空間激光通信系統(tǒng)是指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。自由空間激光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強(qiáng)國(guó)在空間激光通信領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進(jìn)展。
R[QE:#hT rYl37.QE 傳輸原理
4/b#$o <I? 2 r,fF<WQ 大氣傳輸激光通信系統(tǒng)是由兩臺(tái)激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號(hào)（聲音或數(shù)據(jù)），接收并解調(diào)來(lái)自對(duì)方的激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙工通信。圖1所示的是一臺(tái)激光通信機(jī)的原理框圖。圖中系統(tǒng)可傳遞語(yǔ)音和進(jìn)行計(jì)算機(jī)間數(shù)據(jù)通信。受調(diào)制的信號(hào)通過功率驅(qū)動(dòng)電路使激光器發(fā)光，從而使載有語(yǔ)音信號(hào)的激光通過光學(xué)天線發(fā)射出去。另一端的激光通信機(jī)通過光學(xué)天線將收集到的光信號(hào)聚到光電探測(cè)器上，然后將這一光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將信號(hào)放大，用閾值探測(cè)方法檢出有用信號(hào)，再經(jīng)過解調(diào)電路濾去基頻分量和高頻分量，還原出語(yǔ)音信號(hào)，最后通過功放經(jīng)耳機(jī)接收，完成語(yǔ)音通信。當(dāng)開關(guān)Ｋ擲向下時(shí)，可傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)間通信，這相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、大氣傳輸信道等幾部分組成。
N@g+51ye })B)- 8 接口電路將計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器連接起來(lái)，使兩者能同步、協(xié)調(diào)工作；調(diào)制器把二進(jìn)制脈沖變換成或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ危淠康氖窃诓桓淖儌鬏斀Y(jié)果的條件下，盡量減少激光器的發(fā)射總功率；解調(diào)是調(diào)制的逆過程，把接收到的已調(diào)制信號(hào)進(jìn)行反變換，恢復(fù)出原數(shù)字信號(hào)將其送到接口電路；同步系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一，其作用是使通信系統(tǒng)的收、發(fā)端有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，步調(diào)一致。
8'y|cF%U 圖 激光通信原理圖
#p]O n87> 關(guān)鍵技術(shù)分析
L<: ya kcle|B 高功率激光器的選擇
#!2gxm;g T(6S~; ,Z 激光器用于產(chǎn)生激光信號(hào)，并形成光束射向空間。激光器的好壞直接影響通信質(zhì)量及通信距離，對(duì)系統(tǒng)整體性能影響很大，因而對(duì)它的選擇十分重要�？臻g光通信具有傳輸距離長(zhǎng)，空間損耗大的特點(diǎn)，因此要求光發(fā)射系統(tǒng)中的激光器輸出功率大，調(diào)制速率高。一般用于空間通信的激光器有三類：
k Q + 4[?Q*f! 二氧化碳激光器。輸出功率最大(>10kw)，輸出波長(zhǎng)有10.6 m和9.6 m，但體積較大，壽命較短，比較適合于衛(wèi)星與地面間的光通信。
Vr'Z5F*@ N|DY)W Nd:YAG激光器。波長(zhǎng)為1064nm，能提供幾瓦的連續(xù)輸出，但要求高功率的調(diào)制器并保證波形質(zhì)量，因此比較難于實(shí)現(xiàn)，是未來(lái)空間通信的發(fā)展方向之一。采用半導(dǎo)體泵浦的固體激光器，若使半導(dǎo)體發(fā)射譜線與Nd:YAG激光器吸收譜線一致，可減少熱效應(yīng)，改善激光光束質(zhì)量，提高激光源綜合性能。這種激光器適合用于星際光通信。
;$Y?j8g (H$eXW7 二極管激光器（LD）。LD具有高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并且可以直接調(diào)制，所以現(xiàn)在的許多空間光通信系統(tǒng)都采用LD作為光源。例如波長(zhǎng)為800～860nm的ALGaAs LD和波長(zhǎng)為970～1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，并且與探測(cè)、跟蹤用CCD陣列具有波長(zhǎng)兼容性，在空間光通信中成為一個(gè)較好的選擇。
)~6974 NoMC* ",b> 快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)（ATP）技術(shù)
3]'3{@{} H SNQ+ XtoO 這是保證實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信的必要核心技術(shù)。系統(tǒng)通常由以下兩部分組成：
%Um E=V zMa`olTZ 捕獲（粗跟蹤）系統(tǒng)。它是在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，捕獲范圍可達(dá)±1°～±20°或更大。通常采用CCD陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同完成粗跟蹤，即目標(biāo)的捕獲。粗跟蹤的視場(chǎng)角為幾mrad，靈敏度約為10pW，跟蹤精度為幾十mrad；
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/> 跟蹤、瞄準(zhǔn)（精跟蹤）系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在完成目標(biāo)捕獲后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。通常采用四象限紅外探測(cè)器（QD）或Q-APD高靈敏度位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場(chǎng)角為幾百祌ad，跟蹤精度為幾 rad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。
HBt?cA ' Y , P-@( 精密可靠高增益的收、發(fā)天線
?F-,4Ox {/ ]C!u~A\jq 為完成系統(tǒng)雙向互逆跟蹤，空間光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)一體天線，隔離度近100%的精密光機(jī)組件。由于二極管激光器光束質(zhì)量一般較差，要求天線增益高，另外為適應(yīng)空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。目前天線口徑一般為幾厘米至25厘米。
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