空间激光通信技术

美国是世界上开展空间光通信最早的国家,主要研究部门是美国宇航局(NASA)和美国空军。美国宇航局选择喷气推进实验室(JetPulsionLab-JPL)进行卫星激光通信系统的研制,1995年完成了激光通信演示系统(LaserCommunicationDemonstrationSystems-LCDS),数据率为750Mbps。

该室目前正在进行激光通信演示系统(OpticalCommunicationdemonstration-OCD)研究,主要进行航天飞机与地面间通信链路的性能演示,传输速率为100Mbps。在工业界的资助下,JPL还正在开发500Mbps激光通信设备,已完成分析和设计工作,一些关键子系统也已研制成功,并正在进行子系统的工程组装工作。JPL目前还正在研制高功率(315W)Nd-YAG激光器、窄带激光滤波器及地面和空间的激光卫星跟踪网络。

此外,美国宇航局还支持JPL进行其他卫星通信计划,如实现图像功能的窄带激光滤波器以及地面和空间的激光卫星通信跟踪网络。 美国的战略导弹防御组织(BMDO)也正在积极进行空间激光通信的研制开发工作,该工程由空军提供主要经费,由MIT林肯实验室进行有关关键技术和系统技术的研究。现已研制出激光通信终端设备,并进行了作用距离42km、信息率1Gbps、误码率Pe为10-6的全天候跟瞄实验。

林肯实验室还研制出了窄带并且具有空间搜索和跟踪功能、达到量子限的收发光端机,该端机采用单模光纤进行内部连接。新近又研制出蓝绿光接收系统的快速原子谐振滤波器,相关合成技术的光多孔排列装置,宽角多址系统的码分多址技术,高功率(315W)半导体激光功率放大器,1~2Gbps高速编码芯片,掺铒光纤功放/发信机,10Gbps高速调制器和具有近量子

在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信号光和信标光光源,其工作波长为018~115(m近红外波段。信标光源(采用单管或多个管芯阵列组合,以加大输出功率)要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光,以便在大视场、高背景光干扰下,快速、精确地捕获和跟踪目标,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,以克服背景光的干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器,但要求输出光束质量好,工作频率高(可达到几十兆赫至几十GHz)。具体选择视需要而定。据报道,贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHz的光源。

空间光通信系统中,光接收端机接收到的信号是十分微弱的,又加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端S/N<1。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,达到nW~pW量级;其次是对所接收信号进行处理,在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,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。

为完成系统的双向互逆跟踪,光通信系统均采用收、发合一天线,隔离度近100%的精密光机组件(又称万向支架)。由于半导体激光器光束质量一般较差,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。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25厘米。

这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。ATP系统通常由以下两部分组成:

(1)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。通常采用阵列CCD来实现,并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构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10pW,跟踪精度为几十μrad;

(2)跟踪、瞄准(精跟踪)系统。该系统的功能是在完成了目标捕获后,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,并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百μrad,跟踪精度为几μrad,跟踪灵敏度大约为几nW。

在地2地、地2空的激光通信系统的信号传输中,涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子,其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小,这就会引起光的吸收、散射,特别是在强湍流的情况下,光信号将受到严重干扰甚至脱靶。因此,如何保证随机信道条件下系统的正常工作,对大气信道的工程化研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题,并已逐渐走向实用化。 此外,完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。

这些技术的难度较大,但也是十分重要的。总的来讲,空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题,它不仅在空间要完成一系列重要的技术功能,还需要有步骤地从地2地、地2空、空2空获取许多试验数据和技术考验。 值得提出的是,空间光通信的发展是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、精密的光、机、电综合技术的研究和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展,为空间光通信奠定了物质基础,在人力、物力上也作了准备,更由于信息社会发展的需要,空间卫星间激光通信已是指日可待了。