激光通信技術在近空間飛行器中的應用

孫鶴，李佳興，余光輝，孫偉峰，于雙明

（中國人民解放軍61112部隊，黑龍江牡丹江157011）

激光通信技術在近空間飛行器中的應用

孫鶴，李佳興，余光輝，孫偉峰，于雙明

（中國人民解放軍61112部隊，黑龍江牡丹江157011）

針對近空間飛行器與地面終端的海量數(shù)據(jù)傳輸難題，提出了在近空間數(shù)據(jù)傳輸中采用大氣激光通信傳輸方式。通過分析激光通信的特點和優(yōu)勢，探討了利用激光通信實現(xiàn)近空間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，并對實現(xiàn)激光通信中需要解決的關鍵技術進行了重點分析。

激光通信；數(shù)據(jù)傳輸；大氣衰減

近空間飛行器特殊的空間位置，以及在未來戰(zhàn)場上的重要作用［1］，要求人們尋找和發(fā)展更高頻率、更大容量、結構簡單、隱蔽性更好的信息載體，以適應密集技術條件下的局部戰(zhàn)爭。而激光通信技術憑借其單色性好、方向性強、光功率集中、難以竊聽、成本低、安裝快等特點，引起各軍事強國的高度重視，業(yè)已成為空間通信的研究熱點。

近幾年國內外的激光通信技術日益成熟。美國、俄羅斯已經開發(fā)出了星載激光通信系統(tǒng)，日本和歐空局聯(lián)合研制的LCT于2005年實現(xiàn)了衛(wèi)星間的激光通信［2］，成為全球首次實現(xiàn)衛(wèi)星間雙向光學鏈路通信。國內長春理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等相關院校也先后開展了空地、星際及星地之間的激光通信研究［3］。其中，近空間飛行器作為衛(wèi)星和地面間的一個重要戰(zhàn)略平臺，有著相對安全的工作環(huán)境，若能使用激光通信技術，同衛(wèi)星和地面光通信站一起構成一個傳輸速度快、信息量大、保密性和抗干擾性好的光通信網(wǎng)絡，則將在情報收集、偵察監(jiān)視、通信保障以及對空對地作戰(zhàn)等方面發(fā)揮巨大作用。

1 大氣激光通信的特點

目前，近空間飛行器大都采用C、X、Ka等頻段進行微波通信，而這些頻段的微波波長都長于比激光波長，空間定向性和相干性都不如激光。再加上激光的信息容量大，激光設備的功耗、體積小等優(yōu)勢［4］，非常適用于對質量和體積都要求很高的近空間飛行器。

第一，頻率高、容量大。激光頻率數(shù)量級為1014 Hz，當前的主流微波頻段X頻率也只有109 Hz，因此，用激光作為信息載體可以產生更大的頻帶利用率。如果能將在微波中使用比較成熟的頻分復用技術應用在激光通信中，必然會成倍的增加激光通信的信息容量，完全滿足當前互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的應用需求。

第二，功耗低、體積小。激光波束窄，定向性非常高，能保證發(fā)射能力高度集中。在傳輸距離一定的情況下，相比于微波通信，發(fā)射激光所需能耗要小于微波發(fā)射能耗，從而降低了飛行器上發(fā)射設備的整體能耗。對于通信系統(tǒng)來說，發(fā)射功率的大幅降低，意味著整體耗能的降低，飛行器整體的供電系統(tǒng)可以得到更好的優(yōu)化。同時，高定向性的激光還可以使飛行器擺脫以往的微波天線，轉而使用更小巧的激光發(fā)射天線，進而使得飛行器整體的質量和體積變小。

第三，抗干擾、保密強。作為承擔獲取戰(zhàn)場信息重要任務的近空間飛行器，必須具備抗干擾、高保密性的通信能力。較之微波，激光波束發(fā)散角僅為10mrad，不易被截獲。又由于激光通信容量大，時間短，其保密性和安全性高于微波通信，是非常理想的軍事通信載體。

第四，抗打擊、適應快。由于激光通信的發(fā)射、接收系統(tǒng)構造簡單、體積小，可以在各種環(huán)境、各類氣候條件下，方便、快速地建立通信鏈路，因此，其抗打擊能力和快速適應能力都非常強，特別適合高速、機動的通信要求。

通過分析比較大氣激光通信與微波通信，可以清楚地看出，大氣激光通信的特點和優(yōu)勢，在近空間飛行器的通信系統(tǒng)上非常實用，也非常適用于軍事領域。

2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

2.1 大氣激光通信傳輸原理

大氣激光通信作為激光通信的一種，是以大氣作為傳輸介質，以激光為傳輸載波的光通信［5］。其通信原理與微波通信原理相似，區(qū)別僅僅是信息載體不同。圖1所示為大氣激光通信的原理框圖。

近空間飛行器獲取的數(shù)據(jù)轉換成電信號后，經過調制，加載到由功率驅動電路驅動激光器產生的激光上，然后通過光學發(fā)射系統(tǒng)將載有信號的激光發(fā)射出去。在接收端，同樣通過光學接收系統(tǒng)對激光信號進行捕獲，并利用光電探測器，將收集到的光信號轉換為電信號，進行放大、濾波等處理，然后采用各類電信號處理方法，如閾值探測，檢測有用信號并進行解調，最后采用帶通濾波濾除高、低分量，還原出原始信號［6］。

圖1 大氣激光通信的原理框圖Fig.1 The principle diagram of the atmospheric laser communicationp

2.2 空間及地面設備要求

由大氣激光通信原理圖可以看出，只要滿足隔離度要求，大氣激光通信具備實現(xiàn)雙工通信的條件，這與微波通信相同。因此，不論是飛行器上的空間設備，還是地面設備，都應該使用隔離度較高的精密光機組件和收、發(fā)一體天線。此外，為滿足中繼要求，空間設備應該具備多方向同時通信能力，既能完成與地面通信，又可以實現(xiàn)飛行器之間的通信。而地面設備在質量和體積上應盡量輕便、小巧，具備較強的機動性，便于快速展開和收藏，在功能上應該具備對空間設備的天線轉向、發(fā)射功率等進行控制的能力。

2.3 通信鏈路

大氣激光通信系統(tǒng)無須鋪設光纖，無須頻率申請，所以其通信鏈路易于建立。而過去常用的上行、下行鏈路概念已不適用大氣激光通信系統(tǒng)，因而另定義了兩個術語：

前向鏈路：指地面基站——其他近空間飛行器——目標近空間飛行器的通信；

返向鏈路：指目標近空間飛行器——其他近空間飛行器——地面基站的通信。

前向鏈路指地面基站通過適合的近空間飛行器中繼，將遙控信號傳送給目標近空間飛行器；返向鏈路指目標近空間飛行器通過適合的近空間飛行器中繼，將數(shù)據(jù)信息傳送回地面基站。其中近空間飛行器與地面基站間的通信鏈路是整條鏈路里的關鍵環(huán)節(jié)。

3 大氣激光通信中的關鍵技術

3.1 大氣傳輸技術

大氣成分復雜，各類氣體分子的“反射”、“散射”、“吸收”，對任何形式的通信技術都有很大影響，激光通信也不例外。因此，必須采取適當措施克服大氣對激光的影響，才能在近空間飛行器上實現(xiàn)激光通信。

3.1.1 選擇合適的激光器

首先，要選擇合適的高功率激光器。大功率，調制速率高的激光器才可以滿足大氣激光通信傳輸距離長，空間衰減快等特點。同時，又要保證其體積、重量適用于近空間飛行器的實際應用。目前已有的CO2激光器、二極管激光器、Nd:YAG激光器都是基本符合要求的激光器。

其次，選擇合適波長的激光器。有部分被稱為“大氣窗口”的波長，波長較長，不易被大氣吸收，在大氣中的穿透能力較好。所以選擇產生此類波長的激光器，可以保證大氣激光通信的通信質量。

3.1.2 降低噪聲

與增加信號功率相對應的，是降低噪聲。在空間信道一定的情況下，鏈路的隨機噪聲可以預計，但無法改變。只能通過提高光電探測器的靈敏度來降低設備自身產生的噪聲，這也是激光通信在大氣中可以應用的重要保證之一。現(xiàn)有的雪崩光電二極管最小可探測功率約為1×10-9W，而最新實驗的光電二極管探測靈敏度可以高出其幾個數(shù)量級。

3.1.3 提高濾光片的光學性能

激光在大氣傳輸中，其接收系統(tǒng)必須具備排除太陽光及其他外界光源等雜光的能力，否則，激光波束就會被大氣空間的背景輻射淹沒，無法分辨信號與噪聲。因此，應在近空間飛行器的接收天線中加裝有良好光學性能的窄通濾光片，它可以選擇接收激光波長而阻擋其他光線的波長，從而保證接收信號的準確性。

3.1.4 部署近空間中繼飛行器

影響激光強度，導致大氣衰減的主要物質水、霧、雪等，大都集中在大氣的對流層，而近空間飛行器活動空間在平流層和中間層，那里距地面20km，空氣稀薄，影響激光傳輸?shù)乃魵夂蛪m埃都很少，對激光傳輸?shù)挠绊懞苄?。所以，近空間飛行器間的激光傳輸有良好的通信環(huán)境。正是利用這一點，部署近空間中繼飛行器，使信息在近空間各飛行器間共享，然后選擇大氣條件最好的位置下傳信號，也可以大大降低大氣衰減對激光傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3.2 捕獲、跟蹤和瞄準技術

近空間飛行器的大氣激光通信，既包括與地面基站的通信，也包括飛行器間的通信。與地面基站的通信，只要克服大氣衰減的影響，其捕獲、跟蹤和瞄準技術相對成熟，易于實現(xiàn)。而飛行器之間的激光通信，雖然避開了大氣光信道不穩(wěn)定性的影響，但收、發(fā)天線間存在相對運動，以及近空間飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)誤差、騰空浮動和振動等誤差的存在，使得飛行器之間的相互捕獲、跟蹤和瞄準就存在很大難度。

借鑒地面基站對飛行器進行捕獲、跟蹤和瞄準的方式，飛行器之間也采用粗、精兩種跟蹤方式。粗跟蹤方式采用相對較寬，以mrad為單位的接收視場角，并配以透射率良好、窄帶寬的光學濾波器來抑制空間背景輻射功率，確保能準確捕獲到發(fā)射波束。精跟蹤以粗跟蹤為反饋回路，通過相應的電子伺服系統(tǒng)，控制高靈敏度位置傳感器，將接收視場角降低到幾百μrad，進而實現(xiàn)飛行器間實時跟蹤、穩(wěn)定瞄準。

4 結語

目前，大氣激光通信技術在近空間的應用還處于研究、試驗階段，沒有應用的實例，但自從20世紀80年代末90年代初，美國和俄羅斯相繼實驗成功適用于特殊戰(zhàn)爭和低強度戰(zhàn)爭需要的大氣激光通信系統(tǒng)，就意味著空間的激光通信技術已經突破技術壁壘，進入實用階段。同時，隨著大功率連續(xù)波激光器的出現(xiàn)，以及自適應變焦技術、光波窄帶濾波技術、光源穩(wěn)頻技術、信號壓縮編碼技術、光學天線設計制作和安裝校準等技術的實用化［7］，在近空間飛行器上應用大氣激光通信技術的條件已經成熟，而大氣激光通信技術也勢必在國防軍事和民用生產中發(fā)揮重要作用。

［1］尹志忠，李強.近空間飛行器及其軍事應用分析［J］.裝備指揮技術學院學報，2006，（05）：64-68．

［2］吳從均，顏昌翔，高志良.空間激光通信發(fā)展概述［J］.中國光學，2013，6（5）：670-680．

［3］付強，姜會林，王曉曼，等.空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國光學，2012，5（2）：116-125.

［4］李靜，趙樹波.空間激光通信研究綜述［J］.電子測試，2013，（03-04）：80-83.

［5］王海先.大氣中激光通信技術［J］.紅外與激光工程，2001，30（2）：123-127.

［6］官鷺.無線激光通信大氣信道研究［D］.武漢：華中科技大學，2007．

［7］陳曉艷.基于激光通信的圖像傳輸系統(tǒng)采集技術的研究［D］.南京：南京理工大學，2005．

The Application of Laser Communication Technology In Near Space Aerocraft

SUNHe,LI Jia-xing,YUGuang-hui,SUNWei-feng YUShuang-ming
（Unit of61112 PLA,Mudanjiang157011,China）

In view of the problem about huge data transmission between near space aerocraft and the ground terminal，This paper proposes a technology of the atmospheric laser communication.Through the analysis of the technical advantages of laser communication,the feasibility of atmospheric laser communication to achieve data transmission is discussed in near space,and the key technologies to realize atmospheric laser communication are stated.

Laser communication;The data transfer;Atmospheric attenuation

TN929.1

A

1674-8646（2015）11-0012-03

2015-09-16

孫鶴（1982-），男，吉林蛟河人，工程碩士，工程師，主要從事衛(wèi)星通信方面的研究。