空間信息網(wǎng)絡(luò)與激光通信發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

吳景林

摘要：隨著激光通信接入網(wǎng)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于傳輸速度的要求也變得越來(lái)越高，并且隨著通信范圍的不斷延伸，人們對(duì)通信的速度也有了進(jìn)一步的要求。因此，對(duì)于快捷通信鏈路的建立，這一方面有了進(jìn)一步的要求。空間激光通信的研究，具有其特有的優(yōu)勢(shì)，在固定無(wú)線寬帶技術(shù)當(dāng)中，能夠?yàn)閷拵Ы尤氲目焖俨渴鹛峁┫鄬?duì)靈活的解決方案，同時(shí)又得到了極大的關(guān)注。本文對(duì)現(xiàn)階段空間激光通信發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了深入探究，分別對(duì)高功率、高速率激光調(diào)制發(fā)射技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境下維持高靈敏度的光信號(hào)接收技術(shù)、高精度APT技術(shù)以及發(fā)射接收光學(xué)系統(tǒng)及基臺(tái)技術(shù)進(jìn)行介紹;接下來(lái)，又提出了空間激光通信發(fā)展趨勢(shì)，包括通信速率繼續(xù)提高及激光通信組網(wǎng)取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信兩個(gè)方面。

關(guān)鍵詞：空間信息網(wǎng)絡(luò);激光通信;發(fā)展現(xiàn)狀;趨勢(shì)

引言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是科技強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，根據(jù)國(guó)家整體規(guī)劃，到2030年將建成全球覆蓋、按需服務(wù)、隨域接入、安全可信的信息網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。空間激光通信是實(shí)現(xiàn)信息高速傳輸和保密安全的重要手段，將在構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

1空間激光通信的基本內(nèi)容

1.1空間激光通信基本過(guò)程

空間激光通信設(shè)計(jì)依賴于通信距離和誤碼率和傳輸距離，在空間激光通信設(shè)備、空間激光設(shè)備的初始位置上的通信設(shè)備（被動(dòng)）在初始位置的空間，首先通過(guò)發(fā)射的信標(biāo)光主動(dòng)星信息搜索被動(dòng)星，一旦信標(biāo)光信號(hào)進(jìn)入粗跟蹤領(lǐng)域，被發(fā)現(xiàn)在粗跟蹤探測(cè)器信標(biāo)光，在總結(jié)主動(dòng)星開(kāi)始尋找無(wú)源星信標(biāo)光的過(guò)程中，當(dāng)信標(biāo)光進(jìn)入粗跟蹤領(lǐng)域，根據(jù)一定的計(jì)算方式來(lái)計(jì)算偏移量的光，然后使用偏移量，由粗跟蹤執(zhí)行器在接收端調(diào)整視覺(jué)軸，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“粗跟蹤”;其次是被動(dòng)主動(dòng)發(fā)射光束作為反饋信號(hào)，主動(dòng)星接收反饋信號(hào)后，掃描過(guò)程立即停止，通過(guò)主動(dòng)側(cè)的粗跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整自己的軸，反饋信號(hào)燈進(jìn)入中心的檢測(cè)器本身，然后打開(kāi)他們的信號(hào)燈，被動(dòng)的跟蹤單元，使信號(hào)光是在該中心的精細(xì)跟蹤檢測(cè)，當(dāng)然主動(dòng)的恒星會(huì)自動(dòng)調(diào)整自己的高，高精密光軸對(duì)準(zhǔn)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“軌道”。對(duì)開(kāi)環(huán)控制一般粗跟蹤，跟蹤是一種閉環(huán)控制形式，在通信精度達(dá)到精確跟蹤前提下，雙方可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但由于在通信的過(guò)程中，衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等，也會(huì)影響跟蹤精度;一般采用先進(jìn)的角度補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤的空間，必須保證通信過(guò)程中的動(dòng)態(tài)跟蹤精度滿足通信的要求，否則會(huì)影響通信質(zhì)量或直接導(dǎo)致通信失敗。

1.2空間激光鏈路分類(lèi)

空間激光通信的基礎(chǔ)上的應(yīng)用范圍和空間上的應(yīng)用可以分為以下幾類(lèi)：一是，低地球軌道和地球同步通信;二是，同步軌道和地面通信;第三是，同步軌道和地球同步通信，低地球軌道和低軌道之間的通信，低地球軌道和地面通信是六個(gè)，地面和地面之間的通信，船舶，船舶和其他通信。空間激光器調(diào)制解調(diào)技術(shù)可分為直接探測(cè)和解調(diào)技術(shù)。隨著激光的高效率、光源的穩(wěn)定性、壓縮技術(shù)和自適應(yīng)環(huán)境的研究，相干檢測(cè)技術(shù)已成為現(xiàn)代空間激光通信的主要研究對(duì)象。

1.3空間激光通信性能參數(shù)

測(cè)量激光通信性能的參數(shù)包括通信距離、通信速率和誤碼率。此外，通信終端包括激光波長(zhǎng)、激光發(fā)散角、儀器重量、體積等參數(shù)。

2空間激光通信新技術(shù)

2.1光子軌道角動(dòng)量激光通信技術(shù)

光的軌道角動(dòng)量OAM（Orbital Angular Momentum）是與光的波長(zhǎng)、偏振等類(lèi)似的內(nèi)稟屬性，當(dāng)光束的場(chǎng)強(qiáng)函數(shù)含有與方位角有關(guān)的相位因子exp（j）l時(shí)，每個(gè)光子具有值為l的軌道角動(dòng)量，其中l(wèi)表示拓?fù)浜桑缺硎痉轿唤牵瑸榧s化普朗克常數(shù)。具有軌道角動(dòng)量的光束又稱(chēng)為渦旋光束，其光束波前呈螺旋形，玻印廷矢量繞光軸旋轉(zhuǎn)，光束中心為相位奇點(diǎn)且光強(qiáng)為零。渦旋光束的拓?fù)浜衫碚撋峡扇∪我庹麛?shù)，并且具有不同拓?fù)浜傻哪Ｊ较嗷フ唬庇^上為光束沿軸向傳播一個(gè)波長(zhǎng)范圍時(shí)其螺旋波前旋轉(zhuǎn)2π的次數(shù)。因此，可將OAM視為一個(gè)新的自由度，與波長(zhǎng)、偏振等復(fù)用方式作為數(shù)據(jù)信息載體，從而大大提高通信系統(tǒng)容量與頻譜效率，增強(qiáng)激光通信網(wǎng)絡(luò)功能。

2.2基于模式分集接收的激光通信技術(shù)

大氣湍流是激光大氣傳輸信道中影響激光傳輸性能的主要因素，特別是在相干激光通信系統(tǒng)中，空間光須被高效率耦合到單模光纖中以滿足混頻的需求。受大氣湍流的影響，空間光到單模光纖的耦合效率大幅降低，功率抖動(dòng)大幅增加。要克服這種影響，除了提高相干接收端的靈敏度外，還需要通過(guò)光學(xué)技術(shù)補(bǔ)償大氣湍流的影響，以提高耦合效率，進(jìn)而提高接收端光功率。自適應(yīng)光學(xué)是目前通用的大氣湍流補(bǔ)償技術(shù)，它通過(guò)探測(cè)波前相位，反饋控制光信號(hào)的波前，來(lái)補(bǔ)償大氣湍流引起的波前畸變。該技術(shù)在弱湍流下可提高耦合效率，但在中強(qiáng)湍流下效果并不明顯。此外，利用天線分集接收可以有效提高弱湍流和中強(qiáng)湍流下的耦合效率，但增加了光學(xué)天線的數(shù)量，建造成本較高。基于少模光纖中模式分集接收的大氣湍流補(bǔ)償技術(shù)利用模式分集的概念，將波前畸變的空間光耦合到全光纖型的模式耦合器件——光子燈籠中，通過(guò)光子燈籠將輸入的高階和低階模式無(wú)損轉(zhuǎn)換為基模并輸出至單模光纖中，實(shí)現(xiàn)模式分集。通過(guò)模式分集可將接收端的光功率提高約6dB～7dB。

2.3相控陣激光組網(wǎng)通信技術(shù)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)單個(gè)空間節(jié)點(diǎn)與其它空間節(jié)點(diǎn)、地面節(jié)點(diǎn)的“一對(duì)多”高速組網(wǎng)通信。然而，目前國(guó)際上發(fā)展成熟的各種激光通信終端多采用機(jī)械式光束控制，以至于其中的捕跟系統(tǒng)存在著接入時(shí)間長(zhǎng)、光束指向唯一等不足，一般僅能實(shí)現(xiàn)單平臺(tái)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的星間或星地通信鏈路，無(wú)法有效進(jìn)行多終端之間的快速接入、組網(wǎng)，難以支持未來(lái)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)高效組網(wǎng)的應(yīng)用需求。光學(xué)相控陣通過(guò)采用電子可編程方式控制光學(xué)孔徑上的相位分布來(lái)改變光束的方向和形狀，使光束波前在設(shè)定的方向上彼此同相以獲得干涉，能夠提供可編程隨機(jī)無(wú)慣性波束角度調(diào)整，具有角度變換速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在激光組網(wǎng)通信領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.4太陽(yáng)光泵浦激光通信技術(shù)

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，特別是天基網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，能源是限制其通信、組網(wǎng)能力的主要因素之一。對(duì)于空間網(wǎng)絡(luò)而言，太空中的太陽(yáng)光是分布最廣、用之不竭的能源，如何有效利用太陽(yáng)光解決天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的能源限制問(wèn)題，成為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的新方向。在激光器發(fā)明后不久，國(guó)外研究人員就成功研制出首臺(tái)太陽(yáng)光泵浦固體激光器，實(shí)現(xiàn)了將太陽(yáng)光變成相干性好的激光源，為太陽(yáng)光泵浦激光通信技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，太陽(yáng)光泵浦激光通信技術(shù)雖然得到驗(yàn)證，但距離工程化應(yīng)用差距較大。為更好地利用太陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光泵浦激光通信技術(shù)的工程應(yīng)用，首要解決的問(wèn)題是設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)光泵浦光功率放大器，實(shí)現(xiàn)固體光功率放大或者光纖光功率放大。最新資料表明，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)著手太陽(yáng)光泵浦光放大器的研究，為太陽(yáng)光泵浦激光通信的應(yīng)用鋪就道路。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空間激光通信的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行全面深入的分析與探究，在空間激光通信現(xiàn)階段的發(fā)展過(guò)程中，其已經(jīng)成為國(guó)際領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，并且有著非常廣闊的發(fā)展前景。在此文中，對(duì)現(xiàn)階段空間激光通信發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明，與此同時(shí)，也對(duì)空間激光通信發(fā)展的趨勢(shì)提出了一定的看法，以實(shí)現(xiàn)更快的發(fā)展。

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