空間光通信的特點及關鍵技術
1)高功率光源及高碼率調製技術。
在空間光通信系統中大多可採用半導體雷射器或半導體泵浦的YAG固體雷射器作為信號光和信標光光源,其工作波長為018～115(m近紅外波段。信標光源(採用單管或多個管芯陣列組合,以加大輸出功率)要求能提供在幾瓦量級的連續光或脈衝光,以便在大視場、高背景光干擾下,快速、精確地捕獲和跟蹤目標,通常信標光的調製頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲,以克服背景光的干擾。信號光源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導體雷射器,但要求輸出光束質量好,工作頻率高(可達到幾十兆赫至幾十GHz)。具體選擇視需要而定。據報導,貝爾實驗室已研製出調製頻率高達10GHz的光源。
2)高靈敏度抗干擾的光信號接收技術。
空間光通信系統中,光接收端機接收到的信號是十分微弱的,又加之在高背景噪聲場的干擾情況下,會導致接收端S/N<1。為快速、精確地捕獲目標和接收信號,通常採取兩方面的措施:一是提高接收端機的靈敏度,達到nW～pW量級;其次是對所接收信號進行處理,在光信道上採用光窄帶濾波器(干涉濾光片或原子濾光器等),以抑制背景雜散光的干擾,在電信道上則採用微弱信號檢測與處理技術。
3)精密、可靠、高增益的收、發天線。
為完成系統的雙向互逆跟蹤,光通信系統均採用收、發合一天線,隔離度近100%的精密光機組件(又稱萬向支架)。由於半導體雷射器光束質量一般較差,要求天線增益要高,另外,為適應空間系統,天線(包括主副鏡,合束、分束濾光片等光學元件)總體結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。國際上現有系統的天線口徑一般為幾厘米至25厘米。
4)快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準技術。
這是保證實現空間遠距離光通信的必要核心技術。ATP系統通常由以下兩部分組成:
(1)捕獲(粗跟蹤)系統。它是在較大視場範圍內捕獲目標,捕獲範圍可達±1°～±20°或更大。通常採用陣列CCD來實現,並與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執行機構完成粗跟蹤即目標的捕獲。粗跟蹤的視場角為幾mrad,靈敏度約10pW,跟蹤精度為幾十μrad;
(2)跟蹤、瞄準(精跟蹤)系統。該系統的功能是在完成了目標捕獲後,對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常採用四象限紅外探測器QD或Q-APD高靈敏度位置感測器來實現,並配以相應的電子學伺服控制系統。精跟蹤要求視場角為幾百μrad,跟蹤精度為幾μrad,跟蹤靈敏度大約為幾nW。
5)大氣信道的研究。
在地2地、地2空的雷射通信系統的信號傳輸中,涉及的大氣信道是隨機的。大氣中的氣體分子、水霧、雪、霾、氣溶膠等粒子,其幾何尺寸與半導體雷射波長相近甚至更小,這就會引起光的吸收、散射,特別是在強湍流的情況下,光信號將受到嚴重干擾甚至脫靶。因此,如何保證隨機信道條件下系統的正常工作,對大氣信道的工程化研究是十分重要的。自適應光學技術可以較好地解決這一問題,並已逐漸走向實用化。 此外,完整的衛星間光通信系統還包括相應的機械支撐結構、熱控制、輔助電子學等部分及系統整體最佳化等技術。
這些技術的難度較大,但也是十分重要的。總的來講,空間光通信是包含多項工程的交叉科學研究課題,它不僅在空間要完成一系列重要的技術功能,還需要有步驟地從地2地、地2空、空2空獲取許多試驗數據和技術考驗。 值得提出的是,空間光通信的發展是與高質量大功率半導體雷射器、精密光學元件、高質量光濾波器件、高靈敏度光學探測器及快速、精密的光、機、電綜合技術的研究和發展密不可分的。近幾年來光電器件、雷射技術、電子學技術的發展,為空間光通信奠定了物質基礎,在人力、物力上也作了準備,更由於信息社會發展的需要,空間衛星間雷射通信已是指日可待了。
國際上空間光通信發展動態
美國是世界上開展空間光通信最早的國家,主要研究部門是美國宇航局(NASA)和美國空軍。美國宇航局選擇噴氣推進實驗室(JetPulsionLab—JPL)進行衛星雷射通信系統的研製,1995年完成了雷射通信演示系統(LaserCommunicationDemonstrationSystems—LCDS),數據率為750Mbps。
該室目前正在進行雷射通信演示系統(OpticalCommunicationdemonstration—OCD)研究,主要進行太空梭與地面間通信鏈路的性能演示,傳輸速率為100Mbps。在工業界的資助下,JPL還正在開發500Mbps雷射通信設備,已完成分析和設計工作,一些關鍵子系統也已研製成功,並正在進行子系統的工程組裝工作。JPL目前還正在研製高功率(315W)Nd-YAG雷射器、窄帶雷射濾波器及地面和空間的雷射衛星跟蹤網路。
此外,美國宇航局還支持JPL進行其他衛星通信計畫,如實現圖像功能的窄帶雷射濾波器以及地面和空間的雷射衛星通信跟蹤網路。 美國的戰略飛彈防禦組織(BMDO)也正在積極進行空間雷射通信的研製開發工作,該工程由空軍提供主要經費,由MIT林肯實驗室進行有關關鍵技術和系統技術的研究。現已研製出雷射通信終端設備,並進行了作用距離42km、信息率1Gbps、誤碼率Pe為10-6的全天候跟瞄實驗。
林肯實驗室還研製出了窄帶並且具有空間搜尋和跟蹤功能、達到量子限的收發光端機,該端機採用單模光纖進行內部連線。新近又研製出藍綠光接收系統的快速原子諧振濾波器,相關合成技術的光多孔排列裝置,寬角多址系統的碼分多址技術,高功率(315W)半導體雷射功率放大器,1～2Gbps高速編碼晶片,摻鉺光纖功放/發信機,10Gbps高速調製器和具有近量子
世界各國空間光通信發展現狀
| 美國NASA’sGoddardSpaceCtr |
| 雷射通信轉發器(LCT)用於自由號空間站,實現GEO— |
| LEO聯接 |
| 美國林肯實驗室LincolnLab/MIT10Gbps高速調製及量子限接收 |
| 日本郵電省通信研究實驗室(CRTL)初步實現地面站—GEO之通信,製作LCE日本日本空間發展局(NASDA)計畫實現GEO—LEO,GEO—GEO(ILC) |
| 日本電信新技術研究所(ATR) |
| 模擬太空環境,提供地面測試條件歐洲歐洲航天局(ESA)實現GEO—LEO通信系統SILEX |
| 英國皇家空軍DMA研究所ESA |
| LEO數據中繼網路的實現 |
| 加拿大MPB技術公司 |
| 用於星際連線的半導體高傳輸率外差系統 |
| 法國歐洲航天署 |
| 空間通信天線設計 |
| 義大利FIAR |
| 二極體泵浦Nd:YAG雷射器相關探測技術 |
| 西班牙UniversidadpolitechicadeMadrid |
| 模擬空間光通信實驗 |
| 德國RGKT |
| 使用LD泵浦Nd:YGA雷射器的自由空間光通信實驗裝置 |
| 奧地利維也納技術大學(TUM) |
| LD泵浦Nd:YGA雷射器的外差傳輸 |
| 荷蘭 |
| ESA電信局(ESTEC) |
| 參與SILEX計畫總體設計,利用現有衛星進行環境測試 |
參考文獻
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