自由空间激光通信技术概述

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1、自由空间激光通信技术概述06061118刘晓彪摘要：本文对自由空间激光通信技术经行了大体上的介绍，具体分析了其中的关键技术和研究重点，并对这一前沿技术的未来发展趋势经行了展望。关键词：激光通信自由传输大气信道空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。一、传输原理大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发

2、射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关Ｋ掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部

3、分组成。接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。二、关键技术分析一）高功率激光器的选择激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它

4、的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类：二氧化碳激光器。输出功率最大(>10kw)，输出波长有10.6m和9.6m，但体积较大，寿命较短，比较适合于卫星与地面间的光通信。Nd:YAG激光器。波长为1064nm，能提供几瓦的连续输出，但要求高功率的调制器并保证波形质量，因此比较难于实现，是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器，若使半导体发射谱线与Nd:YAG激光器吸收谱线一致，可减少热效应，改善激光光束质

5、量，提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。二极管激光器（LD）。LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，并且可以直接调制，所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800～860nm的ALGaAsLD和波长为970～1010nm的InGaAsLD。由于ALGaAsLD具有简单、高效的特点，并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性，在空间光通信中成为一个较好的选择。二）快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成：1、捕获

6、（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad；2、跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪1要求视场角为几百祌ad，跟踪精度为几rad，跟踪灵敏度大约为几nW。三）精密可靠高增益的收

7、、发天线为完成系统双向互逆跟踪，空间光通信系统均采用收、发一体天线，隔离度近100%的精密光机组件。由于二极管激光器光束质量一般较差，要求天线增益高，另外为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件）总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25厘米。四）大气信道在地－地、地－空激光通信系统信号传输中，大气信道是随机的。大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子，几何尺寸与二极管激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收和散射，特别在强湍流情况下，光信号将受到严重干扰。因此如何保证随机信道条件下系

8、统的正常工作，对大气信道工程研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐步走向实用化。总之，空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题，它的发展与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密光、机、电综合技术的研究和发展密切不可分，光电器件、