轉(zhuǎn)式雙光楔相結(jié)合，且相互互補(bǔ)：廣角式鏡頭的擴(kuò)束鏡可以擴(kuò)大光學(xué)天線的視場(chǎng)角、收發(fā)來(lái)自不同方向的光信號(hào)，但不能對(duì)移動(dòng)中的光信號(hào)進(jìn)行捕捉；而旋轉(zhuǎn)式雙光楔正好可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷：能夠?qū)σ苿?dòng)的光信號(hào)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤，從而真正實(shí)現(xiàn)一對(duì)一空間激光通信技術(shù)向一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的跨越。

一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的具體實(shí)施方案光學(xué)系統(tǒng)的具體實(shí)施方案以及對(duì)通信光信號(hào)的捕捉、追蹤、校準(zhǔn)和收發(fā)。首先是光學(xué)系統(tǒng)的具體實(shí)施方案，在這個(gè)實(shí)施方案中又包括四種子實(shí)施方案：第一是對(duì)光學(xué)天線的收發(fā)。即使用投射式的廣角型擴(kuò)束鏡，360°全方位無(wú)死角的接收來(lái)自不同方向的光信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)以平行光的形式從不同的角度出射，并在光學(xué)天線的出瞳口重合在一起。第二是旋轉(zhuǎn)雙光楔對(duì)光信號(hào)的進(jìn)行追蹤。對(duì)位于擴(kuò)束鏡出瞳口的旋轉(zhuǎn)雙光楔可以對(duì)擴(kuò)束鏡發(fā)出的多個(gè)平行光進(jìn)行粗跟蹤，并在其穩(wěn)定后，將跟蹤到的各個(gè)光信號(hào)經(jīng)旋轉(zhuǎn)軸向后傳送到后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)。第三是利用中繼光學(xué)分系統(tǒng)的的中介作用對(duì)從雙光楔發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行收縮，從而達(dá)到便利后續(xù)工作的作用。第四是利用收發(fā)分光的分系統(tǒng)對(duì)需要后續(xù)處理的光信號(hào)進(jìn)行必要隔離，從而使得光信號(hào)可以被穩(wěn)定且準(zhǔn)確的跟蹤。其工作原理是使用粗細(xì)跟蹤型相機(jī)為旋轉(zhuǎn)雙光楔的工作提供脫靶信息，從而使粗細(xì)跟蹤閉環(huán)，最終達(dá)到能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定準(zhǔn)確的追蹤。其次是對(duì)通信光信號(hào)的捕捉、追蹤、校準(zhǔn)和收發(fā)。其次，是對(duì)通信光信號(hào)的捕捉、追蹤、校準(zhǔn)和收發(fā)。要真正將空間激光運(yùn)用于通信系統(tǒng)中，不僅需要雙光楔的對(duì)光信號(hào)追蹤，還需要運(yùn)用GPS進(jìn)行具體精確定位，再經(jīng)過(guò)光標(biāo)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行捕捉、校準(zhǔn)以及追蹤后，待精追蹤真正穩(wěn)定下來(lái)后才能進(jìn)行通信。通信在發(fā)射時(shí)主要結(jié)合中繼光光分系統(tǒng)與雙光楔先對(duì)光束進(jìn)行處理后經(jīng)不同探測(cè)器發(fā)出。接受時(shí)則是先運(yùn)用廣角型擴(kuò)束鏡對(duì)光束進(jìn)行收集，后通過(guò)雙光楔的處理，經(jīng)中繼光光分系統(tǒng)處理后利用不同探測(cè)器進(jìn)行接受，以實(shí)現(xiàn)真正的一對(duì)多空間激光通信。

4、總結(jié)

利用廣角型擴(kuò)束鏡與旋轉(zhuǎn)雙光楔組合的形式，在可以對(duì)多個(gè)來(lái)自不同方向的光束進(jìn)行追蹤和接受的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多空間激光通信技術(shù)的實(shí)踐運(yùn)用。在以中繼光光分系統(tǒng)作為接受光束的媒介，確保了一對(duì)多空間激光通信技術(shù)具有很強(qiáng)的可行性，因此一對(duì)多空間激光通信技術(shù)將來(lái)必會(huì)廣泛的運(yùn)用于飛機(jī)、衛(wèi)星通訊等領(lǐng)域。

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