王嶺，陳曦，董峰

（1.天津大學　電氣與自動化工程學院，天津　300072；2.天津航海儀器研究所，天津　300451）

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空間激光通信光端機發(fā)展水平與發(fā)展趨勢

王嶺1，2，陳曦2，董峰1

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.天津航海儀器研究所，天津300451）

摘要：激光通信技術(shù)和傳統(tǒng)通信技術(shù)相比具有極大的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景，其中光端機是實現(xiàn)空間激光通信的核心系統(tǒng)。論述了近年來發(fā)達國家在光端機研發(fā)方面所取得的成果，討論了光端機研發(fā)的發(fā)展趨勢。在未來多型平臺之間進行組網(wǎng)激光通信的背景下，對光端機上一對多通信光學天線的各種設(shè)計方案進行了梳理，從幾個方面評價了各種設(shè)計方案的優(yōu)缺點，并對網(wǎng)絡(luò)化通信的光學天線關(guān)鍵技術(shù)提出了一些新的思考和分析。

關(guān)鍵詞：激光通信；光端機

1　空間激光通信技術(shù)發(fā)展的歷史沿革

隨著世界對高速率、海量數(shù)據(jù)通信需求日益增長，對空間信息網(wǎng)絡(luò)的高速處理和傳輸能力要求也越來越高。特別是高精度對地觀測迅速發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸速率和實時性要求提高，單通道速率達到每秒千兆比特量級，超出了當前微波傳輸?shù)哪芰O限［1-4］。目前微波的傳輸速率僅為百兆級別，G比特帶寬已經(jīng)接近微波通信的極限。和微波通訊相比較，激光頻率約為微波頻率的萬倍以上，在通信中傳輸信息量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高，可以作為下一代通信手段滿足未來要求［5，6］。激光通信就是以激光束作為載波進行各種數(shù)據(jù)傳輸，除了具有容量大的特點外還具有光學增益大，發(fā)散角小，抗干擾和抗截獲能力強、系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、功耗低等壓倒性優(yōu)勢，能夠?qū)?zhàn)場態(tài)勢和自然災(zāi)害等重要情況實施“現(xiàn)場直播”式偵查，這無論對國防安全還是對國計民生都有著重要的意義，因此激光通信是一種國家戰(zhàn)略通信手段［7］。

自從上世紀60年代激光問世以來，人們開始探索激光通信技術(shù)的可能性。到了70年代，世界各國的研究逐漸形成了一些相關(guān)技術(shù)理論。在80年代，隨著電子技術(shù)的進步，美歐日等發(fā)達國家陸續(xù)開始對激光通信理論開展了一些實驗原理驗證工作。到了90年代美日歐各國開展了各種地面通信驗證實驗。從上世紀末至今激光通信技術(shù)發(fā)展速度迅猛，世界主要發(fā)達國家在各種平臺和鏈路上進行了大量激光通信技術(shù)工程化實驗，取得了許多具有里程碑意義成果，標志著激光通信技術(shù)走向成熟［8-11］。

表1　典型光端機的技術(shù)代劃分

2　國內(nèi)外激光通信光端機的發(fā)展現(xiàn)狀

實現(xiàn)激光通信的載體叫光端機。光端機是實現(xiàn)空間激光通信技術(shù)的核心，它是以光學系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助APT、自動控制等輔助技術(shù)，實現(xiàn)激光通信的功能。隨著各種平臺和鏈路激光通信實驗的進展，激光通信的核心系統(tǒng)——光端機的研發(fā)也發(fā)生了質(zhì)的飛躍［12-14］。

2.1國外光端機發(fā)展情況

目前，美、日、歐是開展激光通信系統(tǒng)研究的先進國家，對空間激光通信鏈路理論、關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，在不同的平臺上、不同的鏈路里進行了大量、豐富的工程化實驗，積累了豐富的成果。而完成這些實驗成果的核心系統(tǒng)即光端機大致經(jīng)歷了兩代的發(fā)展進化過程。

表1列出的是典型的激光通信光端機的型號。以輕小型化、高速率通信、相干探測等技術(shù)水平為標志，把光端機分劃為第一代和第二代。第一代光端機主要用于各種平臺和鏈路的工程驗證試驗。德國LCTSX第二代光端機的誕生，標志著激光通信技術(shù)實用化的硬件條件接近成熟［15-17］。

第一代光端機最著名的代表系統(tǒng)是法國的SELEX系統(tǒng)和日本的LUCE系統(tǒng)。

2.1.1第一代SILEX光端機

法國的SILEX光端機屬于第一代激光通信載荷，它被搭載在多個衛(wèi)星平臺上與多個國家的通信系統(tǒng)在不同鏈路條件下進行了大量各種具有里程碑意義的激光通信工程實驗，如圖1所示為SILEX光端機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其在ARTEMIS高軌衛(wèi)星的應(yīng)用。

SILEX光端機的重量約為157公斤，只能單向通信，上行通信速率50Mb/s，信號探測方式為直接探測，信號發(fā)射功率僅為百毫瓦級。

2001年，ESA的高軌ARTEMIS衛(wèi)星和法國的低軌SPOT 4衛(wèi)星搭載了第一代光端機SILEX系統(tǒng)，成功地進行了人類首次LEO對GEO衛(wèi)星的單向通信實驗，如圖2（a）所示，傳輸距離是40000公里，上行傳輸速率為50M。而后系統(tǒng)又與西班牙特內(nèi)里費島的OGS進行了上百次的鏈路試驗，驗證了光端機APT系統(tǒng)性能，但只有上行鏈路通信成功。2006年12月歐空局ARTEMIS衛(wèi)星搭載的SILEX終端與法國“神秘”-20飛機的LOLA光端機進行了上百次激光通信試驗，如圖2（b）。通信距離約36000公里，單向傳輸速率為50MbPS，捕獲時間小于1秒。試驗?zāi)康氖钦莆赵趶碗s的天氣狀況從不同的高度接入系統(tǒng)的性能和可靠性，2007年，通過ARTEMIS中繼通信，首次使地面和飛機的音頻、視頻實現(xiàn)了同步［18-21］。

圖1　SILEX光端機系統(tǒng)及應(yīng)用

圖2　SILEX光端機的激光通信實驗

2.1.2第一代LUCE光端機

1985年日本為實現(xiàn)與歐空局的ARTEMIS衛(wèi)星之間的激光連接，研制了與SILEX激光通信終端兼容的第一代LUCE光端機，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用如圖3所示。其總體指標和SILEX系統(tǒng)相似，激光發(fā)射機采用GaAlAs半導體激光二極管，粗跟蹤傳感器采用CCD探測器，精跟蹤傳感器采用四像限探測器QD。主要技術(shù)指標為：通信波長平均發(fā)射功率為100mW；調(diào)制模式為非歸零碼直接強度調(diào)制；通信速率為50Mbit/s，誤碼率為10-6；望遠鏡口徑為260mm；終端質(zhì)量為140kg；通信功耗為220W。這臺光端機被搭載在激光通信專用低軌衛(wèi)星OICET上，于2003年9月，LUCE終端在歐空局的光學地面站進行了與Artemis衛(wèi)星的雙向通信試驗［22-24］。在2005年9月-2006年2月與歐洲Artemis衛(wèi)星的SILEX系統(tǒng)實現(xiàn)世界首次星間雙向激光通信。通信距離為45000公里，發(fā)射傳輸速率為50Mbps，接收速率2Mbps。2006年3月，LUCE與日本（NICT）光學地面站成功進行了雙向光學通信實驗。2006年6 月7日，LUCE終端與德國宇航中心移動光學地面站之間實現(xiàn)激光通信實驗，在國際上首次實現(xiàn)低軌衛(wèi)星與移動光學地面站的激光通信，通信實驗如圖4所示。

此外LUCE光端機還與西班牙Tenerife、日本東京等地面OGS進行了星地激光通信工程試驗，日本也憑借LUCE系統(tǒng)一躍成為了激光通信技術(shù)強國［25-28］。

圖3　LUCE光端機系統(tǒng)及應(yīng)用

圖4　世界首次衛(wèi)星雙向、多鏈路通信實驗

2.1.3第二代LCTSX光端機

SILEX項目的成功是空間激光通信的一個巨大進步，但其光端機重量較大、通信速率較低，還不能作為微波通信的輔助通信手段。作為SILEX系統(tǒng)后續(xù)計劃的產(chǎn)物，德國Tesat公司又研發(fā)出LCTSX光端機，該系統(tǒng)重量不到30公斤，口徑僅125mm，雙向通信速率可達8Gb/s，采用相干信號探測方式，發(fā)射功率為瓦級［29］，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用如圖5所示。LCTSX沒有專門的信標激光器，也沒用采用多像素的焦平面陣列進行光束捕獲?？烧{(diào)諧Nd∶YAG激光器發(fā)出的1064mm激光兼具信號光和信標光作用，在捕獲階段適當提高輸出功率以降低捕獲難度。通信雙方采用大視場的四象限探測器（QD）直接捕獲光束，交替進行螺旋掃描不斷提高對準精度，最終實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤。這樣零信標系統(tǒng)節(jié)省了一套光源，同時減少了終端內(nèi)光學表面、鍍膜、光軸調(diào)較、光束分合等設(shè)備，而且收發(fā)光束能夠最大程度的共軸傳輸，光路自校準也相對容易［30］。從輕小型化、通信速率、探測方式來看，LCTSX光端機與第一代光端機已經(jīng)不可同日而語，這套系統(tǒng)的問世在激光通信技術(shù)的發(fā)展上具有劃時代的意義。

圖5　LCTSX光端機系統(tǒng)及應(yīng)用

2008年3月美國NFIRE衛(wèi)星與德國TerrSAR—X衛(wèi)星分別搭載LCTSX光端機在低軌道成功實現(xiàn)雙向零差相干探測通信。通信距離為3800至4900公里、傳輸速率為5.625Gbps［31］，如圖6所示。

圖6　德國TerraSAR-X和美國NFIRE進行星間相干探測通信

2009年12月TerraSAR-X、NFIRE衛(wèi)星對美國夏威夷地面站、西班牙Tenerife島地面站實現(xiàn)相干探測通信。通信距離600～1500km、雙向通信速率為5.65Gbps［32］，如圖7所示。

圖7　德國TerraSAR-X星-地鏈路的光通信實驗

LCTSX光端機系統(tǒng)的試驗成功具有非常重大的意義，這是激光通信首次超過微波通信，體現(xiàn)出大帶寬、高速率的優(yōu)勢，各種技術(shù)突破極大地推進了激光通信技術(shù)的實用化進程，并且讓世界認可了激光通信技術(shù)的意義［33］。

2.1.4日本第二代光端機

從2008年開始，日本也在開發(fā)其具有第二代光端機性能的激光通信光端機系統(tǒng)，并在高功率光放大器、相干/零差探測器、精密跟蹤指向系統(tǒng)等方面取得了巨大進展，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。比LUCE光端機在通信速率、重量、和消耗功率方面有了很大的進步。其通信能力為雙向速率2.5Gb/s，通信波長為1.064μm，重量小于35公斤，采用二進制相位鍵控調(diào)制/零差探測，其捕獲和粗跟蹤系統(tǒng)采用同一束光；采用Nd∶YLF crystal waveguides作為光功率放大器，其特點是效率高，體積小，與目前常用的光纖功率放大器相比，其耐宇宙輻射的能力更強（壽命長15年）［34］。

2.2國內(nèi)光端機發(fā)展情況

相比于歐洲、日本和美國，我國在空間光通信領(lǐng)域起步較晚，在20世紀90年代才開始有比較多的研究。但我國在該領(lǐng)域發(fā)展迅速，多家單位開展了深入研究，主要機構(gòu)有哈爾濱工業(yè)大學和長春理工大學等高校，中國科學院上海光學精密研究所和中國科學院光電技術(shù)研究所（成都）等中國科學院研究單位，以及中國電子科技集團公司第34所和27所等。值得一提的是，國內(nèi)不同研究機構(gòu)的研究方向各有不同，呈現(xiàn)出比較鮮明的特點［35］。

星載對地通信光端機的研發(fā)方面，哈工大于2011年進行的星地通信實驗取得成功，通信距離為2000公里，速率為504Mbps。

空地通信光端機的研發(fā)方面，長春理工大學空間技術(shù)研究所于2011年實驗成功，通信速率為1.5Gbps，通信距離為17.5公里。

飛機對飛機通信光端機的研發(fā)方面，長春理工大學空間技術(shù)研究于2013年實驗成功，通信速率為2.5Gbps，通信距離為144公里。亦有其他單位的相關(guān)研究也取得了更多成就。

我國目前在空間光通信領(lǐng)域發(fā)展勢頭良好，下一步應(yīng)該結(jié)合各個單位的研究特點，加強交流與合作，并爭取在基礎(chǔ)器件研制和最新理論研究上取得突破。

3　未來激光通信光端機的發(fā)展趨勢

經(jīng)過近40年的發(fā)展，星間激光通信從理論探索到實驗研究，從地面驗證到星載實驗，通信速率從50Mb/s發(fā)展到5.6Gb/s，已經(jīng)步入接近成熟的第二代，距離實際應(yīng)用越來越近。借助衛(wèi)星激光鏈路組建空間骨干網(wǎng)具備了初步的硬件條件，空間組網(wǎng)是衛(wèi)星激光通信下一步發(fā)展趨勢。激光通信只有在多平臺實現(xiàn)組網(wǎng)才能發(fā)揮其更大價值，即通過激光鏈路把不同軌道的衛(wèi)星和空間站、飛機、浮空器、地面的基站（OGS）、艦船、汽車等組成空天陸海為一體的全方位戰(zhàn)略通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)立體的全方位的通信連接。目前美國、歐洲、日本、俄羅斯等國家均提出了雄心勃勃的多平臺間激光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計劃［36］。

3.1美國

美國提出了多種激光通信衛(wèi)星組網(wǎng)方案，如Teledesic 288星計劃，Celestri63星計劃以及過渡系統(tǒng)——TSAT計劃。TSAT計劃將于2016年實施，能夠向全球部署部隊提供具有高帶寬的衛(wèi)星通信能力，其類似于因特網(wǎng)通信系統(tǒng)，包括星地通信、星星通信、星船通信等，預計達到的通信速率為10Gbps—40Gbps。主要優(yōu)點是通信速率快、帶寬較高；覆蓋范圍大；各種通信手段互補。主要缺點是多種復合方式難度較大；結(jié)構(gòu)實施復雜，其組網(wǎng)示意如圖9所示。

圖9　美國TSAT高速信息傳輸空間激光通信組網(wǎng)示意圖

3.2歐洲

隨著歐洲“全球環(huán)境監(jiān)測與安全”項目的實施，估計每天將有6TB的數(shù)據(jù)需要從空中向地面?zhèn)鬏?，以目前的空間激光通信能力，很難保證海量數(shù)據(jù)傳輸實時性和質(zhì)量；同時目前歐洲是通過境外地面通信站來獲得地面觀測衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，這嚴重威脅了歐洲的獨立自主的戰(zhàn)略方針。基于此，歐洲準備建立下一代數(shù)據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)（EDRS），將用三顆Alpha SAT中繼衛(wèi)星于45000km軌道高度搭載一個LCTSX光端機的升級版（望遠鏡口徑增大、通信光功率增大）和一個Ka波段微波通信終端（通信速率600Mbps），在三顆GEO衛(wèi)星之間以及GEO衛(wèi)星到地面之間的骨干網(wǎng)絡(luò)均采用激光互聯(lián)進而覆蓋全球，為氣象、電臺、監(jiān)測等特殊用戶提供1.8Gbps高速率遠程數(shù)據(jù)服務(wù)，原理如圖10所示［37］。

圖10　歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（EDRS）骨干網(wǎng)激光通信示意圖

3.3日本

日本提出激光與微波通信相結(jié)合的雙層低軌道全球通信組網(wǎng)方案，具體論證了在地球700公里和2000公里的低空中部署兩套衛(wèi)星系統(tǒng)的可行性；衛(wèi)星之間采用激光互聯(lián)技術(shù)進行信息傳遞，與地面關(guān)口站的通信鏈路由上層衛(wèi)星負責，采用激光鏈路；下層衛(wèi)星負責與小型地面站和移動用戶（包括個人移動通信）的通信，采用微波鏈路。主要優(yōu)點是雙低軌組合優(yōu)勢互補、覆蓋范圍廣、激光和微波手段復合。主要缺點是雙軌道實施難度較大、結(jié)構(gòu)實施復雜。可以應(yīng)用于星間、星地、地面站與移動用戶等多種終端的組網(wǎng)通信，其組網(wǎng)通信示意如圖11所示。

圖11　歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（EDRS）骨干網(wǎng)激光通信示意圖

但是與微波通信技術(shù)較易實現(xiàn)大范圍、寬覆蓋通信能力相比，目前國際上的光端機通信系統(tǒng)僅能實現(xiàn)一點對一點的通信，尚未能夠?qū)崿F(xiàn)多平臺間組網(wǎng)通信，這嚴重制約了激光通信技術(shù)的快速推廣和在各領(lǐng)域的應(yīng)用。因此未來的光端機設(shè)計必須滿足多平臺一點對多點通信功能，同時還要滿足動中通、雙工通等要求。

針對如何實現(xiàn)組網(wǎng)激光通信的這一難題，國內(nèi)外科研人員提出了多種光端機設(shè)計方案，針對激光通信組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)進行了各種探索，但是尚未有成熟的技術(shù)解決組網(wǎng)通信問題。比如美國朗訊公司在其專利US6445496B1中提出了一種擴大視場型一對多組網(wǎng)通信的設(shè)計概念，原理如圖12所示。系統(tǒng)采用擁有較大的焦平面的卡氏系統(tǒng)為發(fā)射端和接收端提供自動對準，并在接收端焦平面處放置N×N的光纖陣列實現(xiàn)單個光學望遠鏡的一點對多點空間激光通信。

圖12　光纖陣列型一對多組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

美國的Tearbeam公司在其專利US6912360B1提出另一種一對多組網(wǎng)通信設(shè)計方案，原理如圖13所示。光端機D是一個卡氏系統(tǒng)，其光輸入端與信號光源耦合指向遠處的通信光端機A、B或C，通過調(diào)節(jié)光輸入端的位置進行移動跟蹤通信實現(xiàn)一點對多點激光通信。

圖13　自由空間一點對多點激光通信示意圖

這兩種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單，避免了使用復雜的APT系統(tǒng)，但是缺點是組網(wǎng)通信范圍小，經(jīng)計算當視場角超過0.5°時其能量利用率將低于2.1%，且光纖陣列排列密集將會帶來較為嚴重的信號串擾。

通過激光通信網(wǎng)絡(luò)進行高質(zhì)量、海量信息傳輸是必然趨勢，也是激光通信技術(shù)廣泛應(yīng)用的必然目標。實現(xiàn)激光通信組網(wǎng)的核心條件是每個平臺對其他多個平臺同時、動態(tài)、大范圍、雙工通信，但是目前國際上尚未見成熟有效方案實現(xiàn)此目標，因此未來應(yīng)該加強對此方向的針對性研究。

4　總結(jié)與展望

本文對激光通信技術(shù)的核心系統(tǒng)----光端機的發(fā)展進程進行了綜述，分析了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，對激光通信及其載體光端機的網(wǎng)絡(luò)化一體化趨勢進行了分析與評述。總的來說，不論從理論研究還是應(yīng)用研究實證分析方面，國內(nèi)對激光通信組網(wǎng)技術(shù)和適用于組網(wǎng)通信的光端機的研究都還處于方案論證階段，這也就意味著許多問題還有非常大的空間有待我們進一步的深入探索。

針對這種現(xiàn)狀，我們的研究應(yīng)主要集中在以下幾個方面：

（1）及時跟蹤激光通信網(wǎng)絡(luò)化、一體化的最新研究理論、趨勢和動向，特別是對具體研究內(nèi)容予以較為深入的關(guān)注。

（2）進一步展開對適用于空間組網(wǎng)通信的光端機方案進行深入的論證和研發(fā)，包括自動化設(shè)計、誤差分析、裝調(diào)方案等，探索新的設(shè)計原理和方案。

（3）加強激光通信技術(shù)研究成果和民用領(lǐng)域需求的結(jié)合將對激光通信事業(yè)的快速發(fā)展具有重要的實際意義。

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Development Level and Trend for Space Laser Communication Optical Transceiver

WANG Ling1，2，CHEN Xi2，DONG Feng1
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072；2.Tianjin Navigational Instruments Institute，Tianjin 300456）

Abstract：Compared with traditional communication technology，laser communication has great advantages and broad application prospects. Optical transceiver is the core of space laser communication system. Optical transceiver achievements in recent years and developments for it have been discussed in this paper. Under the background of more platforms among networks for laser communication，various kinds of optical antennas for optical transceiver have been discussed，including several aspects of advantages and disadvantages. Some new thoughts and analysis on network communication technology of optical antenna have been puts forward.

Key words：laser communication；optical transceiver

中圖分類號：TN929.11

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0039-07

收稿日期：2015-09-21

作者簡介：王嶺（1978-），男，博士，高級工程師，E-mail：wangling_tju@tju.edu.cn