空間光通信系統(tǒng)與技術(shù)的現(xiàn)狀及展望

季偉 趙長明 陳淑芬    北京理工大學(xué)光電工程系

空間光通信曾掀起研究的熱潮，但自從70年代光纖通信的迅速發(fā)展以及大氣光通信受到天氣的嚴(yán)重影響，使得一度輝煌的空間光通信研究陷入低谷。 

但隨著對超穩(wěn)激光器、新型光束控制器、高靈敏度和高數(shù)據(jù)率接收器和適合空間應(yīng)用的先進(jìn)通信電子設(shè)備的研究基本成熟，空間光通信又成為下一代光通信的發(fā)展方向之一。在過去10年內(nèi)，對衛(wèi)星軌道之間、空對地、地對空、地對地等各種形式光通信系統(tǒng)的研究在世界各發(fā)達(dá)國家中廣泛進(jìn)行，一些先進(jìn)國家已經(jīng)推出空間光通信的一些產(chǎn)品，如美國朗訊的2.5×4Gbps波分復(fù)用系統(tǒng)，日本佳能公司的無線光通信系統(tǒng)等。我國通信事業(yè)的迅速發(fā)展也對空間光通信提出了要求。

星際空間光通信
隨著國家信息基礎(chǔ)設(shè)施NII（National Information Infrastructure）和全球信息基礎(chǔ)設(shè)施GII(Global Information Infrastructure)的提出，社會對通信的要求越來越高。而目前衛(wèi)星通信所采用的微波通信技術(shù)因受到體積、重量、功耗等方面的嚴(yán)格限制不能無限制地提高傳輸速率與容量。在衛(wèi)星通信日益擁擠的今天，光波段通信有極大的潛力，是實現(xiàn)高速大容量通信的最佳方案，甚至可以說是唯一的解決方案。這已經(jīng)是通信領(lǐng)域許多專家的共識。實際上，世界各主要技術(shù)強(qiáng)國為了爭奪空間激光通信這一領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)投入了大量的人力和物力，并取得了可喜的進(jìn)展。星際空間激光通信包括深空、同步軌道(GEO)、中軌道(MEO)、低軌道(LEO)衛(wèi)星間、地面站之間的激光通信，還包括衛(wèi)星與地面站之間的激光通信。在衛(wèi)星通信中，使用激光與使用微波相比，具有不少獨特的優(yōu)點：
1、與微波相比，光波頻率高3～5個數(shù)量級，頻率資源豐富得多，可以獲得高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率，能滿足大容量傳輸?shù)囊�求，并為實現(xiàn)空間多任務(wù)提供了時間保障。

2、激光波束比微波波束的發(fā)散角小3～5個數(shù)量級，這將大大增加接收端的電磁波能量密度，有利于終端減輕重量、減少體積，降低功耗。

3、保密和抗干擾性能極好，這對軍事應(yīng)用十分有利。

地面無線光通信
近幾年來，人們對寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求促進(jìn)了整個通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶化發(fā)展，光波是寬帶信息的最理想載體，光纖通信的迅速發(fā)展已證明了這一點。與光纖通信的應(yīng)用領(lǐng)域有所不同，光無線通信適合于寬帶無線接入。近幾年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)寬帶化的發(fā)展，提出了用光無線接入技術(shù)來解決寬帶接入中‘最后一公里’的問題。與無線電相比，光的頻率高、能量集中、方向性強(qiáng)、可用頻譜寬，無需向頻譜管理部門申請頻率使用許可證，并可防止通信相互干擾和竊聽。與光纖通信相比，它有造價低、施工簡便、迅速等優(yōu)勢。無線光通信技術(shù)適合于下列應(yīng)用場合：

＊ 在有強(qiáng)電磁干擾的場所；

＊ 一些不宜布線的場所，比如在具有紀(jì)念意義的古建筑，危險性大的工廠、車間；

＊ 在走線成本高、施工難度大或經(jīng)市政部門審批困難的場合，如馬路兩側(cè)建筑物之間、不易架橋的河兩岸之間等；

＊ 一些臨時性的場所，如展覽廳、短期租用的商務(wù)辦公室或臨時野外工作環(huán)境；

＊ 一些具有移動性的場合，如使用便攜式電腦的交易大廳等。

具體系統(tǒng)有：

點到點系統(tǒng)
室外點到點系統(tǒng)可使用高功率發(fā)射器來獲得足夠的功率預(yù)算儲備。對于距離在視距范圍內(nèi)的情況，如相鄰兩建筑物間的通信，空氣損耗比較低，并且發(fā)射器的安裝和校準(zhǔn)相對于長距離通信要容易，無需自動校準(zhǔn)和跟蹤裝置，所以復(fù)雜程度和價格都大大降低。室內(nèi)點到點系統(tǒng)與室外的工作原理相同，但設(shè)計卻有所不同。首先它們必須保證對人眼的安全，LED發(fā)射器為最佳選擇，但傳輸能力限制在幾Mb/s。另一方面，室內(nèi)系統(tǒng)的工作環(huán)境比室外的穩(wěn)定，無需應(yīng)付惡劣天氣情況的裝置，因此造價更低。此外，通信距離在1m以內(nèi)的超短距離點到點光無線系統(tǒng)近幾年得到了很大的開發(fā)和應(yīng)用。這種系統(tǒng)主要用于筆記本電腦、打印機(jī)、移動電話等設(shè)備的連接。

光無繩系統(tǒng)
光無繩系統(tǒng)能使光覆蓋一定范圍，就像無線通信中的“小區(qū)”。進(jìn)入“小區(qū)”內(nèi)的用戶都能得到光無繩基站的服務(wù)。在小區(qū)直徑為10m左右的系統(tǒng)，可以在許多室內(nèi)公共場所廣泛使用。這種系統(tǒng)可用于對帶寬需求高的場合，如金融中心和交易所。

散射系統(tǒng)
這種系統(tǒng)使用散射通道，克服了視距通道的缺點。它的發(fā)射角大，讓光從墻壁、天花板、門和家具表面反射。接收器的探測角很寬，能一并接收不同路徑來的光；這樣即使視距通道被擋，只要存在一條散射通道，就可進(jìn)行通信，并且支持一定范圍內(nèi)的用戶移動。

系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)
空間光通信系統(tǒng)包括發(fā)射、接收和ATP(捕獲、追蹤和瞄準(zhǔn))三種功能的光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射部分的主要組成：1、信號輸入和處理電路；2、半導(dǎo)體激光器發(fā)射光源及其驅(qū)動電源；3、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。接收部分的主要組成：1、接收光學(xué)系統(tǒng)；2、光電探測器；3、信號處理和輸出電路。ATP伺服控制系統(tǒng)中包括有信號模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理、控制計算機(jī)與接口、信號數(shù)/模轉(zhuǎn)換與處理、控制校正網(wǎng)絡(luò)、伺服驅(qū)動單元、反饋控制機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)組等部分組成。歸納起來，空間光通信主要包括以下五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：

高功率光源及高碼率調(diào)制技術(shù)。在空間光通信系統(tǒng)中大多可采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的Nd：YAG固體激光器作為信號光和信標(biāo)光源，其工作波長滿足大氣傳輸?shù)蛽p耗窗口，即0.8-1.5uｍ的近紅外波段。用于ATP系統(tǒng)的信標(biāo)光源(采用單管或多管陣列組合，以加大輸出功率)要求能提供數(shù)瓦連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場、高背景光干擾下，快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)，通常信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲（或幾千赫茲至幾十千赫茲），以克服背景光的干擾。用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庑盘栐磩t選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，但要求輸出光束質(zhì)量好，工作頻率高，可達(dá)到幾十兆赫至幾十GHz。據(jù)報道，貝爾實驗室已研制出調(diào)制頻率高達(dá)10GHz的光源。此外激光器的熱穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性及工作壽命等性能都是需要考慮的因素。如采用直接調(diào)制方式，還需考慮頻率啁啾、相位調(diào)制及電光延遲和張弛延遲等效應(yīng)。

精密、可靠的光束控制技術(shù)。在發(fā)射端，由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差、發(fā)散角大，而且水平和垂直兩個方向發(fā)散角不相等，因此必須進(jìn)行準(zhǔn)直，先將發(fā)散角壓縮到毫弧度級，然后再通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步準(zhǔn)直成微弧度級光束。在接收端，接收天線的作用是將空間傳播的光場收集并匯聚到探測器表面。發(fā)射和接收天線的效率及接收天線的口徑都對系統(tǒng)的接收光功率有重要影響。國際上現(xiàn)有系統(tǒng)的天線口徑一般為幾厘米至25厘米之間。

高靈敏度和高抗干擾性的光信號接收技術(shù)�？臻g光通信系統(tǒng)中，光接收機(jī)接收到的信號是十分微弱的，加上高背景噪聲場的干擾，會導(dǎo)致接收端S/N<1。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號，通常采取的措施有：一是提高接收端機(jī)的靈敏度，達(dá)到nW～pW量級。這就需要選擇量子效率高、靈敏度好、響應(yīng)速率快、噪聲小的新型光電探測器件；其次是對所接收信號進(jìn)行處理，在光信道上采用光窄帶濾波器，如吸收濾光片、干涉濾光片和新型的原子共振濾光器等，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號檢測與處理技術(shù)。

快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)(ATP—Acquisition，Tracking，Pointing)技術(shù)。這是保證實現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信尤其是星際間光通信的必要核心技術(shù)。ATP系統(tǒng)通常由兩部分組成：(1)捕獲(粗跟蹤)系統(tǒng)。捕獲范圍可達(dá)±1°-±20°或更大。通常采用陣列CCD來實現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤即目標(biāo)的捕獲。(2)跟蹤、瞄準(zhǔn)(精跟蹤)系統(tǒng)。通常采用四象限紅外探測器QD或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百μrad，跟蹤精度為μrad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。

大氣信道。在地對地、地對空的激光通信系統(tǒng)的信號傳輸中，涉及的大氣信道是隨機(jī)的。大氣中的氣體分子、水霧、雪、霾、氣溶膠等粒子，其幾何尺寸與半導(dǎo)體激光波長相近甚至更小，這就會引起光的吸收、散射，特別是在強(qiáng)湍流的情況下，光信號將受到嚴(yán)重干擾甚至脫靶。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以較好地解決這一問題，并已逐漸走向?qū)嵱没��?/P>

另外選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式、編碼方式及解調(diào)方式也會對通信系統(tǒng)的性能有很大的影響。目前空間光通信系統(tǒng)多采用IM-DD（強(qiáng)度調(diào)制、直接檢測）方式，主要考慮系統(tǒng)能比較簡單的實現(xiàn)這種方式。采用的編碼方式多為開關(guān)鍵控（OOK）編碼和曼徹斯特編碼方式。在實際應(yīng)用中，采用曼徹斯特編碼方式的接收誤碼率通常比采用OOK編碼要低。

對于完整的星際間光通信系統(tǒng)還包括相應(yīng)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、熱控制、輔助電子設(shè)備等部分及系統(tǒng)整體優(yōu)化等技術(shù)。這些技術(shù)的難度較大，但十分重要。

發(fā)展現(xiàn)狀
在地面無線光通信方面，1998年2月，朗訊公司制造了一套10Gb/s的無線光通信實驗系統(tǒng)。由于在大氣中傳輸，通信性能受通信距離、氣候條件等因素限制。由于大氣的吸收與散射，通信距離達(dá)到5km已經(jīng)算相當(dāng)長了，如果大于5km，要提高探測器的靈敏度，保持光束的準(zhǔn)直性，同時要考慮建筑物的熱脹冷縮影響光束的準(zhǔn)直性。AstroTerra公司在該系統(tǒng)中加入自動跟蹤系統(tǒng)以修正建筑物的影響，采用內(nèi)置相機(jī)獲得方向的變化量，反饋給電子執(zhí)行單元，以保持光束的準(zhǔn)直性。1998年8月，兩公司對無線光通信系統(tǒng)的原型機(jī)進(jìn)行了測試：鏈路距離2.5km，數(shù)據(jù)率2.5Gb/s，是無線光通信系統(tǒng)新的最高記錄。并于2000年夏季推出4波長波分復(fù)用10Gb/s，傳輸距離達(dá)5km的商用系統(tǒng)。表1是世界各公司推出的地面無線光通信產(chǎn)品。

在星際光通信系統(tǒng)方面，美國是最早進(jìn)行星際光通信研究的國家。從80年代中期到1994年間，美國空軍支持麻省理工學(xué)院林肯實驗室建起了高速星間激光通信實驗裝置LITE(Laser InterSatellite Transmission Experiment)。該實驗采用了30mW半導(dǎo)體激光器，8英寸口徑的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)率為220Mb/s，模擬星際間通信距離達(dá)4萬公里。另外由彈道導(dǎo)彈防御組織與空間和導(dǎo)彈防御司令部共同資助的STRV2星地激光通信計劃的兩個地面實驗終端已加工裝配成功。計劃在低軌道衛(wèi)星與固定地面站間建立光鏈路，斜距達(dá)2000km，數(shù)據(jù)率達(dá)1Gb/s。

歐洲方面，歐洲空間局為連接低軌道星與同步軌道星，進(jìn)行了軌道間激光通信實驗，已經(jīng)制造好兩個衛(wèi)星終端設(shè)備。一個名為PASTEL終端，已經(jīng)搭載在法國地球觀測衛(wèi)星SPOT4(1998年3月22日發(fā)射成功)上，是第一個在軌光學(xué)終端；另一個名為OPALE終端，搭載在歐洲先進(jìn)數(shù)據(jù)中繼技術(shù)衛(wèi)星ARTEMIS上(2000年第一季度發(fā)射)。OPALE終端采用的波長為800-850nm，通信光功率不超過60mW，信標(biāo)捕獲與鏈路建立過程中，信標(biāo)光功率小于500mW。

日本從80年代中期就開始星間激光通信的研究工作，主要有郵政省的通信研究實驗室(CRL)、高級長途通信研究所(ATR)的光學(xué)及無線電研究室進(jìn)行此方面的研究工作。ATR主要對光束控制、調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和論證，并建立了一套自由空間模擬裝置進(jìn)行地面模擬實驗。CRL主要進(jìn)行地面站與工程實驗衛(wèi)星ETSⅥ之間的激光通信實驗，以試驗星間鏈路要求的幾種基本功能，如高精度跟蹤、雙向鏈路光通信、高精度高度測量等，并于1995年7月成功地進(jìn)行了ETSⅥ與地面站間的光通信實驗，這是世界上首次成功進(jìn)行的星地間激光通信實驗，該實驗的成功證明了星地間激光鏈路的可行性。

發(fā)展趨勢與展望
隨著通信需求和設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，在衛(wèi)星鏈路中，空間光通信系統(tǒng)已開始進(jìn)入實用化研究階段。從文獻(xiàn)報道可以看到近年來幾個發(fā)展趨勢和特點：

空間激光通信技術(shù)的可行性問題已經(jīng)解決，雖然至今尚未真正實現(xiàn)星際間正式通信，但是原先顧慮的發(fā)射功率小、接收靈敏度低、捕獲、瞄準(zhǔn)要求高、熱和機(jī)械穩(wěn)定性要求高等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進(jìn)展。相信不久的將來，激光通信將取代微波通信成為星際間通信的主要手段。

空間激光通信已開始向民用方向發(fā)展，它的商業(yè)應(yīng)用價值已被看好，有人甚至提出，激光通信在性能價格比上可以同海底光纜通信開展競爭。

空間激光通信系統(tǒng)原來多采用800nm波段光源，這是由于此波段的激光器、接收器體積小、重量輕、效率高，比較成熟、有成品，同時該波段的窄線寬濾波器也有比較成熟的銫原子濾波器。近年來，各國紛紛把光纖通信的成熟技術(shù)和器件引入衛(wèi)星激光通信，相應(yīng)地工作波段也向1550nm波段發(fā)展，波分復(fù)用技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于空間激光通信。90年代以來國外的空間激光通信研究已從概念和部件技術(shù)研究轉(zhuǎn)入系統(tǒng)研究階段，目前將進(jìn)入應(yīng)用性能測試階段。

在地面空間光通信的應(yīng)用中，它將作為一個主要的手段進(jìn)入本地寬帶接入市場，特別是通常沒有光纖連接的中小企業(yè)。保守地估算，這一市場到2005年將增長到幾億或十幾億美元，也有人預(yù)測能達(dá)到20億�，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，一、二年內(nèi)這一技術(shù)就會形成有規(guī)模的市場。

無線電系統(tǒng)和光無線系統(tǒng)在許多方面可互為補(bǔ)充，光無線系統(tǒng)能提供小區(qū)域的高速連接，而無線電系統(tǒng)能提供大區(qū)域內(nèi)低速通信。各種系統(tǒng)的無縫連接將能使用戶得到更方便的服務(wù)。比如，在辦公樓的辦公桌附近，用戶用便攜式電腦通過10Mb/s的光無繩系統(tǒng)或IrDA系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)他在辦公樓里漫游時，他的電腦通過40kb/s的樓內(nèi)微波鏈路繼續(xù)與網(wǎng)絡(luò)連接，而當(dāng)離開辦公樓時，則轉(zhuǎn)用GSM網(wǎng)提供的9.6kb/s的鏈路進(jìn)行通信。另外微波系統(tǒng)還可作為光無線系統(tǒng)的備用設(shè)備以克服空間光通信受天氣因素影響大的缺點。當(dāng)天氣情況過于惡劣以至無法進(jìn)行光通信時，自動啟動微波通信系統(tǒng)，大大提高了空間光通信系統(tǒng)的可靠性。（摘自：互聯(lián)網(wǎng)）