基于單光子探測(cè)器的深空激光通信陣列

李曉亮，劉榮科，王建軍，劉向南

（1. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京遙測(cè)技術(shù)研究所，北京 100094）

1 引 言

深空通信是深空探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于深空探測(cè)對(duì)通信傳輸速率和傳輸距離的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的微波通信難以滿足未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)的需求［1-3］。激光通信具有通信速率高、波束窄、保密性好、終端體積小、質(zhì)量輕和功耗低等優(yōu)勢(shì)，在自由空間傳輸特別是深空探測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景備受關(guān)注［4-7］。

在星地激光通信設(shè)計(jì)中，考慮到星載終端對(duì)尺寸、功耗及質(zhì)量的嚴(yán)格限制，往往采用“先天后地、寬天嚴(yán)地”的設(shè)計(jì)理念。上行鏈路中，優(yōu)先考慮地面站采用大功率激光器和窄波束發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。但波束越窄，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度要求越高，為降低瞄準(zhǔn)誤差對(duì)激光通信鏈路損耗的影響，一般要求激光發(fā)射束散角大于瞄準(zhǔn)精度的6倍。根據(jù)現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)精度和光學(xué)系統(tǒng)的研制水平，激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡口徑一般在10～20 cm。采用多個(gè)激光器多望遠(yuǎn)鏡發(fā)射或多個(gè)激光器共孔徑發(fā)射技術(shù)，一方面提高激光發(fā)射功率，另一方面減小地面大氣閃爍對(duì)星載激光終端接收的影響。在深空激光通信下行鏈路中，根據(jù)終端現(xiàn)有的瞄準(zhǔn)精度，激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑在20～40 cm，發(fā)射功率一般在幾瓦到幾十瓦。

深空激光通信距離遙遠(yuǎn)，從發(fā)射端到達(dá)接收端的信號(hào)光子強(qiáng)度非常弱。例如在火星探測(cè)中，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)到4 億公里，是月地通信距離的1 000 倍，高軌道衛(wèi)星與地面距離的10 000 倍。因此在同樣的星載終端情況下，到達(dá)地面的信號(hào)光子密度是月地通信的百萬(wàn)分之一，是高軌道衛(wèi)星與地面通信的億分之一。要實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱激光信號(hào)的探測(cè)，通常采取以下幾種技術(shù)手段：（1）增加下行鏈路中的激光峰值發(fā)射功率，在飛行器平臺(tái)電源功率及激光平均發(fā)射功率受限的情況下，采用脈沖激光發(fā)射方式，使激光能量在短時(shí)間間內(nèi)發(fā)射出來(lái)，脈沖時(shí)間控制在納秒級(jí)，從而提高激光的峰值發(fā)射功率。例如，美國(guó)的月地激光通信演示試驗(yàn)（LLCD）采用16PPM 調(diào)制直接探測(cè)體制，脈沖時(shí)隙控制在0.2 ns，實(shí)現(xiàn)了飛行終端和地面站的622 Mb/s 月地距離下行通信。通過(guò)壓縮脈沖時(shí)間，激光峰值發(fā)射功率可達(dá)到百瓦級(jí)甚至千瓦級(jí)，可提高激光通信鏈路20～25 dB。（2）增大地面站的接收面積，采用大口徑望遠(yuǎn)鏡或中等口徑望遠(yuǎn)鏡陣列方式［8-9］，增加地面接收望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積。考慮到大口徑望遠(yuǎn)鏡制造難度大、成本高等因素，可采用中等口徑望遠(yuǎn)鏡陣組合方式實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)的接收。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡或望遠(yuǎn)鏡陣的有效接收口徑達(dá)到10 m 時(shí)，相比口徑1 m 的望遠(yuǎn)鏡，激光通信鏈路可提高20 dB。（3）提高接收探測(cè)器的靈敏度，采用光電倍增管（PMT）、蓋革模式的雪崩光電二極管（GAPD）和超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（Superconducting Nanowire Single Photo Detector，SNSPD）等高靈敏度接收器件，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)和優(yōu)于1 個(gè)光子每比特的通信效率。相比之下，SNSPD 在量子效率、抖動(dòng)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和暗計(jì)數(shù)率等方面具有更大的優(yōu)勢(shì)［10］，更適合深空地面站接收探測(cè)。

本文基于上述3 種技術(shù)手段，分析了脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM）調(diào)制和SNSPD 相結(jié)合的深空激光通信系統(tǒng)誤碼率模型，在降低系統(tǒng)研制成本的前提下，采用多臺(tái)中等口徑望遠(yuǎn)鏡通過(guò)特定的組合方式，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)背景光條件下的低誤碼率通信，火星到地面的通信速率可達(dá)到1 Mb/s。

2 深空激光通信鏈路分析

在深空測(cè)控通信中，上行鏈路只是傳輸控制命令，而下行鏈路不僅需要傳輸命令執(zhí)行情況、飛行器各部分狀態(tài)等信息，還需要傳輸各探測(cè)器的圖像與視頻等現(xiàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)、以及合成孔徑雷達(dá)與光譜成像探測(cè)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，下行傳輸帶寬比上行傳輸帶寬大得多，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也困難得多。這里主要從下行鏈路到達(dá)地面的激光功率著手，分析接收望遠(yuǎn)鏡陣的最優(yōu)化配置方案。激光通信系統(tǒng)的鏈路方程如下［11］：

式中：nr為到達(dá)探測(cè)器靶面的信號(hào)光子流密度；Pt為星載激光器的平均發(fā)射功率；Dr為接收望遠(yuǎn)鏡的有效口徑；L為飛行器到地面接收站的距離；θb為星載激光器的發(fā)射束散角；θe為星載激光的跟瞄誤差；τt為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的透光率，τa為大氣透過(guò)率；τr為接收望遠(yuǎn)鏡的透過(guò)率；ηo為深空激光通信系統(tǒng)的其他效率，包括大氣湍流的影響、光纖的耦合效率等；h為普朗克常數(shù)；c為光速；λ為激光波長(zhǎng)。

激光通信鏈路方程的主要參數(shù)如表1 所示［12］，則可計(jì)算出到達(dá)探測(cè)器靶面的光子密度為1.58×107photon/s。如果通信速率為10 Mb/s，則通信效率需要達(dá)到1.58 photon/bit。傳統(tǒng)通信效率為10～20 photon/bit，相干探測(cè)激光的通信效率為2～5 photon/bit，無(wú)法滿足要求。而光子計(jì)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)單光子/比特的通信效率，因此深空激光通信需采用光子計(jì)數(shù)的通信方式。

光子計(jì)數(shù)不是對(duì)脈沖內(nèi)的光子數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而是根據(jù)探測(cè)到的光子所在的時(shí)隙，解調(diào)得到相應(yīng)的通信數(shù)據(jù)。Pierce 最早提出了PPM，其原理是通過(guò)編碼產(chǎn)生PPM 信號(hào)［13］，對(duì)激光器發(fā)射的激光進(jìn)行調(diào)制，脈沖在一個(gè)周期上的時(shí)隙位置與通信內(nèi)容存在一定的編碼關(guān)系。例如在單脈沖位置調(diào)制（LPPM）方式中，直接將n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到由2n個(gè)時(shí)隙組成的符號(hào)周期內(nèi)的某個(gè)時(shí)隙上，在該時(shí)隙上發(fā)射激光脈沖信號(hào)，而其他時(shí)隙均沒(méi)有脈沖信號(hào)。由此將2n個(gè)時(shí)隙內(nèi)的激光能量集中在一個(gè)時(shí)隙脈沖內(nèi)發(fā)射，可大大提高激光發(fā)射的峰值功率，同時(shí)一個(gè)脈沖傳遞n個(gè)比特的數(shù)據(jù)，提高了激光通信的信道效率。根據(jù)表1 的鏈路參數(shù)，假設(shè)采用256 位PPM 調(diào)制、激光脈沖寬度為3.1 ns，則通信速率為10 Mb/s時(shí)，激光發(fā)射峰值功率為1 280 W，到達(dá)探測(cè)器靶面的平均光子數(shù)可達(dá)到12.6 photon/pulse。

表1 深空激光通信鏈路的基本參數(shù)Tab.1 Parameters of deep-space laser communications link

采用單光子探測(cè)器是提高系統(tǒng)接收靈敏度的主要途徑。表2 給出了幾類常用單光子探測(cè)器的主要性能參數(shù)［14-15］。其中，SNSPD 憑借探測(cè)效率高、恢復(fù)時(shí)間短和暗計(jì)數(shù)率低等優(yōu)異性能，在激光測(cè)距、激光通信、量子通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［16-18］。

表2 單光子探測(cè)器的主要性能參數(shù)Tab.2 Key Parameters of single photon detectors

3 誤碼率分析

誤碼率是衡量通信系統(tǒng)傳輸可靠性的重要指標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)深空通信的視頻傳輸，系統(tǒng)誤碼率應(yīng)控制在10-7以下。考慮到信道編碼可以有效降低系統(tǒng)誤碼率，一般要求在未編碼時(shí)誤碼率控制在10-3以下。

在PPM 調(diào)制下，系統(tǒng)誤符號(hào)率主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是探測(cè)器在激光脈沖信號(hào)時(shí)隙（發(fā)送1）未檢測(cè)出來(lái)的漏警概率P1；二是探測(cè)器在沒(méi)有激光脈沖信號(hào)時(shí)隙（發(fā)送0）被誤觸發(fā)的虛警概率P0。為提高探測(cè)準(zhǔn)確率，需要同時(shí)降低P1和P0。對(duì)于LPPM 調(diào)制，假設(shè)每個(gè)符號(hào)所占時(shí)隙數(shù)為M，信號(hào)時(shí)隙在符號(hào)周期內(nèi)整體服從均勻分布，則信號(hào)時(shí)隙出現(xiàn)在0～M-1 時(shí)隙的概率均為1/M，信號(hào)時(shí)隙被正確檢測(cè)出來(lái)的概率為1-P1，其他非信號(hào)時(shí)隙被正確檢測(cè)出來(lái)的概率為1-P0，則系統(tǒng)誤符號(hào)率如下：

式中：P1為信號(hào)時(shí)隙的漏警概率；P0為無(wú)信號(hào)時(shí)隙的虛警概率；M為每個(gè)符號(hào)所占時(shí)隙數(shù)，一般為2n。 若所有誤符號(hào)的概率相等，則誤碼率為［19］：

漏警概率P1與到達(dá)探測(cè)器靶面上脈沖信號(hào)內(nèi)的光子數(shù)有關(guān)。假設(shè)光子數(shù)（每脈沖內(nèi)的平均光子數(shù)）服從參數(shù)為μ的泊松分布，則漏警概率為：

式中ηd為探測(cè)器的量子效率。由式（4）可知，μ與望遠(yuǎn)鏡接收面積成正比，因此漏警概率與接收面積成指數(shù)關(guān)系。考慮到激光通信速率在20 Mb/s以下，采用符號(hào)之間增加保護(hù)時(shí)隙來(lái)克服探測(cè)器恢復(fù)時(shí)間的影響，在漏警概率計(jì)算公式中忽略探測(cè)器恢復(fù)時(shí)間的影響。

虛警概率與探測(cè)器暗計(jì)數(shù)率和天空背景光子數(shù)有關(guān)，虛警概率表示為：

式中：α為探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)率；τ為時(shí)隙寬度；ν為到達(dá)靶面上的平均背景光子數(shù)。

SNSPD 的暗計(jì)數(shù)率由探測(cè)器性能決定，一般為100 Hz 左右，最優(yōu)值可達(dá)到0.1 Hz。到達(dá)靶面上的平均背景光子數(shù)與探測(cè)器尺寸、天空背景亮度、接收望遠(yuǎn)鏡F數(shù)、大氣透過(guò)率和接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率等因素有關(guān)［20-21］，則有：

式中：F為接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)；LB為天空背景光譜輻亮度；τo為望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率；δ為窄帶濾光片的透光范圍，δ=0.2 nm；τ為時(shí)隙寬度；d為探測(cè)器尺寸。由式（5）和式（6）可知，望遠(yuǎn)鏡的虛警概率與接收面積無(wú)關(guān)。

夜間天空背景的光譜輻射亮度在波長(zhǎng)1 μm附近時(shí)為2×1014photon/（s·sr·m2·μm）；白天天空背景的光譜輻射與太陽(yáng)高角、太陽(yáng)夾角有關(guān)。美國(guó)火星激光通信演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)在太陽(yáng)-地球-航天器（SEP）角3°時(shí)能到達(dá)1 Mb/s 的通信速率［22］（目標(biāo)是4 Mb/s），此時(shí)天空背景輻亮度為1 W/（m2·sr·nm），相 當(dāng) 于 波 長(zhǎng)1 μm 附 近 時(shí) 為5×1021photon/（s·sr·m2·μm），比 夜 間 高 出7 個(gè)數(shù)量級(jí)。

4 望遠(yuǎn)鏡陣列誤碼率分析

美國(guó)Eftekhar 等從望遠(yuǎn)鏡的造價(jià)出發(fā)［23］，利用傳統(tǒng)的Humphries 模型得出陣列中望遠(yuǎn)鏡的最佳口徑是2.5 m，使用16 個(gè)直徑為2.5 m 的望遠(yuǎn)鏡組成的陣列成本是單臺(tái)10 m 口徑望遠(yuǎn)鏡的45%，使用4 個(gè)5 m 望遠(yuǎn)鏡組成的陣列成本是單臺(tái)10 m 望遠(yuǎn)鏡的53%。

本文主要從通信系統(tǒng)誤碼率出發(fā)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡陣列的性能進(jìn)行分析。根據(jù)望遠(yuǎn)鏡陣之間的信號(hào)處理方式，將多個(gè)望遠(yuǎn)鏡“并聯(lián)”和“串聯(lián)”在一起：兩個(gè)或多個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)進(jìn)行“或”處理，即進(jìn)行信號(hào)疊加，稱之為“并聯(lián)”；兩個(gè)或多個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)進(jìn)行“與”處理，即進(jìn)行背景相減，稱之為“串聯(lián)”。

4.1 望遠(yuǎn)鏡并聯(lián)誤碼率分析

對(duì)于PPM 解調(diào)接收望遠(yuǎn)鏡，信號(hào)“或”處理就是將各個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收獲得的信號(hào)在時(shí)間位置取齊后進(jìn)行疊加處理，即一旦有一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡獲得信號(hào)光子，就認(rèn)為該時(shí)隙有激光脈沖信號(hào)。這種方式可提高信號(hào)光的探測(cè)概率，降低漏警概率，但是會(huì)增加虛警概率。多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡并聯(lián)后的探測(cè)概率和虛警概率分別為：

其中n為望遠(yuǎn)鏡陣列數(shù)量。從式（7）～式（8）可以看出，漏警概率隨著望遠(yuǎn)鏡的數(shù)量成指數(shù)下降，虛警概率則成倍增加。分析表明，由n臺(tái)望遠(yuǎn)鏡并聯(lián)組成的系統(tǒng)與相同接收面積的單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的漏警概率相等，即對(duì)信號(hào)的探測(cè)概率相等，但虛警概率是單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的n倍（在探測(cè)器尺寸一定情況下，虛警概率只與望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)有關(guān)，與口徑D無(wú)關(guān)）。從信號(hào)“或”處理的角度來(lái)看，在不考慮造價(jià)成本和技術(shù)難度的情況下，單臺(tái)大口徑望遠(yuǎn)鏡在性能上更有優(yōu)勢(shì)。

在天空背景較弱時(shí)，如夜間P0?P1＜1，此時(shí)Ps≈，虛警概率可以忽略。單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡與多個(gè)等效面積相等的小望遠(yuǎn)鏡陣的性能相當(dāng)；在白天天空背景較強(qiáng)時(shí)，尤其是與太陽(yáng)夾角較小時(shí)，背景對(duì)誤碼率的影響更大，單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的誤碼率明顯低于多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的系統(tǒng)。表3 給出了通信速率為10 Mb/s，M為256，脈沖時(shí)隙為3.1 ns，探測(cè)器尺寸為10 μm、量子效率為0.8、暗計(jì)數(shù)率為100 Hz 的條件下，總有效口徑10 m 望遠(yuǎn)鏡并聯(lián)時(shí)的誤碼率。

表3 望遠(yuǎn)鏡并聯(lián)后的誤碼率Tab.3 BER of telescopes in parallel connection

4.2 望遠(yuǎn)鏡串聯(lián)的誤碼率分析

信號(hào)“與”處理能夠克服背景光太強(qiáng)造成虛警概率過(guò)高的不利因素。在信號(hào)嚴(yán)格對(duì)齊后，各望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)進(jìn)行“與”處理——只有串聯(lián)的所有望遠(yuǎn)鏡接收到光子信號(hào)時(shí)，認(rèn)為該時(shí)隙內(nèi)有激光脈沖信號(hào)。該處理方式雖然降低了探測(cè)概率，但也大大降低了虛警概率。漏警概率成倍增加，而虛警概率則成指數(shù)下降。m臺(tái)望遠(yuǎn)鏡串聯(lián)后的探測(cè)概率和虛警概率分別為：

因此在背景光較強(qiáng)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡串聯(lián)有利于降低系統(tǒng)通信誤碼率。表4 給出了表3 同樣條件下總有效口徑10 m 望遠(yuǎn)鏡串聯(lián)時(shí)的誤碼率。

表4 望遠(yuǎn)鏡串聯(lián)后的誤碼率Tab.4 BER of telescopes in series connection

從表4 可以看出，采用中小口徑望遠(yuǎn)鏡陣，通過(guò)串聯(lián)方式可降低系統(tǒng)的誤碼率；但口徑小到一定程度后，漏警概率相對(duì)較高，該方式會(huì)進(jìn)一步增加漏警概率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)通信誤碼率的增加。因此，必須選擇合適的口徑，使得誤碼率達(dá)到可以接受的范圍。在SEP 為3°時(shí)，圖1 給出了通信帶寬分別為1，2，4 和8 Mb/s 的情況下，等效接收口徑為10 m 的不同望遠(yuǎn)鏡陣列串聯(lián)的誤碼率曲線。從圖中可以看出：采用中等口徑望遠(yuǎn)鏡陣的系統(tǒng)誤碼率明顯優(yōu)于單個(gè)口徑10 m 的望遠(yuǎn)鏡；望遠(yuǎn)鏡陣口徑最佳選擇值與系統(tǒng)通信帶寬有關(guān)。通信帶寬為8 Mb/s 時(shí)，采用2 個(gè)7.1 m 口徑望遠(yuǎn)鏡的通信誤碼率可接近6×10-3；通信帶寬為4 Mb/s 時(shí)，采用3 個(gè)5.8 m 口徑望遠(yuǎn)鏡的通信誤碼率可降到6×10-4；通信帶寬為2 Mb/s 時(shí)，采用4 個(gè)5.0 m 口徑望遠(yuǎn)鏡的通信誤碼率可降到10-4以下。

圖1 誤碼率與望遠(yuǎn)鏡數(shù)量之間的關(guān)系Fig.1 Variation of BER with telescope numbers

4.3 級(jí)聯(lián)望遠(yuǎn)鏡陣的誤碼率分析

總有效口徑10 m 的望遠(yuǎn)鏡陣組陣方式有無(wú)數(shù)種。為降低望遠(yuǎn)鏡陣的研制成本，這里假設(shè)所有望遠(yuǎn)鏡的尺寸都一樣。望遠(yuǎn)鏡級(jí)聯(lián)方式為先m臺(tái)望遠(yuǎn)鏡串聯(lián)，再由n個(gè)串聯(lián)后的望遠(yuǎn)鏡并聯(lián)起來(lái)。 因此，單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的有效口徑為10/。由本文前面的參數(shù)可以計(jì)算出單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的漏警概率P1=exp( -μηd/mn)，白天強(qiáng)背景下的虛警概率P0=3.22×10-2（帶寬為2 Mb/s 時(shí)）。級(jí)聯(lián)后望遠(yuǎn)鏡陣的漏警概率和虛警概率分別為：

將式（11）、式（12）代入式（2）、式（3）便可以計(jì)算出級(jí)聯(lián)望遠(yuǎn)鏡陣的誤碼率。

圖2 給出了通信帶寬2 Mb/s，不同級(jí)聯(lián)方式下的誤碼率曲線。如果要實(shí)現(xiàn)2.67AU 深空通信的視頻傳輸，信道誤碼率達(dá)到10-3，通過(guò)編碼方式可實(shí)現(xiàn)誤碼率10-7的要求，假設(shè)編碼效率為1/2，則系統(tǒng)的有效通信帶寬可達(dá)1 Mb/s。從圖中可以看出，m=4，n分別取1～4，m=5，n分別取1 和2，m=6，n=1 共7 種級(jí)聯(lián)方式可以實(shí)現(xiàn)信道誤碼率達(dá)到10-3。從望遠(yuǎn)鏡造價(jià)成本上考慮，優(yōu)先選擇中小口徑的望遠(yuǎn)鏡，即采用n=4，m=4 的級(jí)聯(lián)方式，即4 臺(tái)2.5 m 望遠(yuǎn)鏡通過(guò)串聯(lián)方式（信號(hào)疊加）等效成口徑5 m 的望遠(yuǎn)鏡，然后再將4 個(gè)等效口徑為5 m 的望遠(yuǎn)鏡通過(guò)并聯(lián)方式（背景相減）組成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡陣。

圖2 不同級(jí)聯(lián)模式下的誤碼率Fig.2 BER change with different cascading modes

綜上所述，采用中小口徑望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，根據(jù)到達(dá)探測(cè)器靶面的信號(hào)光強(qiáng)弱（與通信距離、通信帶寬等因素有關(guān)）和背景光強(qiáng)弱，合理選擇望遠(yuǎn)鏡陣級(jí)聯(lián)方式（即信號(hào)處理方式），可以實(shí)現(xiàn)甚至優(yōu)于同等接收面積的單望遠(yuǎn)鏡的通信性能，而且造價(jià)成本也低于單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。如果將望遠(yuǎn)鏡陣列當(dāng)成一個(gè)單輸入多輸出系統(tǒng)，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的通信性能。

5 結(jié) 論

SNSPD 不僅具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，而且其暗計(jì)數(shù)率小使得采用多個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間信號(hào)處理幾乎不用考慮探測(cè)器本身噪聲的影響。本文從深空激光通信鏈路出發(fā)，采用SNSPD 接收及PPM 調(diào)制解調(diào)體制的方案，結(jié)合單光子探測(cè)器的虛警概率和漏警概率，給出了系統(tǒng)通信誤碼率公式。望遠(yuǎn)鏡陣中各望遠(yuǎn)鏡之間信號(hào)通過(guò)“或”和“與”的組合處理方式，能夠?qū)崿F(xiàn)等效大口徑望遠(yuǎn)鏡的通信信號(hào)接收，不僅降低了造價(jià)成本和研制難度，還提高了特定條件下的通信性能。針對(duì)火星激光通信鏈路分析，在通信距離2.67AU、太陽(yáng)夾角3°等特定條件下，采用4 個(gè)2.5 m 望遠(yuǎn)鏡通過(guò)“或”的方式組成等效口徑5 m 的望遠(yuǎn)鏡，再由4 個(gè)等效口徑5 m 的望遠(yuǎn)鏡通過(guò)“與”的方式組成的望遠(yuǎn)鏡陣，通過(guò)糾錯(cuò)編碼可以實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10-7、有效通信速率1 Mb/s 的遠(yuǎn)距離傳輸。