第9章星际激光通信

光通信原理与技术第9章星间激光通信卫星激光通信——优势的结合利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量利用光波波长短的优点可减小天线口径，提高卫星有效载荷利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性卫星光通信链路分类星间链路ISLIOL星地链路9.3.1主要问题及对策主要问题共性问题损耗通信光束的对准、捕捉和跟踪背景噪声多谱勒频移星地光通信面临的问题大气信道衰减/湍流损耗自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比星间距离通常在数千到数万公里自由空间损耗在250dB以上光学天线----解决损耗问题天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比光波波长在m数量级，小口径天线即可获得巨大增益工作波长为1550nm时，20cm口径的天线即可实现110dB以上的增益发散角问题圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比

20cm口径的天线工作在1550nm波长时，其3dB光束发散角仅为7.9

rad

开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准PAT子系统----解决对准问题瞄准、捕获和跟踪（PAT）子系统瞄准----天线指向捕获----实现通信光束的对准跟踪----吸收卫星机械振动引起的光束偏移广谱宇宙噪声几种常用光电检测器的波长响应特性光学滤波器----解决背噪问题光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流光学滤波技术成熟，大量应用于DWDM系统闪耀光栅多层介质薄膜阵列波导干涉型光纤光栅型多普勒频移光载波频移大小：IOL链路存在此问题影响GEO-LEO链路中，多普勒频移量接近9GHz，对应的波长变化范围约0.08nmvq光源观察者光源运动方向光传播方向大气信道大气效应大气吸收大气散射大气湍流对光束的影响衰减多径色散到达角起伏闪烁选择工作波长避开大气高损耗波长AO----部分解决大气湍流问题自适应光学（AO）技术，在天文观察领域提出，用于改善大气湍流条件下的天体成像质量AO主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上光斑的功率波动，提高接收性能9.3.2卫星光通信系统总体功能框图调制器信号光源光电检测误差检测误差信号处理伺服机械合束器分束器精瞄跟踪装置光学收发天线粗瞄装置信标信号信标光源接收机光学天线平台发射光束接收光束信息数据输入输出控制计算机系统组成光学天线子系统PAT子系统光波调制解调子系统光学天线子系统星间激光通信中，光学天线的作用十分重要，主要表现在两方面：在发送端对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径，可以有效的压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求在接收端增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰，可充分提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离光学天线类型常见类型折射式天线伽利略式开普勒式反射式天线单反射面双（多）反射面折反射组合式天线几种双反射面光学天线牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远侧焦点处牛顿式卡塞格伦式格雷果里式卡塞格伦天线----常见选择优点没有实焦点重量轻光路设计方便MNF1F2馈源2b2aPAT子系统光学天线发送光束接收光束光发送机光束方向驱动功能单元光接收机开环瞄准功能单元跟踪功能单元捕获功能单元信标光源PAT工作流程开环瞄准捕获扫描误差检测天线方向调整跟踪误差检测光束方向微调扫描方式单方扫描（Stare—Scan）光束扫描FOV扫描双方扫描（Scan—Scan）扫描过程主动方按完善的扫描策略计算出若干扫描点，确保在某扫描点上发送光束一定可以覆盖被动方；主动方驱动天线逐一瞄准各个扫描点，并在每个扫描点作一定时间的驻留；在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的FOV中（因为被动方有足够大的FOV，因此在其未实现天线精确对准的情况下，也能在FOV中捕获到主动方投射来的发送光束）；在主动方于该扫描点上驻留的时间内，被动方卫星根据FOV中主动方出现的位置计算出对准误差，并进一步计算出纠正数据，驱动本方天线实现精确接收对准，同时也实现了本方发送光束到主动方的对准；被动方出现在主动方的接收FOV中，主动方计算出对准误差和纠正数据并驱动天线实现精确对准，停止扫描。扫描过程完成。扫描策略误差检测部件4QD光束方向调整部件快速倾斜镜（FSM）目前：快速调整跟踪以吸收卫星振动IAIDIBICxyPAT典型光路二轴反射镜天线方向驱动系统CCD信标光源半反镜卡塞格伦光学天线误差计算开环瞄准卫星状态信息扫描控制跟踪反射镜跟踪驱动误差计算QD光学滤波片捕获跟踪控制APD光束准直LD跟踪残差0-2002000-30300-6080AO子系统波前探测器透镜阵列CCD阵列单个透镜成像H-S波前传感器AO对接收性能的改善0.01.0时间（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）无AO0-10有AO调制/解调子系统光强调制/直接检测（IM/DD）为提高传输通道抗干扰能力，可采用脉冲位置调制（PPM）单脉冲PPM差分PPM多脉冲PPM9.3.3典型系统简介SILEXSILEX：Semiconductor-laserInter-satelliteLinkEXperiment，半导体激光星间链路实验ESA于80年代后期确立的星间激光通信计划1994年通过设备级方案评审1996年进行子系统的性能测试1998年3月22日LEO卫星发射2001年7月12日GEO卫星发射2001年11月22日实现星间激光通信SILEX示意图ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波对地链路SILEX工作参数设计传输距离45000km，上行速率50Mbps，下行速率2Mbps通信子系统采用IM/DD方案发送端光源使用GaAlAs半导体激光器，GEO发送波长819nm，LEO发送波长847nm，平均输出功率60mW接收端使用Si-APD作为光电检测器，探测能力近100光子每bit光学天线为卡塞格伦式，口径25cm，压缩后光束发散角为8rad，接收端接收视场约75rad信标光源总功率超过8W，光束发散角为700rad开环瞄准精度8mrad，粗瞄时光学天线平台整体转动，精瞄