（光学专业论文）星载激光通信光学天线设计及镜面热变形有限元分析.pdf

摘要 空问激光通信具有大通信容量、高传输速率、保密性好、高抗电磁干扰能力、 终端设备体积小、功耗低等优点，是通信领域内一个富有生命力的分支，因此各 个国家都非常重视对空间激光通信的研究工作，并取得了可喜的进展。光学天线 系统是空间光通信系统中的一个重要组成部分，其性能优劣将直接影响空问光通 信的进行。因此，选择和设计适宜的天线系统有着重要的意义。 论文首先对空间光通信作了简要的介绍，讨论了空间光通信的优势、主要应 用场合及研究空间光通信的意义，然后介绍了空间光通信的发展概况，并概括性 的论述了空间光通信的应用前景及发展趋势。随后讨论了空间光通信系统的主要 结构和组成，阐述了空间光通信的关键技术并对影响空间光通信系统性能的因素 和对策进行了讨论。 论文介绍了光学天线的分类和设计要求，根据空间光通信的特点选择卡塞格 伦反射式天线，讨论了卡塞格伦天线的组成及工作原理，以及卡塞格伦天线参数 之间的相互关系。结合课题需要，设计并测试了卡塞格伦光学天线。 论文建立了在轨运行空间高真空热环境下的天线镜面热变形分析模型，利用 有限元分析软件a n s y s 仿真得到的结果，分析比较了稳态温度场条件下潜望式天 线系统反射镜面的应力及变形情况。计算了在轨运行条件下反射镜面热变形引起 的表面法向偏转参数，推导了镜面变形后出射光线的通用表达式以及镜面变形前 后在c c d 探测器上的接收光斑中心偏转量的计算表达式。结合安装工艺等因素， 提出了系统相应可采用的抑制或缓解措施。 关键词：空间光通信，光学天线，镜面热变形 a b s t r a c t a b s t r a c t s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nh a sm u c ha d v a n t a g es u c ha sm u c hg r e a t e rc o m m u n i c a t i o n sc a p a c i t y , h i g h - b i t r a t e ，h i g hs e c r e c y , h i g ha n t i e l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c e ， s m a l ls i z ea n d l o wa t t e n u a t i o n i ti sal i v e l yb r a n c ho fc o m m u n i c a t i o n s oe a c hc o u n t r y a t t a c h e si m p o r t a n ta t t e n t i o nt os p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n da c h i e v e sg r e a t p r o g r e s s t h eo p t i c a la n t e n n a ss y s t e m ，w h i c hi sai m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h es y s t e m o fs p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，a n di t sp e r f o r m a n c ew i l la f f e c t so nt h er u n n i n go ft o t a l s y s t e m t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt os e l e c ta n dd e s i g nt h er i g h to p t i c a la n t e n n a f i r s t l y , s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e db r i e f l yi np a p e r , d i s c u s st h e a d v a n t a g e ，t h ea p p l i c a t i o nf i e l d sa n dr e s e a r c hm e a n i n g s ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n t s i t u a t i o n ，a n dt h ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da sw e l la sd e v e l o p m e n tt r e n da b o u tt h es p a c e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o na r es y n o p t i c a l l yn a r r a t e d t h e nt h em a i ns t r u c t u r e ，i n t e g r a lp a r t s ， t h ek e yt e c h n o l o g i e s ，t h ef a c t o r sa n dc o u n t e r m e a s u r e so fi n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo f s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e d p a p e ri n t r o d u c et h es o r t sa n dr e q u e s tf o rd e s i g no fo p t i c a la n t e n n a s ，c h o o s i n gt h e c a s s e g r a i na n t e n n a sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co fs p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h e s t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo fc a s s e g r a i na n t e n n a sa r ed i s c u s s e d ，a sw e l la st h er e l a t i o n o fp a r a m e t e r se a c ho t h e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fh i i g hv a c u u mt h e r m a le n v i r o n m e n ti nl o wo r b i t ， i tb u i l d st h et h e o r e t i c a lm o d e l i n go ft h et h e r m a la n a l y s i so ft h e r m a ld i s t o r t i o ni no p t i c a l r e f l e c t o ro fa n t e n n a ss y s t e m m a k i n gu s eo ft h er e s u l t sr e a c h e db ya n s y ss o f t w a r e ，i t a n a l y z e sa n dc o m p a r et h es t r e s sa n dd i s t o r t i o no fr e f l e c t o ru n d e rt h es t a t i ct e m p e r a t u r e i tc o m p u t et h ep a r a m e t e ro fd e f l e x i o nc a u s e db yt h e r m a ld i s t o r t i o ni no r b i t ，d e d u c et h e g e n e r a le x p r e s s i o nf o rs p r e a d i n gb e a ma f t e rt h e r m a ld i s t o r t i o no fr e f l e c t o ra n dt h e c e n t e rd e f l e x i o no ff a c u l ar e c e i v e di nc c d w i t ht h em e t h o do ff i x i n ge t c ，i tp u t f o r w a r dt h er e s t r a i nm e a s u r e sa d o p t e da c c o r d i n g l y l i n k i n gt ot h er e q u e s to ft h e r e s e a r c hs u b j e c t ，i td e s i g n sa n dt e s t st h ec a s s e g r a i no p t i c a la n t e n n a s i l l a b s t r a c t k e yw o r d s ：s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a la n t e n n a ，m i r r o rt h e r m a l d i s t o r t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：些委盔 日期：劲年j 7j 7 1 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：2 照导师签名李鳗聋 日期：矽占年，月i f 日 第一章、引言 1 1 光通信概述 第一章引言 信息时代的发展需要建立传输速率快、信息量大、覆盖空间广的通信网络系 统。采用波长极短的光波进行空间通信，是实现高码率通信的最佳方案之一。尤 其是在空间卫星日益拥挤的今天，这一点已经取得了通信领域许多专家学者的共 识。实际上，世界上各主要技术强国为了争夺空间光通信这一领域的技术优势以 及制空权、制信息权，都已投入了大量的人力物力对空间光通信进行研究，并已 取得可喜的进展。 空间激光通信是指利用激光束作为信息载体进行空间通信，它不仅包括深空、 同步轨道、低轨道、中轨道、卫星问的光通信，还包括其与地面站之间的激光通 信，有g e o ( g e o s y n c h r o n o u se a c ho r b i t ) - g e o 、g e o l e ofl o w e a f l ho r b i o 、 l e o l e o 、l e o - 地面等多种形式，如图1 1 所示。 图卜1 星间激光通信的主要分类 利用空问光通信可以建立空一空、空一地、地一地、飞机一飞机、飞机一地面基站 电子科技大学硕士学位论文 间等完整的立体的通信网络体系，如图1 2 所示。 图1 2 空间激光通信网络体系示意图 1 2 空间光通信的意义 目前，卫星微波通信使用的频段在3 0 0 m h z 至i j 3 0 0 g h z 之间【l i ，而空间光通信 使用频段为3 0 0 t h z ，二者相差3 5 个数量级。可见，采用光波段进行通信时具有数 据虑高的优势，通信的数据率可达数g b p s 或更高。此外，激光的高度相干性和空 间定向性，决定了空间激光通信与微波通信相比在许多方面优势明显：抗干扰能力 强、安全性好、设备体积小、重量轻、频谱不受管制、功耗低、系统机动性强、 造价低、易于扩容，以及组网灵活。尽管空间光通信具有以上优点，但是同时也 存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确的捕获、对准和保持难度大等问 题。 空间激光通信技术已成为当今世界信息技术的一大热点，专家预言，未来它 将是构筑军事通信技术网必不可少的环节，因此其发展趋势与潜力己引起各国高 度重视。空间激光通信技术的突破，可极大地推进空间光通信技术史用化进程， 必将促进激光技术、器件、空间通信技术等方面的发展，对军事科学技术及光电 信息产业发展有重要的推动作用。因此空川光通信的研究具有非常重大的应用背 景，对人民生活和国防建设具重大意义，有很大的研究必要性。 第一章引言 1 3 空间激光通信的主要应用范围 早期的空间激光通信的主要目标是l e o 和g e o 间的通信，随着卫星光通信关 键技术的发展及信息传输的要求，目前的光通信应用范围已扩大至r j l e o 与地面、 高空飞机之间、高空飞机与地面、卫星作为地面之间的光中继点等。 ( 1 ) 星间、星地间激光通信 空间光通信的需求正在逐年增长。现在投资者对卫星通信的投资幅度正在增 加；但是现代通信所需求的带宽越来越宽，通信容量也越来越大，在带宽和系统 容量增加的同时，又希望卫星系统的体积应越来越小，发射费用也应逐渐降低。 而r f 波段在卫星宽带通信方面有其固有的缺点，因而人们纷纷将目标投向频率更 高的卫星间激光通信。事实上，无线电的频段正变得越来越拥挤，可利用的频谱 资源也越来越少。f c c ( 美国通信委员会) 在分配频谱资源时已经面临着很大的困 难。与此同时，陆地大容量长距离通信的问题尽管从理论上可以再通过铺设光缆 得到缓解，但是价格昂贵。同时，大多数用户在上网时还受到有限干线的困扰。 另一方面，激光卫星通信以其独特的优点取得了非常大的成功。与传统的r f 系统相比，激光通信系统的功耗低、体积小、重量轻、保密性好、数据传输率高、 抗干扰能力强，建造和维护费用也较低。因此，激光通信特别适合于卫星通信。 与微波卫星系统相比，激光卫星通信系统在重量标准和花费标准上也表现出较大 的优越性。例如，1 9 9 5 年6 月日本用“菊花一6 ”( e t s v i ) 技术实验卫星与美国的大 气观测卫星成功地进行了双向激光数字通信【2 】，在相距3 2 1 0 4 k m 距离上成功地通 话8 m i n 。同年7 月e t s ：v 1 又实现了卫星与地面站的双向光通信。同年1 1 月至次年5 月，e t s v i l c e 还与美国j p l 成功地进行了卫星与地面站间的光通信实验p 1 ，在 3 7 8 0 0 k m l 巨离上实现了传输码率为1 0 2 4 m b p s 、误码率达10 _ 6 的通信。又如，美国 的贝尔航天技术公司进行了卫星作为地面站之间的光中继站的现场实验，卫星上 的一面反射镜通过跟瞄系统的精密控制，能够准确地将一个地面站发出的激光束 反射到另一个地面站上。 ( 2 ) 机群问、机群与地面间激光通信 由于卫星通信技术的发展，尤其是a p t 技术在卫星通信系统中的应用，为空间 激光技术应用到其它运动载体上提供了技术保障。经过技术改造可以将a p t 等激光 技术应用到现代军事指挥系统，野战网的连接系统，空间机群指挥等系统中。 例如，早在8 0 年代初期，美国在新墨西哥白沙导弹靶场进行飞机一地面站之问 电子科技大学硕士学位论文 的激光通信实验，实验持续了三个月，总计工作时间2 0 0 h ，采用倍频y a g 激光器( 波 长5 3 2 n m ) ，激光通信设备安装在u s a f k c 1 3 5 飞机上，围绕地面站飞行，相距在 1 0 k m 1 0 0 k m 之间，完成了用窄光束进行光束捕获、跟踪、定位实验认证，实现了 下行1 g b p s ，上- j t 2 0 0 k b p s 的信息传输。同时进行的空间激光雷达演示实验电获得了 成功。 1 9 9 6 年1 2 月美国t h e r m o t r e x 公司在s a n d i e g o 进行了飞机一地面站远距离的激 光通信试验，系统安装有原子滤光器，抑制背景光，改善信噪比，机上安装有a p t 系统，系统用全球卫星定位( g p s ) 系统引导到初始位置，进行捕获，继而转入跟踪。 该系统实验的成功为战略导弹防卫系统的高速率激光通信网的建立打下了基础。 此外，美国的t h e r m o t r e x 公司在美国国防部的支持下，也较为成功地进行了海岛一 海岛的陆海通信实验，通信距离1 5 0 k m 。该实验将光通信系统置于振动平台上，验 证了光通信系统用于飞机问通信的可能性，同时也测试和分析了光通信受大气湍 流影响的情况。 1 4 空间光通信的优势及面临的挑战 1 4 1 光通信的优势 由于光的波长极短，频率极高，加之激光本身的相干性、单色性和方向性好 等特点，因此激光通信有很大的优势。与微波通信相比，激光通信具有以下的优 点： 1 ) 通信容量大。由于激光波长很短，通常使用的半导体激光器的工作波长为 0 8 o 即m 、1 靴m 和1 5 , u m ，频率高达1 0 “h z 以上，因此其可利用的带宽是无线电 射频波段的1 0 5 倍。目前光纤通信的调制带宽可达1 0 0 g b i t s ，而无线激光通信也已 经在研究1 0 g b i t s 的系统。 2 ) 系统尺寸、质量和功耗明显降低，这一点对小卫星光通信尤为重要。由衍 射定律可知，其衍射极限的最小发散角为p = 1 2 2 2 d ，其中a 是载波波长，d 是 发射天线直径。由于光波波长比微波波长低3 5 个数量级，因此，激光波束比微波 波束的发散角小，大大增加接收端的电磁波能量密度。在无线通信中，接收端所 能接收到的功率与发散角的平方成反比。这将使得在同样通信距离的条件下，空 间光通信可以使用较小的发射功率，降低系统的功耗。同时，也可以大大减小收 4 第一章引言 发天线和整个系统的大小和重量。通常情况下，在要求相同发散角时，空间光通 信系统天线尺寸约为r f 和微波通信系统天线尺寸的1 的数量级。 3 ) 各通信链路问的电磁干扰小。由于光通信系统使用激光作为光源，其发散 角很小，能量集中在很窄的光束中。窄光束意昧着和邻近卫星间的通信干扰将会 减小，这对于卫星较多的低地轨道( l e o ) 星座群非常重要。 4 ) 保密性好，在军事领域的应用中有很好的前景。由于空间光通信系统采用 的激光具有很好的方向性、单色性和相干性，激光束的发射角很小，因此非常难 以发现和捕捉。这一点对军事应用尤其重要。 5 ) 光通信的频段不像射频那样由国家或国际机构管理，光频段的使用目前没 有受到限制。空间光通信因设备间无信号的相互干扰，故无需像无线电通信( 如 微波) 那样申请频率许可证。 6 ) 深空信道对于光波传输来讲，可以近似看作为较为理想的信道进行建模。 光波在深空信道中传输的损耗小，传输同样速率信息的设备所需要的投资相对较 小。因此，性价比很高的光通信系统设计方案非常适合在卫星与卫星、地面站与 卫星、卫星与航天飞机等空间站之间高数码率信息传输领域中进行应用。 鉴于激光通信的巨大优点，美国d a e d a l i a n t e c h n o l o g i e s ，l t d 的主管认为，在 未来的宽带卫星通信中绝对是激光星间链路。根据他们的统计，空间卫星通信的 容量将在二十一世纪初出现急剧上升。他比较了卫星通信中各波段通信系统的大 小、成本等，得出了激光卫星通信将能在较低的费用条件下满足高码率信息传输 要求的结论。 1 4 2 光通信面临的挑战 空间光通信的优势很明显，但同样也面临着挑战，表现在： 1 ) 高功率光源及高码率调制技术。 2 ) 高精度、准确的光束对准及快速的捕获和跟瞄技术。 3 ) 背景光源，如太阳、月亮及行星的干扰。 4 ) 近衍射极限的光学准直。 5 ) 大气随机信道对光波传输的影响。 6 ) 大容量、远距离、小型、轻便、低功耗等要求。 7 ) 空间环境对光通信部件的影响。 只有解决了这些技术难题，空间光通信才可能得到更广泛的应用。 电子科技大学硕士学位论文 1 5 论文的研究内容 空间激光通信系统中，光信号的发射与接收技术，光束的捕获、对准和跟踪 是其中的关键技术之一，光学系统起着举足轻重的作用，光学天线作为系统的重 要组成部分，光学天线的设计分析制作及质量对系统链路有很大影响。光学系统 性能的优劣直接影响到通信的可靠性。本文针对空间光通信的实际需求，对光学 天线系统进行了系统的分析。 论文配合实验室相关项目的研制工作，开展了空间激光通信系统卡塞格伦光 学天线的设计和测试研究工作。由于卡塞格伦天线的主镜是一个非球面镜( 抛物 面型) ，天线面形质量检测( 光学非球面镜检测) 是一个值得重点关注的问题，对 于非球面光学元件的应用来讲，检测同时也是最为关键的技术之一【2 9 l 。 空地激光通信链路星上端机在满足卫星对有效载荷的严格要求前提下，应采 取措施减小链路光束指向偏差，提高链路跟踪精度，以保证链路可靠、正常、稳 定的通信。在轨运行阶段，由于捕获、对准、跟踪的需要，采用潜望式结构设计 的空地激光通信链路星上端机接收天线前端部分一般设置在卫星舱外，由于空间 环境存在冷热交变和较大的温度梯度，因此，接收天线前端部分将受到空问热环 境的影响，设置其中的光学反射镜镜面将产生热变形，造成经其反射后形成的光 斑存在中心偏移的现象，影响空地激光通信链路的性能。目前国内外已有一些针 对高功率激光器窗口热变形研究领域的研究报道，但针对空地激光通信链路空间 高真空及热环境的相关研究仅见于本教研室有关文献。本文针对低轨卫星在轨运 行特点，对此进行了一些分析。 相信这些问题的分析研究将进一步发展和完善空间光通信技术。 1 6 论文的组织结构 第一章引言 第二章空间光通信的发展动态 第三章空间光通信系统组成及关键技术 第四章 空间激光通信光学天线系统 第五章光学天线镜面热变形的有限元分析 第六章总结 第二章空间光通信的发展动态 第二章空间光通信的发展动态 利用光波为信息载体进行通信的历史由来已久，早在一百多年前贝尔就获得 了光通信的专利。2 0 世纪6 0 年代初，激光器的出现为光通信提供了一种理想的光 源。由于激光的光亮度高、方向性强、单色性和相干性好，因而传输距离远，且 易于调制和接受，是一种优异的信息载体，因此激光通信得到了较快的发展。 空间激光通信作为高性能卫星通信技术中的关键性课题，国际上开展了大量 的研究工作，美、欧、日等国投入大量的人力物力进行相关技术的研究和空间光 通信实验装置的开发。我国也对此开展了相关的研究。 2 1 空间光通信研究的主要国家与机构 美国是世界上开展空间光通信技术最早的国家，有许多高校的实验室或研究 所、通信技术公司、企业研究所和政府部门介入此项研究计划。具体的研究机构 有na s a ，国防部和美国空军【3 l ，还有十余家高校的研究所以及十余家公司的技 术研究部门等。其中有j p l 和m 1 t 林肯实验室，a s t r o t e r r ac o r p ，f s o n a c o m m u n i c a t i o n sc o r p ，b a l la e r o s p a c e t e c h n o l o g i e sc o r p ，等专业研究机构，此 外已考虑参与及未来潜在的投资与直接参加者有h u g l l e s ，b o e i n g ，t r w 和l o c k h e e d m a r t i n 等许多大公司。 欧洲有法国、英国、德国、西班牙、奥地利、荷兰、意大利、比利时和瑞士 等国家参与的s i l e x 项目1 4 j i ”( 由e s a 负责) ，或者各国独立开展的单元技术研究 计划。日本已有n a s a a 、c r l ( 通信技术研究所1 、邮电部和n e c 等大公司参与的 多项研究计划，它们在世界空间光通信技术研究领域中占有重要地位。 此外还有以色列、墨西哥、加拿大、俄罗斯以及印度、韩国等国家也在开展 或即将开展研究工作。我国有部分研究所和高校在开展空刚光通信技术研究，具 备了相当的研究基础，但应该看到在许多工程技术方面，我们同先进国家的技术 仍存在一定的差距。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 国外空间光通信研究状况 由于光通信的巨大优点，国际上对其给予了充分的重视，投入了巨大的财力、 物力和人力，国外从7 0 年代就开始了空间光通信的研究，最近1 0 年来其在卫星 通信中的应用更是取得了令人瞩目的进展。目前美国、欧洲、日本等国家的关键 技术研究已领先一步，并全面开展了空间光通信技术的研究工作，表2 - 1 为世界各 国光通信发展状况【6 1 。 表2 - 1 世界各国光通信发展状况 国别研究机构 典型系统名称 美国n a s n sg o d d a r ds p a c ec t r 激光通信转发器( l c t ) 用于自由号空间站， 实现g e o l e o 连接 林肯实验室 l o g b p s 的高速调制及量子限接收 日本 邮电省通信研究实验室 初步实现地面站一g e o 之间的通信，制作；c e ( c j u l ) 日本空间发展局( n a s d a )计划实现g e o l e o ，g e o - o e o o s l ) 电信新技术研究所( a t r )模拟太空环境，提供地面测试条件 英国皇家空军d m a 研究所e s al e o 数据中继网络的实现 加拿大 m p b 技术公司用于星际连接的半导体高传输码率外差系统 法国欧洲航天署( e s a ) 空间通信天线设计 意大利f 1 a r l d 泵浦n d ：y a g 激光器的相关探测技术 西班牙u n i c e r s i d a d p o l i t e c h i c a d e 模拟空问光通信实验 m a d r i d 德国r g k t 使用l d 泵浦的n d ：y a g 激光器的自由空间 光通信实验装置 奥地利 维也纳技术大学( t u m )l d 泵浦的n d ：y a g 激光器的外差传输 第二章空间光通信的发展动态 2 2 1 美国空间光通信技术发展概况 上世纪7 0 年代初，美国的n a s a 资助进行了c 0 2 激光和光泵浦n d ：y a g 激 光空间通信系统的初研究。当时主要是考虑将卫星问光通信应用于高数据率 g e o - g e o 链路和低数据率的深空链路，此后又开展了低轨道小卫星星座激光链路 的研究美国空军部( t h ed e p a r t m e n to f t h e a i rf o r c e ) 在上世纪7 0 年代中期资助进行 了选择最佳通信波长的研究工作，并进行了在a c t s 飞船上搭载使用半导体激光 的发射机以建立飞船与地面之间的外差接收联系的预研工作。 n a s a 还在卫星光通信的一些新的应用领域进行了研究，以寻求自山空间激 光链路潜在的应用。随着更小、更轻和更有效益的低轨道卫星的显著增加，通过 中继星对用户星数据进行数据中继的费用显得偏高。低价格、低能量、通过地面 或新种类的用户卫星终端的需求越来越迫切。n a s a 的激光通信实验系统( l c d s ) 计划正是针对这一情况而建立的【7 l 。该项计划考虑了中心实验系统，包括光通信终 端、主飞行器、发射装置、地面探测系统、数据采集及实验系统的运行。l c d s 计 划要求工业上要考虑实际需要进行生产，目前该计划己成为驱动工业在空间应用 领域发展的新动力。 n a s a 的喷气推进实验室j p l ( j c tp r o p o r t i o nl a b ) 一直在进行着卫星光通信及 应用于外层空间探测器上的深空卫星光通信系统的基础研究【8 】。j p l 的研究重点放 在行星距离范围的空一地通信。其1 0 c m 孔径的光通信演示机o c d ( o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sd e m o n s t r a t o r ) 数据率可达2 5 0 m b p s ( 如图2 1 所示) 。 图2 - 1n a s a j p l 的光通信演示系统o c d 和主要元部件外形图 电子科技大学硕士学位论文 随着美国第一代跟踪数据卫星系统( t d r s s ) 投入运行，美国的卫星光通信研 究进入了一个新阶段。针对第一代跟踪数据中继卫星的通信带宽不足以及受星上 体积结构的限制而不能安装过多跟踪天线的缺点，在第一代跟踪数据中继卫星的 方案设想中采用了激光星间链路( i s l ) ，即利用激光进行卫星间的a p t 控制及通 信。这将大大增加通信的容量，提高跟踪天线测角的精度，缩小发射天线的体积， 从而提高中继卫星的应用功能。 近几年来，在商业需求及政府支持的巨大推动下，卫星光通信技术己成为美 国的研究热点，美国至今己经实施了多个有关卫星光通信的研究计划，研制了多 个卫星光通信实验终端。t h e n n ot r a x 公司成功研究了可接收和发射激光光束的卫 星附加器，并进行了激光传输电视会议信号的实验。朗讯科技公司( l u c e n t t c c h n o l o 西e s ) 则进行了地面空间光通信的w d m 实验1 9 1 1 0 】。实验中采用1 5 5 0n m 附 近的四波长复用，单波长信道数据率为2 5g b p s ，通信距离为4 4k m 。该实验装置 的发射和接收端均采用了光w d m 器件。同时，美国还在积极进行小卫星星座中 星问激光链路终端的研制。 图2 - 2s t r v - 2 通信终端 从1 9 9 5 年起，美国的弹道导弹防御组织( b m d o ) 实施了s t r v - 2 实验计划 ( s p a c et e c h n o l o g yr e s e a r c hv e h i c l e 2 ) 1 1 1 1 【1 2 】【j ”，该项计划的主要f 1 的是演示l e o 卫星t s x 5 与地而站间的上行和下行激光链路，验证卫星光通信技术在这方而的 准备情况。s t r v - 2 终端采用了极化复用技术，数据率为2 x 6 0 0m b p s 。t s x 5 己 经于2 0 0 0 年6 月7 目成功发射，入轨后进行的部分空间实验结果己经公丌报道。 美国t r w 公司研制的新技术演示验证实验卫星g e o l i t e 己于2 0 0 1 年5 月1 8 日 在肯尼迪航天中心利用b o e i n gd e l t a1 i 型火箭成功发射，星上装有激光通信有效 1 0 第二章空间光通信的发展动态 载荷，将进行卫星光通信的空间实验。 2 2 2 欧洲空间光通信技术发展概况 欧洲空间局( e s a ) 于1 9 7 7 年正式开展了高数据率空间激光链路研究，在2 0 余年的时间里，e s a 对光学空间通信的有关技术进行了有步骤地、周密细致地研 究。并制定了一系列的阶段性研究计划。在完成了基础技术研究的t r p 计划和长 途通信准备计划( t p p ) 之后，e s a 进行了卫星光通信系统及技术研究的a s t p 计划。 在1 9 8 7 年至1 9 9 2 年期间，e s a 实施了有效载荷及模拟和实验的p s d e 计划。此外， 针对欧空局欲在数据中继卫星( d r s ) 上安装卫星光通信系统的计划，e s a 又在 1 9 8 7 1 9 9 5 年进行了数据中继准备计划( d n p p ) 。 从1 9 8 9 年起，e s a 开始实施著名的s i l e x f s e m i c o n d u c t o rl a s e ri n t e r s a t e l l i t e l i n ke x p e r i m e n t ) 计划【”。这个计划的实旌是为了发展光学空间通信系统的全部元 器件以及在实用前进行一次空间实验以测试光学空间通信系统的性能。参与 s i l e x 计划的国家有法国、德国、英国、意大利、荷兰、奥地利、比利时、瑞士 以及西班牙等。在该计划期间，e s a 先后研制了以不同星间链路为背景的一系列卫 星光通信终端，其中的两个卫星光通信终端已通过了地面测试，并应用于空间实 验。个是装于法国地球观测卫星s p o t - 4 上的低轨道卫星终端，该终端于1 9 9 8 年 3 月随s p o t - 4 卫星发射入轨。另一个是装于e s a 的中继卫星a r t e m i s 上的同步 轨道卫星终端，a r t e m i s 在2 0 0 1 年7 月由e s a 的a r i a n e 5 火箭发射入轨。2 0 0 1 年1 1 月，e s a 在a r t e m i s 与s p o t - 4 之间成功的进行了世界上首次卫星间光通信 实验。此外，根据e s a 与日本宇宙开发事业团( n a s d a 】的协议，还将在a r t e m i s 与日本的o i c e t s 之间进行光通信实验，o i c e t s 上装有光通信实验终端l u c e ， 将于近些年发射。 1 9 9 3 至1 9 9 7 年，作为s i l e x 计划的另一部分，e s a 在g a n a r y 岛上建立了一 个光通信地面站来进行外场模拟实验。用l m 口径的望远镜终端模拟l e o 上的光 通信终端，接收从a r t e m i s 上发射的数据并向a r t e m i s 发射光波段信号，以对 a r t e m i s 上的光通信终端进行测试。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 3a r t e m i s 卫星的通信示意图 图2 4s i l e x 卫星 近些年，e s a 还研制了小光学用户终端s o u t ，甚小光学用户终端v s 0 u t 以 及高级激光通信终端a l c t l l 4 l 。这些终端中所采用的技术反映了当今世界上尖端 的高新技术，如采用二元光学元件替代部分光学系统，这样大大减少了终端的体 积和重量。终端的重量由s 1 l e x 终端的1 5 7 k g 减小到v s o u t 终端的l o k g ，同时数 据率比s 1 l e x 终端的5 0 m b p s 增加到v s o u t 终端的5 2 0m b p s 。1 9 9 8 年e s a 又开 始研制短距离星间光链路s r o i l 系统【l5 。，在s r o i l 终端中，采用半导体激光泵浦 的y a g 激光器作为新光源，同时将以往的直接探测改为相干探测，这样将大大提高 系统的探测灵敏度，此类终端的数据率最高可达1 5 g b p s ，而终端的质量最小可达 8 k g 可以说，e s a 在卫星光通信研究方面已走在当今世界的前列。此外，一些欧洲 国家除了在e s a 的框架下进行卫星光通信研究外，还有着自己的卫星光通信研究 计划。例如，德国自行发展了高数据率星间通信系统s o l a c o s l l 6 l ，该项计划从 1 9 8 9 年开始实施，目前正在进行地面模拟实验。 2 2 3 日本空间光通信技术发展概况 日本在上世纪8 0 年代中期丌始卫星光通信的研究工作1 1 7 1 【1 8 。主要有邮政省的 通信研究室( c r l ) 、宇宙开发事业团( n a s d a ) 及高级长途通信研究所( a t r ) 的光 学及无线电通信研究室进行此方面的研究工作。 c r l 丰要进行了在地面站与工程试验卫星e t s v i 之间的激光通信实验1 ”jt 2 0 i 【2 1 1 。在e t s - v i 上搭载的光通信终端( l c e l a s e rc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ) 主要由 第二章空间光通信的发展动态 邮政省的通信研究室( c r l ) 设计完成，所采用的技术包括最初的捕获、跟踪，双 向激光通信，卫星高度测量，激光光束传输，空间光学装置实验e t s v l 于1 9 9 4 年 8 月发射，但由于助推火箭出现了故障，无法按预定将其送入地球同步轨道，使 e t s - v 1 只好在大椭圆轨道上运行，原定的实验计划无法进行。从1 9 9 4 年1 2 月起， 上行和下行激光发射实验开始进行。实验内容主要包括瞄准捕获跟踪双向光通信、 卫星三轴姿态测量、激光光束模式和传播性能测量、咀及光学器件在空间的性能 测试等。由于要克服大气湍流和各种闪烁引起上行激光光束严重衰减和闪烁，经 过长时间的努力，e t s v i 与地面站的光通信实验终于在1 9 9 5 年7 月成功完成这是 世界上首次成功进行的卫星光通信实验，实验结果证明了星地链路的可行性。 图2 - 5 日本e t s - v i 上的光通信终端l c e图2 - 6e ，r s v i 系统实验示意图 n a s d a 自行研制了只携带光学终端、质量约为5 0 0 k g 的低轨道小型光学星间 通信工程试验卫星o i c e t s ，轨道高度约为5 0 0 k m ，星上装有光通信实验终端 l u c e 。发射o i c e t s 的目的是在空间对卫星光通信的探测、跟踪等技术进行实验， 以评价及改进卫星光通信技术及装置。n a s d a 计划与e s a 共同进行卫星间光通 信的实验，届时实验将在日本的o i c e t s 与e s a 的a r t e m i s 之间进行。此 外，o i c e t s 还将与地面站进行光通信实验。 a t r 在1 0 余年的研究工作中，对激光星间链路的光束控制、调制等关键技术 进行了研究及论证，并建立了一套自由空间模拟装置以进行了有关的地面模拟实 验。该装置通过模拟激光在真空中长距离传输对光学天线进行评测，还可以通过 模拟动态跟瞄偏差测试a p t 子系统。a t r 利用这套装置进行了数据率为数十亿比 特的直接调制光信号发射接收实验。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 俄罗斯空间光通信技术发展概况 俄罗斯也在卫星光通信方面一直进行着研究，但对此甚为保密，虽然有个别对 卫星光通信器件的研究文献，但难以得到光通信系统研究方面的详细资料。俄罗斯 位于伏龙芝的“n p oz a r y a ”研究与生产联合体曾透露该单位已进行了卫星光通信 的理论和实验研究，著取得了令人满意的结果。在可得到的公开发表的文献中，可 以看出俄罗斯对卫星光通信器件的技术进行了研究。 表2 - 2 国外典型空间光通信系统参数 系统 慕 l c el c d e0 c d s t r 讧2s i l e x 国别日本日本 美国美国欧洲 应用范围高轨一地国际空间站一地l e o 一地l e 0 一地l e o g e o 下行：8 3 0下行：1 5 5 2 波长( n m )8 6 08 1 08 4 7 上行：5 1 0 上行：1 5 6 2 上行：1 2 0 0 0 码率m b p s 1 ，0 2 4 2 5 0 1 0 0 05 5 0 2 0 0 0 5 0 下行：2 5 0 0 0 通信距离k m 3 7 8 0 0 几百几十几千 1 8 0 0 4 5 0 0 0 质量( k g ) 2 2 49 0 几十 1 4 3 功耗( w ) 9 0 “5 2 3 国内空间光通信研究状况 在国内自上世纪7 0 年代初就开始了“无线光通信单元技术及通信系统的研 究”，先后对h e n e 激光、c o z 激光及半导体激光等方面进行了研究，但均受到 各种条件限制未有具体应用场合。直到9 0 年代初期= 才开始了以卫星通信为背景的 卫星光通信技术研究，主要进行研究的单位有电予科技大学、哈尔滨工业大学、 和北京大学。 1 4 第二章空间光通信的发展动态 电子科技大学是我国最早从事光通信研究的单位之一。在军方和电子部等有 关单位的大力支持下，电子科技大学的研究水平一直处于国内先进水平，从七十 年代起到现在，坚持从事激光大气通信技术及系统的研究1 2 2 j ，完成相关课题四十 余项，先后获得国家科技进步奖二项，部省级奖5 项。七十年代，电子科大先后 成功研制了3 路，6 0 路，9 6 0 路激光大气通信系统( 如图2 7 ，图2 8 ) ，“八五” 和“九五”期间先后完成了自由空间光通信技术和空间站光通信技术等 多项国防预研和8 6 3 2 航天领域项目的研究。对卫星激光通信的理论、关键技术、 系统设计和计算机仿真研究进行了近于全方位的研究，取得的成果具有自己的特 色和先进性。“九五”期问已研制出两台具有捕获、对准和跟踪功能，能进行双 向通信的激光通信端机，在国内尚属首次。 哈尔滨工业大学从“八五”期间对卫星光通信技术进行了调研和跟踪，分析 了卫星光通信今后的发展趋势。“九五”期间，先后承担了多项空间光通信技术 研究项目，对卫星光通讯系统基本概念，信号传输基本系统等多方面进行了深入研 究。在“九五”期问，研制了两套卫星光通信模拟实验终端，初步进行了卫星光通 信模拟实验，这些工作为卫星光通信的空间演示验证系统研制和实现卫星光通信 实验打下了基础，标志着我国的卫星光通信研究可以向空间试验阶段迈进。 图2 76 0 路1 0 6 卢mc 0 2 外差式图2 - 89 6 0 路1 0 6 mc 0 2 外差式图象 大气激光通信系统大气激光通信系统 北京大学在“八五”期间致力于新型原子滤波器的研究，为实现强背景干扰 ( 如强太阳光背景) 情况下的光通信技术丌展了关键技术攻关工作。“九五”期间， 北京大学将其应用到卫星光通信瞄准捕获跟踪系统的研究，提出了利用原子滤波 器的多峰特性克服多普勒频移影响，进而可以增大捕获的视阈。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 发展趋势与展望 尽管空间光通信与微波、毫米波通信相比