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什么是空间激光通信技术?优点有哪些?关键技术分析

1.什么是空间激光通信技术

空间激光通信技术是新时代发展出来的一种通信技术,指用激光束作为信息载体在自由空间进行通信,既可作为卫星间的高速传输链路,也可作为卫星与地面站之间的通信链路。我国空间激光通信技术研究起步较晚于欧、美、日,与他们相比存在一定的差距,但近些年来在激光通信领域也取得了相应的一些显著成果。

空间激光通信技术

2.空间激光通信技术的优点

(1)通信容量大:激光的频率比微波高3至4个数量级,因此作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来,目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb/s以上,并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上,光通信比微波通信有巨大的优势。

(2)既小又巧还功能强大:

同时,空间激光通信技术还有着重量轻、功耗和体积小、建造和维护经费低等特点。

由于激光的发散角很小,所以能量高度集中,这样一来落在接收机望远镜天线上的功率密度高,发射机的发射功率可大大降低,功耗相对较低;空间激光通信的能量利用率的提高又使得发射机及其供电系统的重量减轻;激光的波长短,在同样的发散角和接收视场角要求下,发射和接收望远镜的口径都可以减小。

如此一来,空间激光通信就摆脱了微波系统巨大的碟形天线,拥有了既小又巧还功能强大的特点。最难能可贵的是,激光具有高度的定向性,发射波束纤细,激光的发散角通常在毫弧度,有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

3.空间激光通信技术的关键技术分析

(1)捕获跟踪技术

空间激光通信技术借助光源的小发散角波束提供高功率增益,这对光束的捕获跟踪提出了比微波通信更高的要求。实现快速、大概率、大范围的光束捕获和稳定的高带宽、高精度光束跟踪是空间激光通信瞄准、捕获、跟踪技术研究的核心目标。其中,光束捕获采用激光瞄准技术和粗/精跟踪相独立的体制,即粗跟踪由大视场相机和伺服转台组成闭环,提供大范围低频带伺服控制;精跟踪由高帧频相机和快速振镜组成闭环,提供小范围高频带伺服控制,从而有效抑制因光束大范围运动和高频率抖动引起的光束扰动。

(2)通信收发技术:空间激光通信技术需要激光器具有大调制带宽、高发射功率和窄线宽等特点。具体来看,激光调制技术的调制方式可以分为直接调制和间接调制,由于直接调制方式使带宽和发射功率受限,目前主要采用小功率种子激光源间接调制后通过高功率光纤放大器获得高发射功率的方法进行调制;根据作用光束的参数不同(如强度、频率、相位等),可分为调幅、调频和调相等不同调制方式,由于不同波长系统相应器件的差异,调制方式也有所差别。

目前空间激光通信技术采用的激光波长主要有800 nm、1000 nm和1550 nm 3个波段,其中800 nm波段的半导体激光器一般利用强度调制/直接检测(IM/DD),1000 nm波段的Nd:YAG固体激光器可采用各种调制方式,而1550 nm波段的半导体激光器与光纤通信系统兼容,可采用多种高速调制方式并利用掺铒光纤放大器实现高速、高功率发射。

(3)大气补偿技术

当空间激光通信技术应用在星地、空空和空地等链路时,激光在穿越大气层的过程中受大气湍流影响,在传输时会出现接收功率抖动,导致系统出现误码,这在高速激光通信中更加明显。为解决这一问题,采用高精度实时波前畸变校正技术是抑制大气湍流对传输光束波前影响的有效方法,即通过哈特曼传感器进行多孔径波面探测,在一定程度上能够矫正波前畸变。但该技术的主要难点在于激光到达角起伏补偿、波面变形补偿和空中飞行时附面层影响补偿,可通过探测系统引入波前畸变补偿镜技术进行联合校正。

(4)光机电设计技术

为减小自由空间的功率损耗,提高发射光学系统增益,需要通信光束以近衍射极限角发射。在保证发射光学口径的基础上,提高光束发射增益对光纤耦合技术、光束整形技术、望远镜面型设计提出了更严格的要求。为突破近衍射极限角发射的关键技术、发射激光源的整形准直技术和高效率光纤耦合技术,亟需通过激光技术的发展,研究光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化选取方法。

对于光学基台技术,要求对光学系统进行模块化、轻量化设计,且能满足未来空间激光通信网络一点对多点动中通同时传输。与此同时,激光技术的广泛应用促成了多行业的标准化,如基于激光技术的激光整形传输促成了元件的模块化和标准化,降低了整机体积与成本。

参考来源:新华社新媒体。

以上就是有关于空间激光通信技术的定义、优点及关键技术的全部介绍,如果还想了解更多空间激光通信的相关内容,敬请关注三个皮匠报告网站。

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