什么是空間激光通信技術？優點有哪些？關鍵技術分析

1.什么是空間激光通信技術

空間激光通信技術是新時代發展出來的一種通信技術，指用激光束作為信息載體在自由空間進行通信,既可作為衛星間的高速傳輸鏈路,也可作為衛星與地面站之間的通信鏈路。我國空間激光通信技術研究起步較晚于歐、美、日，與他們相比存在一定的差距，但近些年來在激光通信領域也取得了相應的一些顯著成果。

2.空間激光通信技術的優點

(1)通信容量大：激光的頻率比微波高3至4個數量級，因此作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術可以移植到空間通信中來，目前光纖通信每束波束光波的數據率可達20Gb/s以上，并且可采用波分復用技術使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的優勢。

(2)既小又巧還功能強大：

同時，空間激光通信技術還有著重量輕、功耗和體積小、建造和維護經費低等特點。

由于激光的發散角很小，所以能量高度集中，這樣一來落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，功耗相對較低;空間激光通信的能量利用率的提高又使得發射機及其供電系統的重量減輕;激光的波長短，在同樣的發散角和接收視場角要求下，發射和接收望遠鏡的口徑都可以減小。

如此一來，空間激光通信就擺脫了微波系統巨大的碟形天線，擁有了既小又巧還功能強大的特點。最難能可貴的是，激光具有高度的定向性，發射波束纖細，激光的發散角通常在毫弧度，有效地提高抗干擾、防竊聽的能力。

3.空間激光通信技術的關鍵技術分析

(1)捕獲跟蹤技術

空間激光通信技術借助光源的小發散角波束提供高功率增益，這對光束的捕獲跟蹤提出了比微波通信更高的要求。實現快速、大概率、大范圍的光束捕獲和穩定的高帶寬、高精度光束跟蹤是空間激光通信瞄準、捕獲、跟蹤技術研究的核心目標。其中，光束捕獲采用激光瞄準技術和粗/精跟蹤相獨立的體制，即粗跟蹤由大視場相機和伺服轉臺組成閉環，提供大范圍低頻帶伺服控制;精跟蹤由高幀頻相機和快速振鏡組成閉環，提供小范圍高頻帶伺服控制，從而有效抑制因光束大范圍運動和高頻率抖動引起的光束擾動。

(2)通信收發技術：空間激光通信技術需要激光器具有大調制帶寬、高發射功率和窄線寬等特點。具體來看，激光調制技術的調制方式可以分為直接調制和間接調制，由于直接調制方式使帶寬和發射功率受限，目前主要采用小功率種子激光源間接調制后通過高功率光纖放大器獲得高發射功率的方法進行調制;根據作用光束的參數不同(如強度、頻率、相位等)，可分為調幅、調頻和調相等不同調制方式，由于不同波長系統相應器件的差異，調制方式也有所差別。

目前空間激光通信技術采用的激光波長主要有800 nm、1000 nm和1550 nm 3個波段，其中800 nm波段的半導體激光器一般利用強度調制/直接檢測(IM/DD)，1000 nm波段的Nd:YAG固體激光器可采用各種調制方式，而1550 nm波段的半導體激光器與光纖通信系統兼容，可采用多種高速調制方式并利用摻鉺光纖放大器實現高速、高功率發射。

(3)大氣補償技術

當空間激光通信技術應用在星地、空空和空地等鏈路時，激光在穿越大氣層的過程中受大氣湍流影響，在傳輸時會出現接收功率抖動，導致系統出現誤碼，這在高速激光通信中更加明顯。為解決這一問題，采用高精度實時波前畸變校正技術是抑制大氣湍流對傳輸光束波前影響的有效方法，即通過哈特曼傳感器進行多孔徑波面探測，在一定程度上能夠矯正波前畸變。但該技術的主要難點在于激光到達角起伏補償、波面變形補償和空中飛行時附面層影響補償，可通過探測系統引入波前畸變補償鏡技術進行聯合校正。

(4)光機電設計技術

為減小自由空間的功率損耗，提高發射光學系統增益，需要通信光束以近衍射極限角發射。在保證發射光學口徑的基礎上，提高光束發射增益對光纖耦合技術、光束整形技術、望遠鏡面型設計提出了更嚴格的要求。為突破近衍射極限角發射的關鍵技術、發射激光源的整形準直技術和高效率光纖耦合技術，亟需通過激光技術的發展，研究光纖不同芯徑、束散角與光學系統匹配的優化選取方法。

對于光學基臺技術，要求對光學系統進行模塊化、輕量化設計，且能滿足未來空間激光通信網絡一點對多點動中通同時傳輸。與此同時，激光技術的廣泛應用促成了多行業的標準化，如基于激光技術的激光整形傳輸促成了元件的模塊化和標準化，降低了整機體積與成本。

參考來源：新華社新媒體。

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