自由空间激光通信最新进展
第42卷袁第3期2005年3月
激光与光电子学进展
Vol.42,No.3Mar.2005
自由空间激光通信最新进展
马惠军
提要关键字
朱小磊
渊中国科学院上海光学精密机械研究所袁上海201800冤
介绍了自由空间激光通信领域的发展动态袁重点介绍了最新发展的火星激光通信项目和军用卫星通信项目袁指自由空间光通信
激光
发展
出了空间激光通信的发展趋势遥
TheLatestProgressofFreeSpaceLaserCommunications
MAHuijunZHUXiaolei
(ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai201800)AbstractKeywords
Thelatestdevelopment(theMLCDsystemandTC-MILSATCOMproject)anddevelopmenttrendsinthefree-spacelasercommunication
laser
development
fieldoffree-spacelasercommunicationsareintroduced.
1引言
自人类从20世纪60年代进行空间探索以来袁信息的传送都是依赖于电波袁然而随着无线电波频谱的日益拥挤以及人们传输的数据量的日益增大袁科学家们开始将目光逐渐投向建立以光波为基础的通信链路遥光通信链路的优点是传输数据量大袁可以高达吉比特数量级曰其次就是抗干扰性强遥由于空间光通信具有很多优点袁各国的科学家都竞相致力于空间光通信的技术开发袁在过去的10多年中袁人们已经成功建立了多条星原星链路以及星原地链路遥在激光通信发展初期袁欧洲航天局在实验室的条件下对CO2气体激光通信终端进行了详尽地设计和分析袁对关键系统进行了充分的试验遥这种试验模式渊图1冤使得欧洲航天局对错综复杂的自由空间光通信有了较深的理解曰1992年12月袁伽利略探测器
图1CO2气体激光器收发系统实验室
试验平台
图3GOLD进行激光通信验证试验
发出的信号曰在1994耀1996年期间袁美国JPL与日本通信研究实验
图2专用探测木星的伽利略号
室(CRL)合作进行地/轨激光通信验证试验(GOLD袁图3)袁这也是建立的第一条地面与外太空飞船之间的激光通信链路遥与地面链接速率为1Mbit/s袁采用的卫星为日本工程探测卫星遇遥2001年11月袁
欧
渊图2冤利用其装备的固体成像照相机作光信号接收器成功地收到了由加利福尼亚的喷气推进试验所渊JPL冤和新墨西哥的信号发送设备
收稿日期院2004-10-20曰收到修改稿日期院2004-12-01
作者简介院马惠军袁中国科学院上海光学精密机械研究所硕士研究生袁主要从事高功率尧高重复率全固态激光器的研究遥
E-mail:[email protected]
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图4SPOT-4卫星平台上的光学终端
图5SILEX星间链路激光通信系统
图6GEOLITE卫星
图7OICETS卫星激光通信终端8
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洲航天局运行于31000km高空的程探测卫星(Opticalinter-orbitARTEMISandtechnology卫星mission(Advancedsatellite)relaycommunicationssatellite,OICETS冤engineering的发射袁在太test空与位于高度为832km的法国地球观生成一个全光网络的计划又向前测卫星SPOT-4号(图4)之间进行进展一步遥OICETS卫星装备有激光速率为50Mbit/s的光路链接试验袁通信设备(Laser-utilizingcommu原
取得了令人满意的结果袁当周期在4耀20分钟之间变化时袁取得了高可nicationsequipment,LUCE袁图7冤袁此设备在近红外渊800耀850nm冤激靠性的数据传输袁其误码率只有1/光二极管渊峰值功率100mW冤的基109础上提供2耀50Mbit/s的通信链路遥称之遥光通信为半导体激链路所光卫星使用的传输链路试验设备
(Semiconductor2litelaserintersatel原2.1空MLCD间光通信系统
linkexperiment,SILEX)设备袁
系统
如图5所示遥光发射机的核心部分美国计划到2009年秋季发射是功率为60mW的砷化镓渊GaAs冤火星通信卫星(MarsTelecom激光二极管袁发射波长为800nm遥在
2002年袁美国的地球同步轨道轻型Orbiter院MTO冤袁这一卫星将用来建立外太空和地球之间的激光通信技术试验卫星GeoLITE(图6)也与链路渊图8冤遥其发射设备院火星激光地面站成功地建立了光链接遥Ge原oLITE是具有激光通信试验和工作通信验证系统渊MarsLaser
Communications
Demonstration
在甚高频渊UHF冤的先进技术验证卫System院MLCD冤的目标就是在地星遥试验中所涉及到的激光技术将球和火星之间跨越4千万公里建为未来的侦察卫星把侦察到的信息立1~30Mbit/s的通信链路遥计划到传输回地球提供优良的传输链路袁2010年9月在MTO进入火星轨本次发射则主要是为了在印度洋上道6小时后袁MLCD硬件开始工
空的同步轨道中对一个新研制的激作遥整个系统硬件是由州立林肯技光通信终端进行检测遥该设备与以前术实验室渊MITLL冤和喷气推进实验的系统相比袁可大幅度提高数据中继室渊JPL冤设计的遥跟以往(譬如院
的速率和传输量曰近期袁随着日本航OICETS-ARTEMIS)使用半导体激空探测署渊Japanaerospaceexplo原
rationagency,JAXA)光轨道通信工
光发射器不同的是MLCD将使用激光光纤放大器作为发射源袁最
有
图8MTO链路
系统
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的激光束截面只有钱币大小遥上行链路的信号光为低频光提供了参考遥此外袁项目组还认为系统需要直径约3~5m的望远镜来接受光脉冲袁有两个方案可以选择院在加利福尼亚Palomar山上使用5mHale望远镜袁或是使用16个小口径渊0.8m冤望远镜阵列遥每种方案中的望远镜都装备了高灵敏度的雪渊0.1nm带宽冤集中于信号光波长的崩光电探测器渊APD冤和非常窄的
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可能是选用1.06滋m光纤主振功率放大器渊MOPA冤袁这种放大器采用了分布式反馈渊DFB冤镱光纤激光器连着高功率掺杂光纤放大器遥在电信使用的Mach-Zehnder铌酸锂调制器将在这里用于调制激光输出并且产生脉冲序列遥发射器产生的脉冲宽度为1~10ns袁峰值功率和平均功率分别是300W和5W遥系统还采用了名叫64原PPM的强有效的信号调制方式袁使得接受到的信号得以最优恢复遥
MTO卫星通过一个直径
图10MIRU系统
TC-MILSATCOM系统目标是建立DOD/NASA的工作遥预计该系统可以为战争提供安全的具有类似网络服务功能袁并带有可支配的局域网遥整个系统可以支持陆地和飞机的EHF通信袁并能提供另一网络中用于X-边带尧Ka-边带的宽带通信袁无论它们采取何种通信平台或是终端形式袁都可以实现网络间畅通无阻的通信遥整个系统还包括空原空尧空原航天飞机的宽边带通信链路袁如图实现激光通信作了准备遥
MILSATCOM通信系统将IP介入种类提供给太空激光通信网络遥整个系统将涉及到不同种类的新型防御卫星袁如图12所示袁其中包括为战略用户提供的高级极轨系统AdvPolar(adcancedpolar-orbiting
对于自由空间袁具体来说袁TC-11所示袁此外袁还为将来与航天飞机完整的全球卫星通信系统以支持
光纤来尽可能地排除背景光的干扰遥除了具有光学链路之外袁MTO还有一个直径2.5m的无线电望远镜遥
2.2TC-MILSATCOM项目
另一个即将实现的研究项目是最近由中继通信署渊Transforma原tionalcommunicationsoffice冤以及NASA主持的下一代军用卫星通信项目渊TC-MILSATCOM冤遥整个
30.5cm的望远镜将激光发射出去袁卫星通信平台结构如图9所示袁平台包括两部分院1冤30cm直径望远镜的光学集成系统遥2冤放置在散热平台上的电学集成系统遥光学集成系统包括一个太阳能窗口渊滤波器冤袁此窗口包括两个窄传输频带来调制输入和输出激光脉冲遥除此
系统中袁从而以全球网络接入方式的
图9激光通信平台
system)尧光学中继通信ORCA
之外袁精确的跟瞄技术对此次试验也很关键遥项目组专家对不同的情况进行了不同的处理院在发射望远镜上使用振动隔离器消除高频干扰曰一个快速调整镜面袁追踪飞船MIRU系统渊图10冤来补偿中频干扰,MIRU系统为激光瞄准提供纳弧度的精度袁在这种精度下袁从地球同步轨道卫星投在地球表面上
图11TC-MILSATCOM航空激光通信
终端网络
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上的相对稳定的惯性激光光束的
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2016年开始运作袁光学中继通信卫星ORCA的发射计划仍保密遥此项目将投资96亿美元遥
3结语
由空间激光通信发展的历史及最新进展可以看出院
1)即使激光通信得到了广泛的
运用袁大多数空间尧地面尧空-地尧空-空通信系统中仍然在使用射频
图12TC-MILSATCOM太空激光通信网络系统
技术曰
2)自从20世纪80年代以来袁
空间激光通信系统得到了长足发展袁采用的激光器多为体积小尧功率高的LD抽运固体激光器遥预计今后激光光纤放大技术会在空间激光通信中得到广泛应用曰
3)空间激光通信技术除了在
军事方面继续占据主导地位外袁更多向民用化发展并且不断地商业化遥
空间激光通信技术之所以成为人们关注的热点和通信领域最活跃的研究内容之一袁不单是因为全球信息传输要求更高的数据传递速率袁更是因为随着激光链路单
图13TC-MILSATCOM激光通信系统终端结构
元技术的蓬勃发展袁加上世界范围经济发展活力以及制造工艺水平的不断提高袁极大地提高了人们对发展空间激光通信技术的兴趣遥随着计算机技术的高速发展尧地面高速光纤通信网络的建立和信息社会的到来袁各国在经济发展尧环境监测和国防军事领域产生的大量信息需要通过空间快速传递袁空间激光通信必将得到迅猛发展遥
(opticalrelaycommunications),mationalcommunicationsatel原转换通信卫星TSATs(transfor原
中袁激光通信终端渊图13冤要求能支持空原空尧空原太空站的智能通信设备袁侦察和监视航天飞机和控制航天飞机的工作遥此终端要求在每个通信方向上能提供超过2.4Gb/s的原始数据流袁还要提供一条双方向TSATs和极轨系统计划于2014~速率超过40Gb/s的通信路径遥
lites)袁用于覆盖南北65度中纬度地区袁并与高空中的飞行器建立激光通信链路遥此项目中袁激光光学链路传输速率目标是超过10Gb/s袁空原空数据传输率的阈值为1.2Gb/s袁其
参考文献
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(下转第6页)
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功能外袁还能对扰动产生较好的抑制作用袁实现了在各种扰动作用下袁跟踪误差在1mrad内的目标遥
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位置传感器将两镜子的偏转位置反馈给粗控制环袁当镜子的偏转角度接近偏转极限时袁由粗控制环和精控制环配合完成对精密转镜的野卸载冶遥跟踪探测器得到通信光束与系统光轴的偏差遥以上便构成了一完整的扰动抑制控制系统遥对于使用读出频率为1kHz左右跟踪探测器的星间光通信系统来说袁该扰动抑制控制系统除了完成正常的APT
地面模拟向实用工程方面过渡发展遥我国对星间光通信的研究起步较晚袁但近几年来袁从事该方面研究的科研机构越来越多袁并在通信终端设计尧APT技术研究等方面取得了较大成果遥随着对该研究方向上投入的增大袁我国在星间光通信方面的研究将会很快达到世界先进水平遥
4结束语
欧洲尧美国尧日本等国外发达国家在星间光通信方面的研究起步较早袁已经在基本理论袁关键技术袁总体设计袁系统控制等方面取得了重大进展袁逐渐由实验研究尧
参考文献
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(上接第10页)
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