【《机载激光通信研究的国内外文献综述》5000字】

机载激光通信研究的国内外文献综述由于机载激光通信的优越性，因此各大国际组织以及西方的发达国家都开始重点关注了起来。包括欧美日在内的国家，它们都在机载激光通信方面有着最好的发展。并且关于机载激光通信相关的链路方面，这部分国家以及组织针对重点技术、理论以及演示实验等方面做了大量的研究工作。1.2.1国外研究现状(1)美国自上个世纪60年代起，美国已经开展了机载激光通信的相关研究，具有代表性的机构主要为一些军方项目，有美国国家航天航空局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)的喷气推进实验室(JetPropulsionLaboratory,JPL)、美国空军实验室(AirForceResearchLaboratory,AFRL)、美国弹道导弹防御组织(BallisticMissileDefenseOrganization,BMDO)、美国国防部高级研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA)以及麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology,MIT)的林肯实验室(LincolnLaboratory,LL)等单位[19]。1980年，McDonnellDouglas公司在美国空军实验室(AirForceResearchLaboratory,AFRL)的支持下，采用532nm的激光实现了100km、200kbps的空-地激光通信链路实验[20]。1981年，莱特帕特森空军基地（Wright-PattersonAirForceBase,WPAFB）搭建了1Gb/s、100km的空-地激光通信链路通信实验。1984年，在美国军方的资助下，HAVELACE项目搭建了160km、19.2kbps的空-空激光通信链路实验[21]。1990年，美国JPL(JetPropulsionLaboratory)实验室在4级空气质量的外界环境中，利用四束波长为780nm的信标光完成了40-60km距离、高度达到的空对空激光通信相关链路的实验，同时两个通信终端相关的视轴在实验中都处在相同平面上，做到了视轴的稳定跟踪[22]。1996年~1999年，弹道导弹防御组织（BallisticMissileDefenseOrganization,BMDO）所属的TT(ThermoTrex)公司分别搭建了1Gb/s、500km的空-空、空-地激光通信链路实验[23-24]。1998年，美国空军研究实验室(AirForceResearchLaboratory,AFRL)搭建了50km-100km、1Gb/s的机-机激光通信链路实验，实验中两机的飞行高度为12km。[25-26]1985年~1994年，麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology,MIT)的林肯实验室(LincolnLaboratory,LL)搭建了高速星间无线激光通信实验设置(LaserIntersatelliteTransmission,LITE)，完成激光通信实验。1999年，ThermoTrex公司搭建了50km~500km、1Gb/s、10-6的机-机通信链路实验。实验中两机的飞行高度约为12km。2000年，TT企业在悉尼奥运会开展过程中，对于体育赛事相关的图像以及视频方面，利用机载激光相关的通信技术实施了传播，同时还供应了100Mbps相关的数据传输服务给西雅图酒店当中的用户，过程中使用的就是机载激光通信设备。2003年，美国构建了空军研究实验室()传感器对应的咨询组，重点就是为了对航空光端机相关的研发机制样机与重点技术实施探索，实现了、、10-7空对空相关激光通信链路的构建试验[27]。2009年，美国麻省理工学院在DCH-6飞机上架设视轴稳定平台，并完成了多次空-地激光通信实验，该次实验最远有效传输距离25km，通信速率2.5Gbps[28]。2010年，美国空军实验室与ITT公司（InternatinalTelephoneandTelegraphCorporation）搭建了94km-132km、2.5Gbps的空-空激光通信链路实验，误码率为10-6。[29-31]2013年，JPL(NASA)实验室研究开发了第二代光通信演示系统(OpticalCommunicationDemonstrationsystem-2,OCD-2)，并在飞行高度为18km-23km的条件下搭建了18、2.5Gb/s激光通信链路实验[32]。(2)欧洲在欧洲，欧洲航天局（EuropeanApaceAgency,ESA）是机载激光通信的主要研究机构。早在1977年，欧空局就开始研究机载激光通信链路[33]。2006年，法国Silex（Semiconductorlaserintersatellite-linkexperiment）激光通信系统与Artemis卫星之间搭建了40000km、50Mb/s的双向激光通信链路实验[34]。2006年，约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JohnsHopkinsUniversityAppliedPhysicsLaboratory,JHUAPL）与AOptix技术公司搭建了40Gb/s、10-6的空-地激光通信链路实验，实验中浮空平台的高度为38m~1km。[35-36]德国航天中心(DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrte.V.,DLR)和TESAT公司共同研发了相干光通信光端机LCT(LaserCommunicationTerminal)/LCTSX(LaserCommunicationTerminalforSAR-X)，首次建立了相干光通信与星际链路通信之间的桥梁。2008年，美国“近场红外实验”(NearFieldInfra-RedExperiment,NFIRE)卫星与德国TerraSAP-X卫星之间搭建了5.625Gb/s的星际相干光通信链路实验[37-38]。2016年，哨兵(Sentinel)1A卫星与EDRS-A(EuropeanDataRelaySystem-A)高轨道卫星之间搭建了45kg、45000~75000km、600Mbps的星际相干光通信链路实验。[39-41](3)日本20世纪80年代，日本开始对机载激光通信进行研究，主要研究机构为政府部门，有邮政省的通信研究室(CommunicationResearchLaboratory,CRL)、宇宙开发事业团(NationalSpaceDevelopmentAgencyofJapan,NASDA)以及高级长途通信研究所(AdvnacedTelecommunicatonsResearchInstituteInternational,ATR)的光学通信研究室。1995年，东京实施了JPL实验室以及邮政省相关通信研究室、、10-6机载激光双向链路相关的通信试验，过程中飞机对应的飞行高度为10km。1997年，日本构建了空对地相关激光通信试验，地点为北海道札幌，以10km作为飞机的实际高度，作为链路相关的距离，是通信的实际速率，并且还涉及到150km的飞行距离[42]。2000年，包括了滨松光子学株式会社（）以及佳能（）在内的日本的部分商业组织都在实施机载激光通信相关的系统相关模块的研究。2006年，日本的低轨卫星OICETS（OpticalInterorbitalCommunicationEngineeringTestSatellite）与欧洲的静止轨道卫星ARTEMIS进行了50Mbps的单向激光通信[43]。在OICET（OpticalInterorbitalCommunicationEngineeringTest）激光通信试验成功后，2010年，日本JAXA(JapanAerospaceExplorationAgency)针对观测卫星海量数据传输的问题，开始研究下一代LEO(LowEarthOrbit)和CEO(GeostationaryEarthOrbit)之间小型化、轻量化、低功耗、高速激光通信光端机，目标传输速率为2.5Gb/s。[44]1.2.2国内研究现状目前，在机载激光通信通信领域内，我国还处于跟随研究阶段，与欧美发达国家之间差距较大。国内开展激光通信研究的机构有：中科院(西安光机所、长春光机所、上海光机所)、长春理工大学、哈尔滨工业大学、成都电子科技大学、武汉大学、中电34所以及航空工业研究室等。关于机载激光通信相关链路方面，我国在2002年由哈尔滨工业大学研发了第一台对应的模拟装置，它能够实现空对空以及空对地激光通信过程相关APT过程的较好模拟[45]。2003年，上海光机所研制了一种新型的机载激光通信样机，并搭建完成了500km~1000km、1Gbps、10-6的机载激光通信链路实验[46]。2006，武汉大学首次在中国建造了42MbPS机载激光通信链路实验，并且机载激光通信在空域当中的自动化跟踪伺服相关系统在第二年开展了试验，从而能够更好地服务于今后航空以及星际相关激光通信的发展。长春理工大学也在2011年构建了机对机的激光通信相关链路试验，并且是4.5Gbps以及17.5km的，该实验在2013年也开展了并且实现的是2.5Gbps、144km的，使得数据传输效率进一步提高。在"海洋二号"卫星的基础上，哈工大于2011年开发的光通信端实现了搭载发射，从数据来看，达到了20Mbps的上升传输速率，下行过程的传输速率要大得多，达到了504Mbps，并且实现了少于5s的捕获时间平均值，对于国内星对地激光通信相关链路试验方面，起到了标志性作用，是一个开端，具有重要的意义[47]。2014年，西安理工大学柯熙政、吴鹏飞等人研制了一种无线激光通信端机，测试结果表明：网卡满足10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s的前提条件下可实现全双工通信。对于国内空间科学探索领域方面，起到里程碑式进步的是酒泉卫星发射中心对于“墨子号”()的成功发射，它是全球第一颗量子科学相关的试验卫星，由长征2号丁运载火箭于2016年8月16日01时40分实施搭载[48]。柯熙政是西安理工大学的教授，其领导光通信相关团队在2018年4月至2018年10月上旬这个时间段，实施了地面相近区域内相干光通信的一个试验，涉及到的内容有自适应光学、APT系统以及偏振测量和相关控制。同时10.2km、600m、100km以及1.3km是试验链路对应的距离，而1550nm则是对应的通信波长，选择的是BPSK相关调制外差对应的检测办法，实现了视频和图像的清晰传输。1.2.3机载激光通信系统的发展趋势机载激光通信系统受飞行环境、大气信道、低频扰动、高频震动、气动光学效应以及强天空背景光的影响，要想其在今后能够获得良好使用，必须先对其中的重点技术把握好。激光的大气传输效应：大气层对于激光有一定的干扰作用，外在表现为激光的光强出现起伏现象将导致部分错误存在于增益相关的控制程序当中，进一步导致信息系统的误码形成。要想将这些问题都处理好，就必须实施光学校正，需要通过波前相位对应的改变来实现。和地面相关环境进行比较，大气环境有着较多的不同，包括了气流以及空气压力方面，这一类因素都将造成激光通信的较大影响。因此，要克服大气传输效应的影响，仍需要大量的研究和实践[49]。就高概率相关的快速捕获技术进行分析，它和星际对应的激光通信是不一样的，其中飞行器的实际位置难以确定，必须实施动态定位，并且不同姿态带来的干扰也是较大的，测量过程具备的精度是有限制的，使得在机载激光通信相关系统的基础上，其中对应的开环捕获有着比较大范围的不确定性，使得建立激光通信链路的难度大大增加。高精度跟踪瞄准技术：机载激光通信光束发散角小。实现激光通信的前提是实现连续对准，这对光学天线的精度和实时跟踪能力有很大的要求。目前大多采用粗精两级复合轴跟踪控制。粗跟踪捕获后，采用快速反射镜的精跟踪控制，提高系统的伺服带宽，抑制粗跟踪残差，实现高频振动条件下激光通信链路的建立[50]。大气光学自适应技术：大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子会引起光斑散射、漂移等。选择了大口径光接收相关的技术，从而能够使得激光通信相关系统方面，对应的大气效应能够有更小的影响，对于大气湍流造成的光功率相关波动方面，通过孔径相关平滑效应可以更好地起到抑制作用；就多孔径相关的发射技术而言，能够对大气湍流带来的散斑效应以及光功率波动起到高效抑制作用；在Turbo相关编码技术的基础上，为提高激光通信效率，使得大气信道在传输方面起到更低的误码率，通过地面上多个位点布站模式，让坏天气以及云层带来的不良影响可以避开[51]。系统集成和轻小型化设计：机载激光通信系统集成了多个光路与组件，结构复杂，要求系统高度集成，如多孔径到共孔径，对于孔径具备的实际尺寸方面，通过自适应相关光学技术可以较好的进行改变。所以，除了要对性能相关要求进行确保以外，还有对系统整体布局实施优化，开展功能相关的模块化以及分区规划，从而能够做到系统相关质量的降低和实现提高工程化水平的目的[52]。参考文献张爱民,梁书剑,马志强,付健.军事通信抗干扰技术进展综述[J].通信技术,2011,44(08):16-17+20.高凯,张翼麟,王一琳.新兴国家典型无人机系统发展现状[J].飞航导弹,2014,(08):21-24.SujitPB,BeardR．MultipleUAVexplorationofanun-knownregion．AnnalsofMathematicsandArtificialIntel-ligence,2008,52(2-4)IscoldP,PereiraGAS,TorresLAB,etal．Developmentofahand-launchedsmallUAVforgroundreconnais-sance.IEEETransactionsonAerospaceandElectronicsSystems,2010,46(1).王超.现代无人机技术研究现状和发展趋势研究[J].科技风,2020(17):12.曹煦,冯士恩.无人机技术应用现状和发展趋势研究[J].计算机产品与流通,2020(07):107.李路路.浅谈无人机民用的发展现状[C].中国航空学会、中国人民解放军空军装备部、中国人民解放军海军航技部、中国航空工业集团公司、北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、国家测绘局.2014（第五届）中国无人机大会论文集.中国航空学会、中国人民解放军空军装备部、中国人民解放军海军航技部、中国航空工业集团公司、北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、国家测绘局:中国航空学会,2014:776-780.易成林.自由空间光通信技术的发展现状与未来趋势[J].现代商贸工业,2007(09):263-264.佟首峰,姜会林,刘云清,刘鹏,吴琼.自由空间激光通信系统APT粗跟踪伺服带宽优化设计[J].光电工程,2007,(09):16-20.RRUEGOI,GUERREROH,SRODRIGUEZ,etal.OWLS:aten-yearhistoryinopticalwirelesslinksforinfra-satellitecommunications[J].SelectedAreasinCommunications,2009,27(9)：1599-1611.TOYOSHIMAM,TAKENAKAH,SHOJIY,etal.ResultsofKirariopticalcommunicationdemonstrationexperimentswithNICTopticalgroundstation(KODEN)aimingforfutureclassicalandquantumcommunications[J].ActaAstronautica,2012,74(3):40-49.BHATNAGAM,ARTIM.Performanceanalysisofhybridsatellite-terrestrialFSOcooperativesystem[J].PhotonicsTechnologyLetters,2013,25(22):2197-2200.臧皖晋.小型无人机测控系统设计与实现[D].西安建筑科技大学,2016.张云秀,曾庆达,张炜.无人机发展综述[J].河南科技,2017(09):58-59.LIUYun-qing,JIANGHui-lin,TONGShou-feng,etal.StabilizationTrackingTechnologyforAtmosphericsTechnologyLetters,2013,(22):2197-2200.KarapantazisS,PavlidouF.broadbandcommunicationviahigh-altitudeplatfoems:asurvey[J].CommunicationsSurveys&Tutorials,2005,7(1):2-31.TANGTao,XIONGHui,WEIJi-bo,etal.AnalysisofpreliminarydesignofPATsubsystemspecificationsforatmosphereopticalcommunication[J].InfraredandLaserEngineering2002,31(3):280-282.李一芒,盛磊,陈云善.告诉激光光斑监测系统的设计与实现[J].激光技术,2015,39(4):33-536.吴从均,颜昌翔,高志良.空间激光通信发展概述[J].中国光学,2013,6(05):670-680.JohnA.M,DavidB.Airbornelasercommunications:Past,presentandfuture[C].SPIE,2005,5892:58920A.FeldmannRJ,GillRA.Developmentoflasercrosslinkforairborneoperations[C].IEEEMilitaryCommunicationsConference,1998,2:633-637.Tolker-NielsenT,OppenhuserG.InorbittestresultofanoperationalintersatellitelinkbetweenARTEMISandSPOT4,SILEX[C]Free-SpaceLaserCommunicationTechnologiesXIV,SanJose:SPIE,2002,102-105.BiswansA,WrightMW,SaniiB,etal.45-kmhorizontalpathopticallinkdemonstration[Z].2001600-71.姜会林,刘志刚,佟首峰,等.机载激光通信环境适应性及关键技术分析[J].红外与激光工程,2007,(S1):2009-302.MaynardJA,BegleyD.Airbornelasercommunications:past,present,andfuture[Z].2005,58920A.闫鲁生,王峰,吴畏,等.无人机激光通信载荷发展现状与关键技术[J].激光与光电子学进展,2016(08):40-48.黎洪展.机载空间激光通信终端的视轴稳定控制方法研究[D].重庆理工大学,2020.WaltherFG,MichaelS,ParentiRR,etal.Air-to-groundlasercomsystemdemonstrationdesignoverviewandresultssummary[C].SPIE,2010,7814:78140Y.FletcherTM,CunninghamJ,BaberD,etal.ObservationofatmosphericeffectsforFALCONlasercommunicationsystemflighttest[C].SPIE,2011,8038:80380F.CaseyC.Freespaceopticalcommunicationinthemilitaryenvironment[D].Monterey:NavalPostgraduateSchool,2014.GangIME,FletcherTM,CunninghamJA,etal.Fabricationandtestingoflasercommunicationterminalsforaircraft[J].SPIE,2006,6243:624304.AbhijitBiswas,NormanPage,JerryNeal,DavidZhu,MalcolmWright,GerardoG.Ortiz,WilliamH.Farr,HamidHemmati.Airborneopticalcommunicationsdemonstratordesignandpre-flighttestresults[P].SPIELASE,2005.FurchB,SodnikZ,LutzH.Opticalcommunicationsinspace-achallengeforEurope[J].AUE-InternationalJournalofElectronicsandCommunications,2002,56(4):223-231.CazaubielVPGCV.LOLA:A40000kmopticallinkbetweenanaircraftandageostationarysatellite,[J].6thInternationalConferenceonSpaceOptics,2006.左韬.移动平台ATP系统的捕获跟踪与控制[D].武汉大学,2011.Anonymous.AOptixdewmonstratesfree-spaceopticslasercommunicationsforairborneHDvideo[J].Military&AerospaceElectronics,2010,21(2).ToniTolkerNielsen.PointingAcquisitionandtrack