激光通信关键技术.doc

2010 年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目: 卫星光通信技术学生所在院（系）: 航天学院21系学生所在学科: 物理电子学学 生 姓 名: 姜晋伟学 号: 09S021045学 生 类 别: 非委培考核结果阅卷人 第 1 页 （共 8 页）7激光通信中的关键技术一、引言空间激光通信是利用激光光束作为载波，在自由空间如大气、外太空中直接传输光信息的一种通信方式。开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加、传输速率及信息量大（最高可达10G/min）、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明显降低、各通信链路间的电磁干扰小、保密性强并且显著减少地面基站。二、激光通信发展现状上世纪60年代中期美国就开始实施空间光通信方面的研究计划。美国国家航空和宇航局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)早在70年代就一直进行卫星激光通信的研究工作，其它如林肯、贝尔等著名实验室也都开展了空间激光链路的研究。日本于80年代中期开始空间光通信研究，且已于1995年7月成功地在日本的工程试验卫星ETS-VI与地面站之间进行了星地链路的光通信实验，这是世界上首次成功进行的空间光通信实验。欧洲空间局(ESA)于1977年夏就开展了高数据率空间激光链路研究，现已在该领域的一些关键技术方面处于明显的领先地位。我国卫星光通信研究与美、欧、日相比起步较晚，目前国内只有少数几个单位(比如电子科技大学、哈尔滨工业大学、武汉大学等)进行卫星光通信方面的研究工作，这些工作涉及到卫星光通信的基础技术及基本元器件的研究，以及关键技术的研究。目前，哈工大的光通信研究已经进入工程实化阶段，并向空间试验阶段迈进。三、系统基本组成下面给出激光通信系统的方框图。信息源光源/调制器光学天线接收光学天线调光学天线制光源/调光调制器接光调制器接收光学天线图1 光通信系统方框图卫星光通信系统由下面几个主要子系统组成：（1）光源子系统。在卫星激光通信中，通信光源至关重要。它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量。在激光通信系统中大多可以采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信标光和信号光的光源,工作波长为0.8-1.5pm近红外波段。通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹或几千赫兹至几十千赫兹,以便克服背景光的干扰。（2）发射、接收子系统。发射、接收子系统是卫星光通信系统的关键子系统之一。光发射机大致可认为是光源、调制器和光学天线的级联（图）。光源/调制器光学天线接收光学天线调制器源信号线过滤器阵列（a）光发射场(b)接收光信号输出信号（a）光发射机框图；（b）光接收机框图图2 发射、接收子系统框图（3）信号的调制、解调、探测子系统。调制的作用是将需要发送的信号调制到光载波上。解调是通过光电转换器件将光信号转换为电信号。探测包括滤波和放大。（4）瞄准、捕获、跟踪子系统。即PAT系统。完成光的长距离传输会产生很大的光能量损失，接收的光信号往往十分微弱，此外，背景光也将产生很强的干扰，这就大大增加了光信号接收的难度。因此，在较远的距离和较强的背景干扰的情况下，如何捕获、对准和跟踪光束，是一个光、机、电结合的精密技术，也是激光通信的核心技术之一。由于激光通信系统的通信信号光束发散角非常小，因此如果利用信号光束进行瞄准、捕获将会是非常困难的过程，所以，要完成光束的捕获、跟踪及瞄准，通常采用信标光来完成。信号的接收由信号光来完成。PAT系统的主要功能是确保两个通信终端的精确定向，因为最大允许的指向误差常常是微弧度量级，因此PAT也就成为光链路成功与否的关键。四、关键技术及解决途径 卫星激光通信系统是在自由空间中利用激光作为信息传输的载体，众所周知，光束传播过程中发散角很小,所以光束的对准是十分困难,尤其是作为运动卫星间的光通信。在卫星激光通信系统中要实现信号的发送接收,以及光束的精对准,通常都需要信标光与信号光来共同完成。信号在星间传输系统中有以下关键技术。（1）高功率光源及高码率调制技术。激光通信的需求之一是超高速的数据传输，因此需要高码率的调制技术。而在卫星和地面的通信或者在远距离的卫星和卫星通信过程中由于距离较远，所以需要高功率的激光光源。在激光通信系统中大多可以采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信标光和信号光的光源,工作波长为0.8-1.5 pm近红外波段。通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹或几千赫兹至几十千赫兹，以便克服背景光的干扰。在国内外大都采用极性相反的圆偏振光同时传送和波分复用技术增加通信容量，采用激光二极管阵列技术和使用掺铒光纤放大器(EDFA)技术来提高激光器的发射功率。（2）高灵敏度抗干扰的光接收技术。在空间光通信系统中,接收的光信号通常都很微弱。此外，在高背景噪声场(如太阳光、月光、星光等)的干扰情况下导致接收端的信噪比(SN)降低，又加大了光信号接收的难度。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面的措施：一是提高接收端机的灵敏度，使其达到nWpW量级；二是对所接收的信号进行处理，如光信道上采用光窄带滤波器(干涉滤光片或原子滤光器等)以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上采用微弱信号检测与处理技术。微光探测可以分为两种：相干探测和非相干探测。目前相干探测可以达到10 -11W。非相干探测也可以达到10 -8W 的级别。 （3）精密、可靠、高增益的收发天线。为完成系统的双向互逆跟踪和通信，光通信系统采用收、发合一的天线。由于半导体激光器光束质量一般比较差，所以要求天线增益要高。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。（4）瞄准、捕获与跟踪与技术( PA T )。对于相隔距离较远、时刻处于移动状态的两个光通信终端，为了确保通信成功，要求PAT分系统的跟瞄精度非常高，再加上复杂的工作环境以及可靠性的要求，决定PAT分系统的设计和实现是无线光通信系统中的一项非常关键且难度很大的工程技术，是无线光通信的核心技术问题。该问题既是技术难点又是总体设计难点，由于无线光通信收发设备之间存在相对运动速度，以及存在着角速度和角加速度，与远程无线光通信所要求的极窄视场的捕获、跟踪与瞄准相矛盾。另外，移动平台的姿态调整，跟踪状态下引入的平台姿态变化和平台随机振动等均对窄视场的稳定跟瞄提出了挑战。信标光的束散角在mrad量级，而通信信号光的束散角一般在10100rad量级。提高激光信号的瞄准、捕获、跟踪性能，必须从系统角度综合平衡和设计各个功能单元的技战术指标。比如：一在接收机中使用超窄带宽、高透射率的光学滤波器，以提高接收性能和降低空间噪声与干扰；二是提高平台稳定性能和提高平台与设备转动装置的重量比值，以改善信号跟踪与空间瞄准精度；三是提高信标光引导精度(如程控引导)，增加独立的宽波束信标光设备和借助于其他手段的实时引导手段(如微波)，以提高目标的快速捕获性能；四是采用粗精跟踪联用方式，提高捕获、跟瞄性能；五是提高相对位置测量精度、 降低跟踪误差。 五、结论 随着半导体技术、探测技术、光学元件技术、控制技术和材料技术等的进一步发展，自由空间光通信相应的关键技术也将获得完善的解决方案。无线光通信技术具有广阔的应用前景，在将来的通信领域具有重要的地位。我国在无线光通信方面起步较晚，但是进步较明显，相信在不久的将来会逐步形成地对地、地对空、空对空等多种形式的无线光通信链路。参考文献：1 魏龙超，赵春生.