高速率空间激光通信系统及其应用
第39卷第4期
V01.39NO.4
红外与激光工程
InfraredandLaserEngineering
2010年8月
Aug.2010
高速率空间激光通信系统及其应用
佟首峰,姜会林,张立中
(长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,吉林长春13(X)22)
摘
要:经过二十余年的快速发展,空间激光通信的研究重心逐渐从高精度ATP分系统向高速
率通信分系统转移。紧密跟踪空间激光通信的国际发展最新动态。从通信带宽和链路功率两个方面,
针对通信发射单元、接收单元和信道特性,分析了提高空间激光通信传输速率的技术难度与途径。分
别阐述了波长l
550姗、基于EDFA功放和前放技术,空间相干技术,光偏振复用技术,光波分复用
幅度调制直接探测;文献标志码:A
技术的基本原理、性能指标及关键技术,为高速率空间激光通信提供了技术参考,,
关键词:空间激光通信;中图分类号:TN919
掺铒光纤放大;相干激光通信;密集渡分复用
文章编号:1007—2276(2010)04—0649—06
Highdate-ratespacelasercommunicationsystemand
itsapplication
TONGShou-feng,JIANGHui-lin,ZHANGLi—zhong
(KeyLaboratory
of
FundamentalSciencefor
University
NationalDefenseofAero
and
andGroundLaser
CommunicationTechnology,Changchun
ofScience
Technology,Changchun130022,China)
Abstract:With
decades,the
research
the
rapiddevelopmentofspace
SLCturnsto
lasercommunicationsystem(SLCS)inrecenttwohigh-speed
communication
subsystem
from
high-
interestofthe
precisionacquisition,trackingandpointing(ATP)subsystem.Thelatestdevelopmenttrendofspacelaser
communication
internationallyreceiving
was
reviewed.Considering
communicationbandwidthandlink
power,
to
transmittingand
improve
the
units,andchannelcharacteristics,thetechniquedifficultyandapproaches
of
space
laser
communication
system
were
date-rate
analyzed.The
basic
principle,
performanceindexand
andkeytechnologiesoftheErbium-dopedfiberamplifier(EDFA)highpoweramplifier
coherent
laser
pre-amplifier,space
technique
were
andoptical
providesthe
polarization-divisiontechnique
reference
andwavelength-division
research
on
multiplexing
discribed.Itforfurtherthe
high—speedSLCS.
Keyword:Spacelasercommunication;Intensitymodulationdirectdetection;Erbium-dopedfiber
amplifier;Coherentlaser
communication;Dense
wavelengthdivisionmultiplexing
收稿日期:2009—10—10;修订日期:2009一ll一05
基金项目:国家863计划资助项日;教育部博十点学科建设专项基金资助项目
作者简介:佟首峰(1972一),男,占林洮南人,教授,博十生导师,博t,主要从事空间激光通信、空问光学遥感、光电检测和光电跟踪等
方面的研究。Email:tsfl998@sina.com
650红外与激光工程
第39卷
0引言
通常空间激光通信系统从功能上分为通信分系统和捕获、跟踪、对准(ATP)分系统。通信分系统除实现高速率、高功率发射和宽带高灵敏度接收外,还将通信束散角以非常狭窄的光束发射(近衍射极限,一般为十
几微弧度量级)。这是使空间激光通信具有远距离、轻
小型、高速率通信能力的基础。ATP分系统主要有两个作用,一是实现立体空间内快速、高概率捕获,这是开
展空间激光通信的前提:二是在相对运动和平台振动
条件下的高精度、动态跟踪。这是维持空间激光通信的
基础。通过优化设计。需要使跟踪精度优于通信束散角的1/8以内,实现微弧度量级的动态跟踪是系统中最核
心的难题。所以,在空间激光通信研究的初级阶段,国际上都把如何突破高精度跟踪作为最重要的研究内容。如日本的OICET激光通信系统首次实现r星地激光通信演示验证,其速率仅为1.024MbpstlI;欧空局的SILEX激光通信系统首次实现了星际激光通信双向演示,其通信速率仅为50MbpsI21。这些早期的空间激光通信系统的通信速率甚至没有射频通信高.而且远没有发挥激光通信的优势。但在高精度跟踪方面,充分利用了激光的主动跟踪特性,并应用先进的光电子、
微电子、控制技术,基本突破了微弧度量级的动态跟
踪这一核心技术…。
随着卫星平台、临近空间平台、航空平台所搭载的有效载荷逐渐向高分辨率、宽覆盖方向发展.对于海量
数据实时传输的需求越来越迫切.而当前射频通信的通信速率已接近理论极限。不能直接满足传输速率的要求,故不得不采用数据压缩(影响分辨率)或海量存储(影响覆盖范同)等权宜之计,这阻碍了现代信息化的发展。而空间激光通信恰恰能在通信速率和通信带宽上有效地克服射频通信的技术瓶颈。近年来,空间激光通信发展的趋势是传输速率越来越高。如美围的星地激光通信STvⅡ系统,其通信速率为155~622Mbpsl41;美国TT公司进行的飞机对地面站间的光通信试验。其传输速率为l
GbpsI51;德国的TERRA.SAR.X卫星与美
国的NFIRE卫星间实现了5000km星际相干激光通
信。其通信速率为5.65Gbpsf6j;美国计划于2016年实施的TSAT计划具有向全球部署部队提供高带宽卫星通信的能力.速率达到lO一40Gbps。由此可见,提高通
信速率已经成为空间激光通信的重要研究内容和热
点领域。
1提高通信速率的主要技术途径
为r在高速率条件下实现远距离、低误码信息传输,需要分析通信发射、通信信道、通信接收3个环节的带宽极限,还需要紧密结合链路功率进行综合权衡。
1.1通信系统带宽约束条件
(1)接收单元:随着探测器件性能水平的提高.其
检测带宽町达10Gbps以上.完全胜任单路10Gbps的
传输要求;(2)空间信道:如果是自由空间信道(无大气),其传输速率基本不受限制;对于大气信道,纯大气分子的散射所引起的多路径延迟仅为飞秒量级.远小于通信码元的宽度(10G对应100ps);如果考虑云层、雾、雨、水汽等因素.其产牛的大气散射多路径延迟骤然增加,严重情况下将大于10斗s量级,若在此信道条件下开展高速率信息传输.将带来严重的码间串
扰,进而影响通信速率的上限【7I;(3)发射单元:基于电
吸收式的外调制技术町实现几十吉比特每秒的调制速率,满足单路10Gbps传输速率的要求。
1.2通信系统链路功率
空间激光通信系统的本质是能量传输系统.由于远距离窄间激光通信无中继放大.所以对于空问激光通信链路各个环节的功率下降或衰减都非常苛刻:
(1)接收单元提高接收灵敏度意味着叮适当降低发射功率或增加空间损耗,这对于减小系统的功率及体积(针对发射单元)和降低APT技术的复杂程度非常有利。是空间激光通信最有效的技术路径。但是。随着通信速率的提高,势必增加通信接收单元的带宽,在相同误码率的条件约束下.需要更高的接收功率,进而导致接收灵敏度下降。所以,在提高通信速率的基础上,不降低、甚至提高探测灵敏度是空间激光通信系统的又一关键技术。基于EDFA的1
550nm空
间光通信系统和空间相干激光通信系统都是基于此思想提出的,已经成为空间激光通信的研究热点;
(2)空间损耗将通信束散角压缩近至衍射极限是开展远距离激光通信的基础和必然途径,但是它将大大增加ATP分系统的负担和难度,需要优化匹配束
散角与ATP跟踪精度:
(3)发射单元拥有非常小的发射功率是空间激
第4期
佟首峰等:高速率空间激光通信系统及其应用
651
光通信系统的显著特点和技术优势,提高发射功率将作为最后的技术路线。当前的高速率、远距离空问激光通信系统已经着手开展高速率、高功率的发射研究
和工程应用。
2基于EDFA功放和前放的空间激光通信系统
当前的空间激光通信系统主要为幅度调制/直接探测(IM/DD)模式,通信波长集中在800nm波段和
l550rim波段。由于800nm波段拥有较高的光学增
益,且衍射极限角更小,所以成为空间激光通信的首选波段。但是,随着通信速率的不断提高,为了补偿探测灵敏度的下降.需要高功率通信发射激光光源。然而,同时提高调制速率和输出功率是通信发射单元的技术瓶颈。当调制速率大于622Mbps时,其输出功率很难达到W量级。所以.将光纤通信领域业已成熟的
l550
am波段的通信发射和探测技术引入空间激光通
信领域,可在两个方面带来技术优势:
(1)基于EDFA功放技术的同时实现高速率调制
和高功率输出。
采用半导体电吸收调制率先实现小功率、高调制速率。再利用EDFA功率放大技术实现高功率输出。
进而有效地克服高速率与高功率的技术瓶颈。如图1
所示。光源采用动态单模(DSM)半导体激光器,它在高速调制下仍能保持单纵模工作;调制方式采用的半导体电吸收调制器(EAM)具有体积小、集成度高、噪声低等独特优点,降低耦合损耗,形成紧凑、稳定的集成光源模块:最后采用EDFA光纤放大技术实现高功
图l基于EDFA的高速率激光发射框图
Fig.1Diagramofhigh
speed
lasertransmitorbasedEDFA
率输出。实物如图2所示。目前,调制速率为2.5
Gbbps、
输出功率为5W的l550nm通信光源已经比较成熟,而800am波段欲达到2.5Gbbps的调制速率、200mW
的功率已经比较困难。
图2基于EDFA的高速率激光发射轻小型文物图
Fig.2Imageof
high
speed
lasertransmitorbased
On
EDFA
(2)基于EDFA前放的高灵敏度探测技术。如果采用InGaAs探测器直接对1550Bin激光进行探测,虽然其具备宽带(10GHz)检测能力,但是固有
噪声较大,所以其探测灵敏度相对Si光电探测器较低
(在相同的误码率和通信速率约束下)。为了弥补这一
缺点,对于功率受限的激光通信系统可采用EDFA前置放大技术提高灵敏度.如图3所示。由于EDFA的噪
k一
~
一多
图3基于EDFA前放的高灵敏探测单兀框图
Fig.3DiagramofhighsensitivitydetectorbasedDAFApre—amplifier
声系数较低.光学增益较大,且克服了后续电路的热噪声,所以可在很大程度上改善接收单元的极限灵敏度。其Q值(决定误码率)与接收平均光功率P,的关系为:
Q=21_._{4J/x(Bo1)+2p,/(hvB,np)一讧(鑫一刊
(1)
如图4所示,如果前置放大器的噪声‘-2.8=2n。,
则接收单元的电学带宽应等于通信速率(2.5Gbbps)的
一半,即口。=0.5日。,若满足10E一9误码率,对应的a一6,在不采用偏振控制ta=2)的条件下,通过仿真,其极限
灵敏度可达舶dBm。由此可见.采用基于EDFA前放
技术后,灵敏度可从一33dBm提高到一46dBm(在通信
652
红外与激光工程第39卷
准精度和ATP的跟踪误差都将降低耦合效率,所以需要在缩小光斑的条件下提高跟踪精度。
3基于相干探测的空间激光通信系统
空间激光通信的一个重要发展趋势是从幅度调制、直接探测(IM/DD)体制逐渐向相干通信体制转变,其原因取决于相干通信体制在原理上所固有的更高探测灵敏度。本振光在相干检测中的作用相当于光
图4基于EDFA前置放大的接收单元灵敏厦与误码翠关系
Fig.4Sensitivityofdetectorbased
011
放大.通过提高本振光可实现较高的灵敏度,接近量子噪声极限。在相同的码速率和误码率条件下,其探测灵敏度比IM/DD提高10。25dB,这意味着相干激光通信可实现更远距离的空间激光信息传输;另外,
它具有更高的调制速率和丰富的调制模式。发挥了空
EDFApre—amplifierVs.BER
速率为2.5Gbps、10E一9误码率的条件下),可与相干激光通信媲美。
将EDFA功放和前放引入空间激光通信系统的
应用时。需重点解决:
间激光通信的最大潜力。在高速率相干光通信系统中。通常采用电光外调制技术完成对光载波振幅、频率和相位的调制,调制速率可达10Gbps量级。
对于典型的ASK外差调制模式,如图5所示,相
(1)波谱匹配为了提高EDFA前放的灵敏度,
需要窄线宽的动态单模半导体激光器,且要求自动温度稳定。以防止中心波长漂移,另外,有源光学滤波器
也应有自适应控制功能来抑制多普勒频移的影响;
(2)高效光纤耦合EDFA前置放大器为单模光
纤,其芯径(9斗m)远小于探测器尺寸(40斗m),因而增
干接收单元的最小探测功率为:
2
P.:呈Q:鱼:£:旦
mm
(2)
田‘A
加了空间一光纤耦合的难度。在耦合中,光纤的五维对
式中:h为普朗克常数;C为光速。若光波长A=
图5外差异步解调相干激光通信系统框图
Fig.5
Blockdiagramofheterodyne
coherent
spacecommunicationsystem
l550
nnl,量子效率7/=1,通信速率B=2.5Gbps,当
的10西以上.同时还需采用注入锁模法或外腔反馈
BER=10e一9.a一6时.得到最小接收功率为25nW法等频谱压缩技术,以克服半导体激光器的调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响。目前可应用于相干激光通信的激光器有LEC激光器、DFB激光器、
DBR激光器等。
(等效72光子/比特),对应极限灵敏度为一46
dBm。
采用零差探测方式,灵敏度还能提高2倍;采用PSK零差探测方式时的灵敏度最高,仅为9光子,比特,其性能优于基于EDFA前放的接收单元。
虽然空间相干激光通信的优点早已被熟知,但是近年来才得到快速发展,这是因为空间相干激光通信中的关键技术近几年才取得了重大突破。
(1)激光器高精度稳频、频谱压缩技术。相干激光通信系统对于激光器频率的稳定性要求达到载频
(2)在相干体制下,二进制移相键控(BPSK)信号调制的零差接收具有最高灵敏度,是空间相干激光通信的发展趋势和应用重点f81。零差接收严格要求本振激光和信号激光相位同步。常用的相位同步技术是光学锁相环(0PLL),现已形成平衡锁相环、柯斯塔斯锁相环、决策驱动锁相环、同步位锁相环等,这些锁相环
第4期
佟首峰等:高速率空间激光通信系统及其应用
适合于不同的相干接收机,为高灵敏度相干探测奠定
了基础。
将相干探测技术应用于到空间激光通信领域,还
振复用技术、波分复用技术。
4.1偏振复用技术
采用偏振方法可实现两路复接.两个通信的波长一致。保证它们具有不同的偏振态。可减小空间激光通信系统频段分配的设计难度。美国的BMDo开展
的STRV-2系统采用偏振复用技术实现了1.2Gbps
应重点考虑由多普勒频移、动态跟踪误差、大气信道引起的偏振态对相干条件(频率、相位、偏阵)的影响。
4光学复用技术
单路实现高速率传输会受到调制速率、接收带宽、信道特性等的限制,为了满足更高带宽、高速、大容量信息传输.光学复用技术是重要的发展趋势。目前.已经实施或应用于空间激光通信系统的主要有偏
的空间激光通信传输.其通信分系统的工作原理如图6所示。通信单元中采用两个波长一致、功率相同的半导体激光器,每路的调制速率为622Mbps,在偏振复用前将其转变为一路左旋偏振光,一路右旋偏阵光,然后经过偏振棱镜进行合束。通过四分之一波片使其变为圆偏振光:对于通信接收端,通过四分之一
Driveand
2in
852100
AzimuthencnderAzimuthmotorAzimuthdriver
ElevatinnencoderElevationmotorElevationdrivet
wavelengthcontrn[electronicsDr{VO
and
acquire/trackbeacon1
nm,LCP.mW.2tiltad
2in
852nm,LC100
wavelengthcentrelelectronics
Above
tnresllold
acquire/trackbeacon2
P.
mrad
mW,2
I
(Coarse
40
aalOl比e’
一
f
tracking
CCD
xJ3
camera,drive
一
Atomic1ine
filter
5.5
Communications
detectordetector
12
Communications
in
85220
nm,LCP,
mradFOV
pfad)
.Powercontr01
Transcievercontroller
electronics,threshold
’一…一!~二一一。
prad)
(Finetracking
5
signals一篇显蕊
厂1茁赢函
telescope
810200810200
nm,LCP,
urad
FOV
nnl,RCP'pradFOV
膏ii们la1
,O・O
I
I
12l2
.R,signal
f
signal
一I
Comm
with
广_1
£signal
IComm
with
driver卜L——/
laser
2
driver
Fine
laserl
Polar/zation
810
Faststeering
3.5
in
nm,
LcP'200RCP’200852
Multiplexer
tracking
’l
;884
I
Powerconverters
EL_二
l
下h…h.f^。r101。8001q。。
mlrror
telescope
mwl
nlWj
30扯rad100/mrad
to
nm,LCP,
sensor
150I_lradFOV
f
图6基于偏振复用的空间激光通信系统
Fig.6Space
laser
communicationsystembased
on
muti—polarization
波片将圆偏振光转变为线偏振光。再经过偏振棱镜分端,多路信号通过采用合波器将多个光载波信号进行复接.在接收端采用分波器分离出不同波长的光信号,再经过多路探测单元将其恢复出的原始电信号分别送到相应的接收机。通信带宽随着复用路数的增加而增加。相应的通信调制单元和通信探测单元也成正比增加。与光纤激光通信不同,空间激光通信系统通常为体积、质量和功耗受限的系统.多路波分复用受
离出左旋偏振光和右旋偏振光.分别采用各自的探测
器进行接收,从而实现1.2Gbps的高速率激光传输。
由此可见。利用偏振复用技术对于速率的提高有限。
为2倍。
4.2光波分复用技术
光波分复用技术是把空间激光通信波长划分为若干个波段,每个波段用作一个独立的通道,传输一种预定波长的光信号。在波分复用传输系统的发送
到限制。美国的肌实验室基于WDM实现了
5.4
Gbps的空间激光通信演示验证【9】。如图7所示。
6,54
红外与激光工程第39卷
orbittestresultsofthefirstSILEX
terminal【C]//SPm,1999,
3615:31.
【3】TONGShou-feng,LIUYun-qing,JIANGHui-lin.PoweranalysisofAPT
coarse
trackinglinkoffreespacelasercommunication
and
system【J1.Infrared
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姜会林.自由窄间激光通信系统APT粗跟踪链路功率分析.红
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【4】
图7基于wDM的空间激光通信系统
Fig.7
Spacelasercommunicationsystembased
on
KlMI
1.KOREVAAREJ.Horizontal—linkperformanceof
theSTRV-2lasercom
experimentgroundtermianls【C]//SPIE,
WDM
【5】
1996.3615:11.AMOLD
laser
R.WOODBIuDGE
E.500kilometersl
5结束语
空间激光通信系统经过近20年的快速发展.系
Gbpsairborne
link【C]//SPIE,1998,3266:178—197.
f6】
LANGE
R,SMI兀NYB,1|)l,^NDERNOTH
flee
B.et
a1.142km
BPSK
统中的诸多关键技术已经取得了突破。目前,国际上
已经成功开展了多个链路的演示验证,但是距离实际T程应用尚有距离。一方面是其丁程性、成熟度、可靠性还需要进一步提高.另一方面是其通信速率尚没有
【7】
5.625Gbpsspaceopticallinkbased
on
homodyne
modulation[C]//SPIE,2006,6105:61050A一1—61050A-9.JIANGHui—lin,LIUAnalysisof
forthe
laser
Zhi・gang,TONG
Shou-fang,eta1.
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andkeytechnologies【J】.Infraredand
airborne
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KIK.TOYOSHIMAM.Experimental
equipment。nboard
operations
laser
c。mm删cati。n
【2】
ETs一Ⅵ眦llite【c1,,
E.In
SPm.2005.5712:1-12.
【9】
HEMMATIH.WRIGHT
M.Muti・gigabit
data-rate
optical
SPIE,1997,2990:264.
communicationdepictingLEO-to・GE0
TOLKER—NIELSENT.DEMELENNEB.DESPLATS
andGEO—to-Ground
links【CI//SPm,2002,4635:295.
Yan-zhong,WANGFu.Theinvestingationoftheobjective
on
(上接第613贞)
【5】
HAN
仿真和自编软件验证了此方法。在提出神经网络模型
和选取特征向量后,进行了实验验证,结果表明:评测
methodofMRTDmeasurementbasedANN【J】.Journalof
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Optics,Fine
Academyof
D.NVEODFLIR92thermalimaging
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量热成像系统MRTD.长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2006,4.
【7】
performancemodelICl//SPIE,1992,1689:194—203.
RG。VOLLMERHAUSEN
DRIGGERStarget
a
R.EDWARDST.The
as
WANG
Hong—feng,WANGHui,LIHal-jun,cta1.Objective
forMRTD
of
infrared
imagingsystem
identification
performanceofinfraredimagermodels
measurementmethod
functionofblurandsampling【C]//SPIE,1999,3701:26—34.
RC.A
novel
【J】.FujianComputer(王洪丰,壬辉,李海军,等.红外成像系统MIHD参数客观测量方法的研究.福建电脑).2007,
【31
BRADDICK
go—nogo
MRTD
testerand
its
7:99—100.
development【C]//SPIE,1994,2224:291-296.
【4J
BUftROUGH
E
【81ZHOUdesign
Kai—li,KANGYao-hong.Neuralof
networkmodeland
E,MOEGO,LESHERG
contour
W。eta1.Automated
extractors
MATLAB
simulation
program【MI.Beijing:
MRTDusingboundary
and
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高速率空间激光通信系统及其应用
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
佟首峰, 姜会林, 张立中, TONG Shou-feng, JIANG Hui-lin, ZHANG Li-zhong长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室,吉林,长春,130022红外与激光工程
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