论文部分内容阅读
摘要：随着激光通信接入网的不断发展，人们对于传输速度的要求也变得越来越高，并且随着通信范围的不断延伸，人们对通信的速度也有了进一步的要求。因此，对于快捷通信链路的建立，这一方面有了进一步的要求。空间激光通信的研究，具有其特有的优势，在固定无线宽带技术当中，能够为宽带接入的快速部署提供相对灵活的解决方案，同时又得到了极大的关注。本文对现阶段空间激光通信发展中的关键技术展开了深入探究，分别对高功率、高速率激光调制发射技术、复杂环境下维持高灵敏度的光信号接收技术、高精度APT技术以及发射接收光学系统及基台技术进行介绍;接下来，又提出了空间激光通信发展趋势，包括通信速率继续提高及激光通信组网取代点对点通信两个方面。
关键词：空间信息网络;激光通信;发展现状;趋势
引言
天地一体化信息网络是科技强国的重要标志，根据国家整体规划，到2030年将建成全球覆盖、按需服务、随域接入、安全可信的信息网络，服务国防建设和社会发展。空间激光通信是实现信息高速传输和保密安全的重要手段，将在构建天地一体化网络中发挥重要作用。
1空间激光通信的基本内容
1.1空间激光通信基本过程
空间激光通信设计依赖于通信距离和误码率和传输距离，在空间激光通信设备、空间激光设备的初始位置上的通信设备（被动）在初始位置的空间，首先通过发射的信标光主动星信息搜索被动星，一旦信标光信号进入粗跟踪领域，被发现在粗跟踪探测器信标光，在总结主动星开始寻找无源星信标光的过程中，当信标光进入粗跟踪领域，根据一定的计算方式来计算偏移量的光，然后使用偏移量，由粗跟踪执行器在接收端调整视觉轴，这个过程被称为“粗跟踪”;其次是被动主动发射光束作为反馈信号，主动星接收反馈信号后，扫描过程立即停止，通过主动侧的粗跟踪执行机构调整自己的轴，反馈信号灯进入中心的检测器本身，然后打开他们的信号灯，被动的跟踪单元，使信号光是在该中心的精细跟踪检测，当然主动的恒星会自动调整自己的高，高精密光轴对准，这个过程称为“轨道”。对开环控制一般粗跟踪，跟踪是一种闭环控制形式，在通信精度达到精确跟踪前提下，双方可以进行数据传输。但由于在通信的过程中，卫星之间的相对运动等，也会影响跟踪精度;一般采用先进的角度补偿装置，实现动态跟踪的空间，必须保证通信过程中的动态跟踪精度满足通信的要求，否则会影响通信质量或直接导致通信失败。
1.2空间激光链路分类
空间激光通信的基础上的应用范围和空间上的应用可以分为以下几类：一是，低地球轨道和地球同步通信;二是，同步轨道和地面通信;第三是，同步轨道和地球同步通信，低地球轨道和低轨道之间的通信，低地球轨道和地面通信是六个，地面和地面之间的通信，船舶，船舶和其他通信。空间激光器调制解调技术可分为直接探测和解调技术。随着激光的高效率、光源的稳定性、压缩技术和自适应环境的研究，相干检测技术已成为现代空间激光通信的主要研究对象。
1.3空间激光通信性能参数
测量激光通信性能的参数包括通信距离、通信速率和误码率。此外，通信终端包括激光波长、激光发散角、仪器重量、体积等参数。
2空间激光通信新技术
2.1光子轨道角动量激光通信技术
光的轨道角动量OAM（Orbital Angular Momentum）是与光的波长、偏振等类似的内禀属性，当光束的场强函数含有与方位角有关的相位因子exp（j）l时，每个光子具有值为l的轨道角动量，其中l表示拓扑荷，θ表示方位角，为约化普朗克常数。具有轨道角动量的光束又称为涡旋光束，其光束波前呈螺旋形，玻印廷矢量绕光轴旋转，光束中心为相位奇点且光强为零。涡旋光束的拓扑荷理论上可取任意整数，并且具有不同拓扑荷的模式相互正交，直观上为光束沿轴向传播一个波长范围时其螺旋波前旋转2π的次数。因此，可将OAM视为一个新的自由度，与波长、偏振等复用方式作为数据信息载体，从而大大提高通信系统容量与频谱效率，增强激光通信网络功能。
2.2基于模式分集接收的激光通信技术
大气湍流是激光大气传输信道中影响激光传输性能的主要因素，特别是在相干激光通信系统中，空间光须被高效率耦合到单模光纤中以满足混频的需求。受大气湍流的影响，空间光到单模光纤的耦合效率大幅降低，功率抖动大幅增加。要克服这种影响，除了提高相干接收端的灵敏度外，还需要通过光学技术补偿大气湍流的影响，以提高耦合效率，进而提高接收端光功率。自适应光学是目前通用的大气湍流补偿技术，它通过探测波前相位，反馈控制光信号的波前，来补偿大气湍流引起的波前畸变。该技术在弱湍流下可提高耦合效率，但在中强湍流下效果并不明显。此外，利用天线分集接收可以有效提高弱湍流和中强湍流下的耦合效率，但增加了光学天线的数量，建造成本较高。基于少模光纤中模式分集接收的大气湍流补偿技术利用模式分集的概念，将波前畸变的空间光耦合到全光纤型的模式耦合器件——光子灯笼中，通过光子灯笼将输入的高阶和低阶模式无损转换为基模并输出至单模光纤中，实现模式分集。通过模式分集可将接收端的光功率提高约6dB～7dB。
2.3相控阵激光组网通信技术
天地一体化信息网络的目标是实现单个空间节点与其它空间节点、地面节点的“一对多”高速组网通信。然而，目前国际上发展成熟的各种激光通信终端多采用机械式光束控制，以至于其中的捕跟系统存在着接入时间长、光束指向唯一等不足，一般仅能实现单平台“点对点”的星间或星地通信链路，无法有效进行多终端之间的快速接入、组网，难以支持未来天地一体化信息网络对高效组网的应用需求。光学相控阵通过采用电子可编程方式控制光学孔径上的相位分布来改变光束的方向和形状，使光束波前在设定的方向上彼此同相以获得干涉，能够提供可编程随机无惯性波束角度调整，具有角度变换速度快、分辨率高等优点，在激光组网通信领域有广阔的应用前景。
2.4太阳光泵浦激光通信技术
在天地一体化信息网络，特别是天基网络运行过程中，能源是限制其通信、组网能力的主要因素之一。对于空间网络而言，太空中的太阳光是分布最广、用之不竭的能源，如何有效利用太阳光解决天地一体化信息网络的能源限制问题，成为天地一体化信息网络技术研究的新方向。在激光器发明后不久，国外研究人员就成功研制出首台太阳光泵浦固体激光器，实现了将太阳光变成相干性好的激光源，为太阳光泵浦激光通信技术的发展奠定了基础。当前，太阳光泵浦激光通信技术虽然得到验证，但距离工程化应用差距较大。为更好地利用太阳光，实现太阳光泵浦激光通信技术的工程应用，首要解决的问题是设计高转换效率的太阳光泵浦光功率放大器，实现固体光功率放大或者光纤光功率放大。最新资料表明，相关学者已经着手太阳光泵浦光放大器的研究，为太阳光泵浦激光通信的应用铺就道路。
结语
通过对空间激光通信的研究现状以及发展的趋势进行全面深入的分析与探究，在空间激光通信现阶段的发展过程中，其已经成为国际领域中的研究热点，并且有着非常广阔的发展前景。在此文中，对现阶段空间激光通信发展中的关键技术进行了比较详细的说明，与此同时，也对空间激光通信发展的趋势提出了一定的看法，以实现更快的发展。
参考文献
[1]沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想[J].中国工程科学，2016，8（10）：19-30.
[2]张军.面向未来的空天地一体化网络技术[J].国际航空，2018（9）：34-37.
[3]吳巍.天基信息系统互通技术研究[J].无线电通信技术，2017，29（3）：16-20.
关键词：空间信息网络;激光通信;发展现状;趋势
引言
天地一体化信息网络是科技强国的重要标志，根据国家整体规划，到2030年将建成全球覆盖、按需服务、随域接入、安全可信的信息网络，服务国防建设和社会发展。空间激光通信是实现信息高速传输和保密安全的重要手段，将在构建天地一体化网络中发挥重要作用。
1空间激光通信的基本内容
1.1空间激光通信基本过程
空间激光通信设计依赖于通信距离和误码率和传输距离，在空间激光通信设备、空间激光设备的初始位置上的通信设备（被动）在初始位置的空间，首先通过发射的信标光主动星信息搜索被动星，一旦信标光信号进入粗跟踪领域，被发现在粗跟踪探测器信标光，在总结主动星开始寻找无源星信标光的过程中，当信标光进入粗跟踪领域，根据一定的计算方式来计算偏移量的光，然后使用偏移量，由粗跟踪执行器在接收端调整视觉轴，这个过程被称为“粗跟踪”;其次是被动主动发射光束作为反馈信号，主动星接收反馈信号后，扫描过程立即停止，通过主动侧的粗跟踪执行机构调整自己的轴，反馈信号灯进入中心的检测器本身，然后打开他们的信号灯，被动的跟踪单元，使信号光是在该中心的精细跟踪检测，当然主动的恒星会自动调整自己的高，高精密光轴对准，这个过程称为“轨道”。对开环控制一般粗跟踪，跟踪是一种闭环控制形式，在通信精度达到精确跟踪前提下，双方可以进行数据传输。但由于在通信的过程中，卫星之间的相对运动等，也会影响跟踪精度;一般采用先进的角度补偿装置，实现动态跟踪的空间，必须保证通信过程中的动态跟踪精度满足通信的要求，否则会影响通信质量或直接导致通信失败。
1.2空间激光链路分类
空间激光通信的基础上的应用范围和空间上的应用可以分为以下几类：一是，低地球轨道和地球同步通信;二是，同步轨道和地面通信;第三是，同步轨道和地球同步通信，低地球轨道和低轨道之间的通信，低地球轨道和地面通信是六个，地面和地面之间的通信，船舶，船舶和其他通信。空间激光器调制解调技术可分为直接探测和解调技术。随着激光的高效率、光源的稳定性、压缩技术和自适应环境的研究，相干检测技术已成为现代空间激光通信的主要研究对象。
1.3空间激光通信性能参数
测量激光通信性能的参数包括通信距离、通信速率和误码率。此外，通信终端包括激光波长、激光发散角、仪器重量、体积等参数。
2空间激光通信新技术
2.1光子轨道角动量激光通信技术
光的轨道角动量OAM（Orbital Angular Momentum）是与光的波长、偏振等类似的内禀属性，当光束的场强函数含有与方位角有关的相位因子exp（j）l时，每个光子具有值为l的轨道角动量，其中l表示拓扑荷，θ表示方位角，为约化普朗克常数。具有轨道角动量的光束又称为涡旋光束，其光束波前呈螺旋形，玻印廷矢量绕光轴旋转，光束中心为相位奇点且光强为零。涡旋光束的拓扑荷理论上可取任意整数，并且具有不同拓扑荷的模式相互正交，直观上为光束沿轴向传播一个波长范围时其螺旋波前旋转2π的次数。因此，可将OAM视为一个新的自由度，与波长、偏振等复用方式作为数据信息载体，从而大大提高通信系统容量与频谱效率，增强激光通信网络功能。
2.2基于模式分集接收的激光通信技术
大气湍流是激光大气传输信道中影响激光传输性能的主要因素，特别是在相干激光通信系统中，空间光须被高效率耦合到单模光纤中以满足混频的需求。受大气湍流的影响，空间光到单模光纤的耦合效率大幅降低，功率抖动大幅增加。要克服这种影响，除了提高相干接收端的灵敏度外，还需要通过光学技术补偿大气湍流的影响，以提高耦合效率，进而提高接收端光功率。自适应光学是目前通用的大气湍流补偿技术，它通过探测波前相位，反馈控制光信号的波前，来补偿大气湍流引起的波前畸变。该技术在弱湍流下可提高耦合效率，但在中强湍流下效果并不明显。此外，利用天线分集接收可以有效提高弱湍流和中强湍流下的耦合效率，但增加了光学天线的数量，建造成本较高。基于少模光纤中模式分集接收的大气湍流补偿技术利用模式分集的概念，将波前畸变的空间光耦合到全光纤型的模式耦合器件——光子灯笼中，通过光子灯笼将输入的高阶和低阶模式无损转换为基模并输出至单模光纤中，实现模式分集。通过模式分集可将接收端的光功率提高约6dB～7dB。
2.3相控阵激光组网通信技术
天地一体化信息网络的目标是实现单个空间节点与其它空间节点、地面节点的“一对多”高速组网通信。然而，目前国际上发展成熟的各种激光通信终端多采用机械式光束控制，以至于其中的捕跟系统存在着接入时间长、光束指向唯一等不足，一般仅能实现单平台“点对点”的星间或星地通信链路，无法有效进行多终端之间的快速接入、组网，难以支持未来天地一体化信息网络对高效组网的应用需求。光学相控阵通过采用电子可编程方式控制光学孔径上的相位分布来改变光束的方向和形状，使光束波前在设定的方向上彼此同相以获得干涉，能够提供可编程随机无惯性波束角度调整，具有角度变换速度快、分辨率高等优点，在激光组网通信领域有广阔的应用前景。
2.4太阳光泵浦激光通信技术
在天地一体化信息网络，特别是天基网络运行过程中，能源是限制其通信、组网能力的主要因素之一。对于空间网络而言，太空中的太阳光是分布最广、用之不竭的能源，如何有效利用太阳光解决天地一体化信息网络的能源限制问题，成为天地一体化信息网络技术研究的新方向。在激光器发明后不久，国外研究人员就成功研制出首台太阳光泵浦固体激光器，实现了将太阳光变成相干性好的激光源，为太阳光泵浦激光通信技术的发展奠定了基础。当前，太阳光泵浦激光通信技术虽然得到验证，但距离工程化应用差距较大。为更好地利用太阳光，实现太阳光泵浦激光通信技术的工程应用，首要解决的问题是设计高转换效率的太阳光泵浦光功率放大器，实现固体光功率放大或者光纤光功率放大。最新资料表明，相关学者已经着手太阳光泵浦光放大器的研究，为太阳光泵浦激光通信的应用铺就道路。
结语
通过对空间激光通信的研究现状以及发展的趋势进行全面深入的分析与探究，在空间激光通信现阶段的发展过程中，其已经成为国际领域中的研究热点，并且有着非常广阔的发展前景。在此文中，对现阶段空间激光通信发展中的关键技术进行了比较详细的说明，与此同时，也对空间激光通信发展的趋势提出了一定的看法，以实现更快的发展。
参考文献
[1]沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想[J].中国工程科学，2016，8（10）：19-30.
[2]张军.面向未来的空天地一体化网络技术[J].国际航空，2018（9）：34-37.
[3]吳巍.天基信息系统互通技术研究[J].无线电通信技术，2017，29（3）：16-20.