第9章星際激光通信

光通信原理與技術(shù)第9章星間激光通信衛(wèi)星激光通信——優(yōu)勢(shì)的結(jié)合利用光載波極高的頻率可達(dá)成巨大的通信容量利用光器件體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)可顯著降低衛(wèi)星質(zhì)量利用光波波長(zhǎng)短的優(yōu)點(diǎn)可減小天線(xiàn)口徑，提高衛(wèi)星有效載荷利用衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)可方便地實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和移動(dòng)性衛(wèi)星光通信鏈路分類(lèi)星間鏈路ISLIOL星地鏈路9.3.1主要問(wèn)題及對(duì)策主要問(wèn)題共性問(wèn)題損耗通信光束的對(duì)準(zhǔn)、捕捉和跟蹤背景噪聲多譜勒頻移星地光通信面臨的問(wèn)題大氣信道衰減/湍流損耗自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長(zhǎng)的平方成反比星間距離通常在數(shù)千到數(shù)萬(wàn)公里自由空間損耗在250dB以上光學(xué)天線(xiàn)----解決損耗問(wèn)題天線(xiàn)的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長(zhǎng)的平方成反比光波波長(zhǎng)在m數(shù)量級(jí)，小口徑天線(xiàn)即可獲得巨大增益工作波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，20cm口徑的天線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)110dB以上的增益發(fā)散角問(wèn)題圓形口面的天線(xiàn)其波束主瓣半功率角寬度與工作波長(zhǎng)成正比，與天線(xiàn)口徑成反比

20cm口徑的天線(xiàn)工作在1550nm波長(zhǎng)時(shí)，其3dB光束發(fā)散角僅為7.9

rad

開(kāi)環(huán)方式基本上不可能實(shí)現(xiàn)通信雙方光束的對(duì)準(zhǔn)PAT子系統(tǒng)----解決對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤（PAT）子系統(tǒng)瞄準(zhǔn)----天線(xiàn)指向捕獲----實(shí)現(xiàn)通信光束的對(duì)準(zhǔn)跟蹤----吸收衛(wèi)星機(jī)械振動(dòng)引起的光束偏移廣譜宇宙噪聲幾種常用光電檢測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)特性光學(xué)濾波器----解決背噪問(wèn)題光電檢測(cè)前，在光域?qū)π盘?hào)進(jìn)行窄帶濾波，僅讓特定波段的信號(hào)光通過(guò)，從而大大減少背景光產(chǎn)生的噪聲光電流光學(xué)濾波技術(shù)成熟，大量應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)閃耀光柵多層介質(zhì)薄膜陣列波導(dǎo)干涉型光纖光柵型多普勒頻移光載波頻移大?。篒OL鏈路存在此問(wèn)題影響GEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化范圍約0.08nmvq光源觀察者光源運(yùn)動(dòng)方向光傳播方向大氣信道大氣效應(yīng)大氣吸收大氣散射大氣湍流對(duì)光束的影響衰減多徑色散到達(dá)角起伏閃爍選擇工作波長(zhǎng)避開(kāi)大氣高損耗波長(zhǎng)AO----部分解決大氣湍流問(wèn)題自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)，在天文觀察領(lǐng)域提出，用于改善大氣湍流條件下的天體成像質(zhì)量AO主要改善光束聚焦質(zhì)量，在通信中可抑制光電檢測(cè)器上光斑的功率波動(dòng)，提高接收性能9.3.2衛(wèi)星光通信系統(tǒng)總體功能框圖調(diào)制器信號(hào)光源光電檢測(cè)誤差檢測(cè)誤差信號(hào)處理伺服機(jī)械合束器分束器精瞄跟蹤裝置光學(xué)收發(fā)天線(xiàn)粗瞄裝置信標(biāo)信號(hào)信標(biāo)光源接收機(jī)光學(xué)天線(xiàn)平臺(tái)發(fā)射光束接收光束信息數(shù)據(jù)輸入輸出控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成光學(xué)天線(xiàn)子系統(tǒng)PAT子系統(tǒng)光波調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)光學(xué)天線(xiàn)子系統(tǒng)星間激光通信中，光學(xué)天線(xiàn)的作用十分重要，主要表現(xiàn)在兩方面：在發(fā)送端對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，增大激光束的束腰半徑，可以有效的壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對(duì)光源的光發(fā)射功率要求在接收端增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，可充分提高光接收機(jī)的信噪比，延伸系統(tǒng)的通信距離光學(xué)天線(xiàn)類(lèi)型常見(jiàn)類(lèi)型折射式天線(xiàn)伽利略式開(kāi)普勒式反射式天線(xiàn)單反射面雙（多）反射面折反射組合式天線(xiàn)幾種雙反射面光學(xué)天線(xiàn)牛頓式光學(xué)天線(xiàn)的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側(cè)方卡塞格倫式光學(xué)天線(xiàn)的副鏡面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，內(nèi)側(cè)焦點(diǎn)與主鏡焦點(diǎn)重合，成像于主鏡后方的外側(cè)焦點(diǎn)處格雷果里式光學(xué)天線(xiàn)的副鏡面為旋轉(zhuǎn)橢圓面，近側(cè)焦點(diǎn)與主鏡焦點(diǎn)重合，成像于主鏡后方的遠(yuǎn)側(cè)焦點(diǎn)處牛頓式卡塞格倫式格雷果里式卡塞格倫天線(xiàn)----常見(jiàn)選擇優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有實(shí)焦點(diǎn)重量輕光路設(shè)計(jì)方便MNF1F2饋源2b2aPAT子系統(tǒng)光學(xué)天線(xiàn)發(fā)送光束接收光束光發(fā)送機(jī)光束方向驅(qū)動(dòng)功能單元光接收機(jī)開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)功能單元跟蹤功能單元捕獲功能單元信標(biāo)光源PAT工作流程開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)捕獲掃描誤差檢測(cè)天線(xiàn)方向調(diào)整跟蹤誤差檢測(cè)光束方向微調(diào)掃描方式單方掃描（Stare—Scan）光束掃描FOV掃描雙方掃描（Scan—Scan）掃描過(guò)程主動(dòng)方按完善的掃描策略計(jì)算出若干掃描點(diǎn)，確保在某掃描點(diǎn)上發(fā)送光束一定可以覆蓋被動(dòng)方；主動(dòng)方驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)逐一瞄準(zhǔn)各個(gè)掃描點(diǎn)，并在每個(gè)掃描點(diǎn)作一定時(shí)間的駐留；在某掃描點(diǎn)上主動(dòng)方發(fā)送光束出現(xiàn)在被動(dòng)方的FOV中（因?yàn)楸粍?dòng)方有足夠大的FOV，因此在其未實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)的情況下，也能在FOV中捕獲到主動(dòng)方投射來(lái)的發(fā)送光束）；在主動(dòng)方于該掃描點(diǎn)上駐留的時(shí)間內(nèi)，被動(dòng)方衛(wèi)星根據(jù)FOV中主動(dòng)方出現(xiàn)的位置計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)誤差，并進(jìn)一步計(jì)算出糾正數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)本方天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)精確接收對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了本方發(fā)送光束到主動(dòng)方的對(duì)準(zhǔn)；被動(dòng)方出現(xiàn)在主動(dòng)方的接收FOV中，主動(dòng)方計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)誤差和糾正數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，停止掃描。掃描過(guò)程完成。掃描策略誤差檢測(cè)部件4QD光束方向調(diào)整部件快速傾斜鏡（FSM）目前：快速調(diào)整跟蹤以吸收衛(wèi)星振動(dòng)IAIDIBICxyPAT典型光路二軸反射鏡天線(xiàn)方向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CCD信標(biāo)光源半反鏡卡塞格倫光學(xué)天線(xiàn)誤差計(jì)算開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)衛(wèi)星狀態(tài)信息掃描控制跟蹤反射鏡跟蹤驅(qū)動(dòng)誤差計(jì)算QD光學(xué)濾波片捕獲跟蹤控制APD光束準(zhǔn)直LD跟蹤殘差0-2002000-30300-6080AO子系統(tǒng)波前探測(cè)器透鏡陣列CCD陣列單個(gè)透鏡成像H-S波前傳感器AO對(duì)接收性能的改善0.01.0時(shí)間（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）無(wú)AO0-10有AO調(diào)制/解調(diào)子系統(tǒng)光強(qiáng)調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調(diào)制（PPM）單脈沖PPM差分PPM多脈沖PPM9.3.3典型系統(tǒng)簡(jiǎn)介SILEXSILEX：Semiconductor-laserInter-satelliteLinkEXperiment，半導(dǎo)體激光星間鏈路實(shí)驗(yàn)ESA于80年代后期確立的星間激光通信計(jì)劃1994年通過(guò)設(shè)備級(jí)方案評(píng)審1996年進(jìn)行子系統(tǒng)的性能測(cè)試1998年3月22日LEO衛(wèi)星發(fā)射2001年7月12日GEO衛(wèi)星發(fā)射2001年11月22日實(shí)現(xiàn)星間激光通信SILEX示意圖ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波對(duì)地鏈路SILEX工作參數(shù)設(shè)計(jì)傳輸距離45000km，上行速率50Mbps，下行速率2Mbps通信子系統(tǒng)采用IM/DD方案發(fā)送端光源使用GaAlAs半導(dǎo)體激光器，GEO發(fā)送波長(zhǎng)819nm，LEO發(fā)送波長(zhǎng)847nm，平均輸出功率60mW接收端使用Si-APD作為光電檢測(cè)器，探測(cè)能力近100光子每bit光學(xué)天線(xiàn)為卡塞格倫式，口徑25cm，壓縮后光束發(fā)散角為8rad，接收端接收視場(chǎng)約75rad信標(biāo)光源總功率超過(guò)8W，光束發(fā)散角為700rad開(kāi)環(huán)瞄準(zhǔn)精度8mrad，粗瞄時(shí)光學(xué)天線(xiàn)平臺(tái)整體轉(zhuǎn)動(dòng)，精瞄