自由空间激光通信技术综述

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空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。  
　　
　　传输原理

　　大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。图1所示的是一台激光通信机的原理框图。图中系统可传递语音和进行计算机间数据通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关Ｋ掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。

　　接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。
　

图1  激光通信原理图

　　
　　关键技术分析

　　高功率激光器的选择

　　激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类：

　　二氧化碳激光器。输出功率最大(>10kw)，输出波长有10.6　　m和9.6　　m，但体积较大，寿命较短，比较适合于卫星与地面间的光通信。

　　Nd:YAG激光器。波长为1064nm，能提供几瓦的连续输出，但要求高功率的调制器并保证波形质量，因此比较难于实现，是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器，若使半导体发射谱线与Nd:YAG激光器吸收谱线一致，可减少热效应，改善激光光束质量，提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。

　　二极管激光器（LD）。LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，并且可以直接调制，所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800～860nm的ALGaAs　　LD和波长为970～1010nm的InGaAs　　LD。由于ALGaAs　　LD具有简单、高效的特点，并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性，在空间光通信中成为一个较好的选择。

　　快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术

　　这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成：

　　捕获（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad；

　　跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百祌ad，跟踪精度为几　　rad，跟踪灵敏度大约为几nW。

　　精密可靠高增益的收、发天线

　　为完成系统双向互逆跟踪，空间光通信系统均采用收、发一体天线，隔离度近100%的精密光机组件。由于二极管激光器光束质量一般较差，要求天线增益高，另外为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件）总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25厘米。

　　大气信道

　　在地－地、地－空激光通信系统信号传输中，大气信道是随机的。大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子，几何尺寸与二极管激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收和散射，特别在强湍流情况下，光信号将受到严重干扰。因此如何保证随机信道条件下系统的正常工作，对大气信道工程研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐步走向实用化。

　　总之，空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题，它的发展与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密光、机、电综合技术的研究和发展密切不可分，光电器件、激光技术和电子学技术的发展，为空间光通信奠定了物质基础。
　　
　　发展趋势

　　星际自由空间光通信技术的可行性问题已经解决，虽然至今尚未真正实现星际通信，但是发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准要求、热稳定性和机械稳定性等关键技术近几年已取得明显进步，相信不远的将来将取代微波通信成为星际通信的主要手段。

　　地面空间光通信将作为一种主要手段进入本地宽带接入市场，特别是那些通常没有光纤连接的中小企业。

　　微波系统和自由空间光通信系统在许多方面可互为补充，前者能提供大区域内低速通信，而后者能提供小区域内高速灵活的连接。各种系统的无缝连接能使用户得到更方便的服务。此外，微波系统还可与自由空间光通信系统互为备份，在天气恶劣甚至无法进行光通信时，启动微波通信系统，可以大大提高通信系统的适用性和可靠性。

　　在战场上，当受到敌方强电磁辐射干扰时，会导致微波通信系统失效，而光纤通信系统既无法在短时间内建立起来，也不能满足机动性要求。此时自由空间光通信系统的优势立刻显现：它能在极短的时间内建立，还对电磁干扰免疫，所以自由空间光通信在军事领域有着广泛的应用前景。
　　
　　研究重点

　　光源

　　光源的波长应选择在透过率良好的“大气窗口”。发射功率要考虑到人眼的安全。对于光源，除了要求输出光束质量好、工作频率高、出射光束窄以外，还要考虑激光器的输出功率稳定性、频率稳定性、光束方向稳定性和工作寿命等。因此有必要对新激光光源技术进行进一步研究。多模二极管激光器光谱较宽，大气色散等因素会引起一定的脉冲扩展，从而限制通信速率，因此需要做进一步的分析。自由空间光通信系统原来多采用800nm波段光源，这是由于此波段的激光器体积小、重量轻、效率高，比较成熟，有成品；同时该波段也有比较成熟的铯原子滤波器。近年来，随着光纤通信技术的成熟，自由空间光通信的工作波段有向1550nm波段发展的趋势。

　　发射和接收天线

　　发射和接收天线的效率都会对自由空间光通信系统的接收光功率产生重要影响。发射天线可以设计成接近衍射极限，尽管可以获得最小的光斑，但也给精确对准带来困难；为了接收更多的信号能量，接收天线的直径越大越好，同时也会增加系统的体积、重量和成本。所以，研制体积小、重量轻、光学增益大的新型接收天线对提高接收灵敏度有非常重要的意义。

　　大气信道

　　对于大气对激光通信信号的干扰的分析，目前仅局限于大气的吸收和散射等，很少涉及到大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等问题，而这些因素都会影响接收端信号的信噪比，从而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽。因此，有必要在这方面做更深入详尽的分析，并提出解决以上问题的技术方案。例如，采用自适应光学技术是一个值得重视的研究方向。

　　组网及其他技术

　　各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入激光通信，波分复用技术和光放大器技术已经应用于自由空间光通信。随着自由空间光通信技术的不断完善，由点对点系统向光网络系统发展是大势所趋。有专家预测，未来的自由空间光网络将形成一个立体的交叉光网，可在大气层内外和外太空卫星上形成庞大的高容量通信网，再与地面上的光纤网络相沟通，满足未来的各种通信业务需求。

　　保密通信

　　自由空间光通信的安全保密性较好，因为红外激光的波束窄且不可见，很难在空中发现其通信链路。同时，激光束定向性好，如果想截取，一般需要在链路中插入，这是很难做到的，而即使被截取，用户也会发现，因为链路被中断。因此，自由空间光通信系统比微波系统安全得多。但是经分析论证，由于自由空间光通信信道的开放性，窃听信号而又不阻断光束的传播，也是可以做到的。所以深入研究自由空间光通信的保密方法和技术是十分必要的。