張雅琳,安巖,2,姜會林,2,王超,2,江倫,2,胡源,董科研,戰(zhàn)俊彤,韓龍

(1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林長春130022;2.長春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所,吉林長春130022)

空間激光通信一點對多點光學(xué)原理與方法的比較研究

張雅琳1,安巖1,2,姜會林1,2,王超1,2,江倫1,2,胡源1,董科研1,戰(zhàn)俊彤1,韓龍1

(1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院,吉林長春130022;2.長春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所,吉林長春130022)

一點對多點的激光通信技術(shù)是構(gòu)建天空地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點,也是實現(xiàn)多衛(wèi)星間組網(wǎng)鏈路通信的一個必要前提。將空間激光通信一點對多點光學(xué)原理與方法進行了比較和研究,并針對三同心球結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu),在其視場和能量利用率上面進行了分析。分析結(jié)果表明:三同心球結(jié)構(gòu)視場可以達到水平和俯仰均為120°,旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的視場可以達到水平360°,俯仰100°;三同心球結(jié)構(gòu)隨著視場的增大,能量利用率迅速下降;而在同等體積情況下,旋轉(zhuǎn)拋物面的能量利用率在80°范圍內(nèi)比三同心球結(jié)構(gòu)更高且更穩(wěn)定。

光學(xué);激光通信;一點對多點;光學(xué)原理

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.024

0 引言

空間激光通信因其帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗干擾保密性好等優(yōu)點而登上歷史的舞臺。特別是在軍事領(lǐng)域,迫切需要將海量原始數(shù)據(jù)以高速率從偵察平臺直接傳輸或中繼傳輸至指控終端,而對于大容量、高速率通信技術(shù)的需求更是非常強烈。目前激光通信的發(fā)展趨勢為:一則寬,即帶寬越來越寬;二則廣,即多點通信組建信息網(wǎng)絡(luò)。隨著空間激光通信系統(tǒng)性能不斷提高,空間激光通信逐漸從當(dāng)前的點對點單一模式,向中繼轉(zhuǎn)發(fā)和構(gòu)建空間激光通信網(wǎng)絡(luò)方向快速發(fā)展[1-5]。激光通信組網(wǎng)技術(shù)是未來激光通信中重要的發(fā)展方向。國際上關(guān)于激光通信“一點對多點"(以下簡稱一對多)的研究主要有:日本關(guān)于激光與微波通信的組網(wǎng)研究,美國的TSAT組網(wǎng),美國朗訊公司和Tearbeam公司分別提出一個關(guān)于一對多通信系統(tǒng)的專利。國內(nèi)長春理工大學(xué)提出以旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)以及三同心球結(jié)構(gòu)。本文在通過對國內(nèi)外通信組網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)調(diào)研基礎(chǔ)上,對一對多光學(xué)原理及方法進行了系統(tǒng)的分類,主要包括原理簡捷型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[6-7]、交換分發(fā)型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[8-10]、射頻激光結(jié)合型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、視場擴大型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[11-13]和大視場通信型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[14-16]。

1 空間激光通信一對多光學(xué)原理與方法

1.1 原理簡捷型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

簡捷型空間激光通信組網(wǎng)具體可以分為兩種類型:一類為多光端機共基礎(chǔ)型,另一類是多分光鏡疊加型,由于其原理簡單,因此稱為原理簡捷型。

1.1.1 多光端機共基礎(chǔ)型

多光端機共基礎(chǔ)型是在單個光端機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,利用多個光端機組合,實現(xiàn)一對多的激光通信。每個光端機單元均由光學(xué)天線、APT系統(tǒng)、通信收發(fā)系統(tǒng)組成,其供電系統(tǒng)和環(huán)境適應(yīng)性裝置等為共用部分,如圖1所示。

每個光端機分別負責(zé)對準(zhǔn)各自的信號源,即兩個光端機的疊加實現(xiàn)了系統(tǒng)的“一對二"通信。然而,每臺光端機重量十分大,每多增加一路通信,重量多增加一倍,再加上共用的電子學(xué)通信收發(fā)系統(tǒng)的重量,總重就已經(jīng)超過100 kg.由于重量和體積比較大,因此僅可以用于“一對二"或“一對三"中,可用于大平臺激光通信,如車載、船載激光通信等。

1.1.2 多分光鏡疊加型

多分光鏡疊加型只保留一個光端機,并在該光端機光學(xué)天線的前部增加多個不同角度的分光鏡,通過多個分光鏡不同角度的放置,如圖2所示,以實現(xiàn)不同方位的空間激光通信組網(wǎng)。

圖1 多光端機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multiple optical transmitter and receiver

圖2 多分光鏡結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multiple beamsplitter structure

其中,分光鏡代替了多光端機,每一個分光鏡都是“一對一"的。雖然多分光鏡結(jié)構(gòu)的體積、重量相比于多光端機結(jié)構(gòu)均有一定的下降,可使用的通信數(shù)量也有一定的增長,但也僅可以用到“一對三"或“一對四",數(shù)量再增加,能量的利用和分光鏡膜系的鍍制都是很難實現(xiàn)的。因此,多分光鏡結(jié)構(gòu)可以用于大平臺的空間激光通信,但要在衛(wèi)星上使用仍是十分困難的。

1.2 交換分發(fā)型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

空間激光通信非實時方面,可以分為光交換結(jié)構(gòu)和光分發(fā)結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為交換分發(fā)型。

1.2.1 光交換結(jié)構(gòu)

光交換技術(shù)是利用動態(tài)路由和波長分配原則,通過光交叉連接器和光分差復(fù)用器,實現(xiàn)光路層面上多點的波長轉(zhuǎn)換通信,其本質(zhì)上是光域內(nèi)面向連接的電交換。它利用動態(tài)路由和波長分配原則,通過波長轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)空閑波段的充分利用,避免了波長競爭問題,提高了通信波長的利用率,如圖3所示。光交換技術(shù)的優(yōu)點主要有網(wǎng)絡(luò)可擴展,最優(yōu)分配資源;其缺點主要是沒有捕獲、對準(zhǔn)和跟蹤(APT)、靈活性差。

圖3 光交換結(jié)構(gòu)基本單元示意圖Fig.3 Basic element of optical conversion structure

1.2.2 光分發(fā)結(jié)構(gòu)

光分發(fā)技術(shù)是采用樹型、線型、星型或環(huán)型等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)主從終端之間的分時、分速率、分流量的多目標(biāo)通信。如圖4所示。光分發(fā)技術(shù)的優(yōu)點主要有網(wǎng)絡(luò)可擴展、時序性管理、可控制性好等;缺點主要有波長獨占等。光分發(fā)技術(shù)可實現(xiàn)組網(wǎng)鏈路中的非實時通信、“一對多"目標(biāo)的場景通信。

圖4 采用光分發(fā)方式的無線光通信網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Schematic diagram of optical communication network with optical distribution

1.3 射頻激光結(jié)合型

射頻激光結(jié)合型是將射頻微波通信和空間激光通信集合起來,針對不同的通信條件和通信要求,采用相應(yīng)的通信手段,實現(xiàn)各個領(lǐng)域內(nèi)的無盲點通信。國際上多個國家已經(jīng)將其列入研究計劃,主要代表是日本和美國。

1.3.1 雙層低軌道全球通信組網(wǎng)方案

日本關(guān)于激光與微波通信的組網(wǎng)研究中,提出了雙層低軌道全球通信組網(wǎng)方案,并具體論證了700 km和2 000 km兩套低空衛(wèi)星系統(tǒng)的可行性。衛(wèi)星間、衛(wèi)星與地面站之間,采用上層衛(wèi)星的空間激光通信進行信息傳輸;地面站與移動用戶(個人移動通信),采用下層衛(wèi)星的微波通信。日本的雙層低軌道全球通信組網(wǎng)方案,雙低軌組合優(yōu)勢互補、覆蓋范圍廣、激光和微波手段復(fù)合。但是雙軌道實施難度較大、結(jié)構(gòu)實施復(fù)雜、沒有提出技術(shù)層面激光多點通信具體方案。

1.3.2 TSAT組網(wǎng)

美國的TSAT組網(wǎng)擬于2016年實施,其目的可以提供面向全球部隊提供高帶寬的信息通信能力。預(yù)計達到的通信速率為10～40 Gbit/s.美國的TSAT組網(wǎng)計劃,通信速率快、帶寬較高、覆蓋范圍大、各種通信手段互補?？捎糜谛堑赝ㄐ拧⑿切峭ㄐ拧⑿谴ㄐ诺?可提供面向全球部隊提供高帶寬的信息通信能力。

1.4 視場擴大型

視場擴大型是基于傳統(tǒng)光端機視場而言,在反射式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用了大像面形式實現(xiàn)多點組網(wǎng)通信功能。主要代表結(jié)構(gòu)有兩種,一種是光纖陣列結(jié)構(gòu),另一種是多發(fā)多收結(jié)構(gòu)。

1.4.1 光纖陣列結(jié)構(gòu)

美國朗訊公司提出了一種視場擴大型一對多組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計[13],如圖5所示。采用R-C望遠鏡結(jié)構(gòu)形式,在焦平面處放置N×N的光纖陣列,每一個光纖放置在接收望遠鏡不同的焦面上,實現(xiàn)單個光學(xué)望遠鏡的一對多空間激光通信。這樣提供了更大的焦平面,并為發(fā)射器和接收器提供自動對準(zhǔn)。

1.4.2 多發(fā)多收結(jié)構(gòu)

美國Tearbeam公司提出一種自由空間一對多光通信系統(tǒng)[12],如圖6所示。當(dāng)光輸入端240耦合到光源210時,光輸入端終端241直接指向光源經(jīng)反射元件表面反射的光,指向反射元件表面的光260被反射到遠距離處的用戶端設(shè)備130,通過調(diào)節(jié)節(jié)點單元250的位置提供了一種追蹤移動遠距離的技術(shù),并可同時利用光接收機520進行接收,從而實現(xiàn)“一對多"通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

視場擴大型中的光纖陣列結(jié)構(gòu)視場雖有所擴大,但由于卡式系統(tǒng)的局限以及光纖數(shù)值孔徑的限制,視場仍然較小,雜散光較為嚴重,收發(fā)器件排布也較為困難。多發(fā)多收結(jié)構(gòu)視場也有所擴大,但是視場擴大仍然有限,APT系統(tǒng)跟蹤也較難實現(xiàn)。這兩種是關(guān)于激光通信組網(wǎng)具體系統(tǒng)初步的構(gòu)想,可用于小視場范圍內(nèi)的空間激光組網(wǎng)通信,但在應(yīng)用性和實施性上存在上述難點,有待于進一步去突破與改進。

圖5 光纖陣列型結(jié)構(gòu)Fig.5 Fiber-optic array structure

圖6 自由空間一對多激光通信示意圖Fig.6 Schematic diagram of free space multi-point laser communication

1.5 大視場通信型

大視場通信型包括三同心球結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)。由于二者均有比較大的視場,因此稱為大視場通信型。

1.5.1 三同心球結(jié)構(gòu)

基于三同心球結(jié)構(gòu)的透鏡式特種光學(xué)天線如圖7所示,該種天線形式的水平視場角和俯仰方向視場角可做到120°.

天線在系統(tǒng)跟蹤軌道像面相應(yīng)的位置放置單元收發(fā)終端,可對多個目標(biāo)進行通信接收及發(fā)射,當(dāng)目標(biāo)移出該分系統(tǒng)管轄的區(qū)域邊緣到達另一區(qū)域時,另一區(qū)域的分系統(tǒng)滑動至該處“接管"對通信目標(biāo)的跟蹤和瞄準(zhǔn)任務(wù)。

三同心球結(jié)構(gòu)的裝置,省去了復(fù)雜的跟蹤瞄準(zhǔn)的過程。該裝置為空間激光通信組網(wǎng)提供了一個簡單便捷的方法,可實現(xiàn)規(guī)定跟蹤像面軌道的多點空間激光通信。三同心球結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,體積質(zhì)量輕小型化,適用于短距離,要求靈活機動的激光網(wǎng)絡(luò)。

圖7 三同心球結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Three-concentric sphere structure

1.5.2 旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)

另一種特種天線結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu),是以反射式旋轉(zhuǎn)拋物面為基礎(chǔ)面型。如圖8所示,通信目標(biāo)A和通信目標(biāo)B分別從兩個不同的方向指向拋物線曲面焦點入射到特種光學(xué)天線上,反射光線平行于旋轉(zhuǎn)拋物面軸線出射,進入后續(xù)的子光路中。這種反射式旋轉(zhuǎn)拋物面可以實現(xiàn)水平通信范圍360°,俯仰通信范圍可以實現(xiàn)100°的通信范圍。

圖8 旋轉(zhuǎn)拋物面一對多激光通信光學(xué)系統(tǒng)簡圖Fig.8 Schematic diagram of multi-point laser communication system with rotating paraboloid structure

旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的方案通信范圍廣,結(jié)構(gòu)簡單,可利用口徑和能量均比三同心球結(jié)構(gòu)大,通信距離較遠,也可以實現(xiàn)多點雙工同時通信?？捎糜陲w機、飛艇和衛(wèi)星平臺間激光通信組網(wǎng),實現(xiàn)“一對多"目標(biāo)的同時激光通信。

2 比較分析

交換分發(fā)型和射頻激光結(jié)合型均屬于通信網(wǎng)絡(luò)層面。而原理簡捷型、視場擴大型和大視場通信型均屬于通信物理層面上,由于原理簡捷型屬于全口徑接收,而視場擴大型屬于概念型設(shè)計,因此本節(jié)均不做討論。本節(jié)主要針對大視場通信型重點分析在視場與能量利用率上面的差異。

2.1 視場分析

三同心球系統(tǒng)屬于大視場光學(xué)系統(tǒng),對于大視場光學(xué)系統(tǒng),邊緣點的光照度為:E＇m≈E＇Acos4ω,當(dāng)視場角很大時,邊緣光照度降低相當(dāng)嚴重。當(dāng)視場增大到ω=60°的時候,光照度已經(jīng)下降到歸一化的0.06了,能量損失嚴重。邊緣能量低是限制三同心球視場的一個因素,另一個因素是由于三同心球系統(tǒng)的像面限制了其視場的大小。根據(jù)實際應(yīng)用,使三同心球系統(tǒng)的視場做到約為2ω=120°,由于三同心球子午面與弧矢面完全對稱,因此三同心球方位角與俯仰角均為120°.

對于旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng),設(shè)拋物線方程為χ2= 4py,p為拋物線方程系數(shù),則其視場即通信范圍如圖9所示。

通信范圍為

當(dāng)拋物線方程χ2=4py中p確定時,χ0、χ1為兩個定量,可根據(jù)上式求出旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng)的通信范圍角,如圖10所示。

圖9 拋物面通信范圍示意圖Fig.9 The communication range of paraboloid

圖10 通信角度隨p值變化曲線Fig.10 The relationship between communication range and paraboloid coefficient

從圖10中可以看出,最大通信角度約為120°,此時p=27.40.根據(jù)實際應(yīng)用,若p值取為較為合理的值,通信范圍約為100°左右。因此對于旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng),其通信范圍其俯仰方向可以達到100°左右。由于旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng)為旋轉(zhuǎn)對稱系統(tǒng),因此方位角可以到達360°.

三同心球系統(tǒng)的視場相對于旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng)而言,顯得略微有些局限。但如果所需視場不需要過大的情況下,三同心球結(jié)構(gòu)的簡捷就會很占優(yōu)勢。旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng)的方位角360°是三同心球所不能相比的,但俯仰角卻要小一點。

2.2 能量利用率分析

對于三同心球系統(tǒng),是由3個同心的球面組成的光學(xué)系統(tǒng),孔徑光闌位于球心處。如下,系統(tǒng)光闌口徑40 mm,視場160°,光學(xué)體積為200 mm×360 mm× 200 mm(與后者旋轉(zhuǎn)拋物面型的體積大小相對一致)。不同視場下的光束口徑遮攔是影響通信質(zhì)量的最大因素,可用漸暈系數(shù)表征其影響程度。對不同視場下入射光束口徑的直徑進行采樣。如表1所示。

表1 三同心球系統(tǒng)能量率用率Tab.1 Energy efficiency of three-concentric sphere structure

表1中,漸暈系數(shù)為子午截面光束寬度與軸向中心光束寬度之比。會聚能量利用率與總能量利用率可由下式得出:

隨著視場角的增大,軸外視場的光束口徑越來越小,能量利用率越來越低,以至于邊緣視場能量利用率非常低。對于旋轉(zhuǎn)拋物面系統(tǒng),能量利用率的主要影響來自于組成拋物面結(jié)構(gòu)的單個反射鏡有效口徑。不同視場下對應(yīng)的有效光束口徑面積會不同,視場范圍的有效光束口徑效率為單片反射鏡投影面積Sm與天線總面積Sa的比值,即

在下面實例中,光學(xué)天線的口徑為φ=200 mm,高度H=200 mm,分m=2層,每層n=9塊反射鏡,則每塊反射鏡的寬度為d=πφ/n、高度為h=H/m.代入到上式中可以得出:η=πcos θ/nm.由于反射鏡的投影角度不可以成90°或0°,因此設(shè)反射鏡的投影角度變化范圍為10°～80°.其中,由于使用的是反射鏡,表面的吸收忽略不計,因此會聚能量利用率約為100%.同時,采用兩個反射鏡面聯(lián)合同時對一顆衛(wèi)星通信的體制,相鄰多反射鏡協(xié)助的方法,即相鄰兩個反射鏡的入射轉(zhuǎn)角相同,入射到后續(xù)子光路的光束口徑會增大一倍,能量相應(yīng)增大一倍,能量利用率的計算結(jié)果如表2。

表2 旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)能量利用率Tab.2 Energy efficiency of rotating paraboloid structure

總能量利用率=會聚能量利用率×光束口徑效率。

可見,相比于同等體積大小的三同心球結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)拋物面的能量利用率更高。在俯仰80°范圍內(nèi)能量利用率都保持在30%左右,雖然能量利用率仍然不高,但是比前者要穩(wěn)定許多。然而旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的天線對于APT控制難度非常大,針對這一點,三同心球結(jié)構(gòu)就更勝一籌。

綜上所述,三同心球系統(tǒng)在水平方向和俯仰方向的視場可以達到120°左右,但隨著視場的增大,能量利用率迅速下降,邊緣視場能量利用率較低;旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的水平視場可以達到360°,俯仰方向100°,相比于三同心球系統(tǒng),能量利用率更加穩(wěn)定,而且在同等體積下可以獲得更大的接收能量。然而旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的能量利用率卻沒有達到一個峰值,因此提高能量利用率仍然是一個重要的問題。二者對比如表3所示。

表3 三同心球結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)比較Tab.3 Differences between three-concentric sphere structure and rotating paraboloid structure

3 總結(jié)

本文介紹了目前國內(nèi)外激光通信“一對多"現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀,并按不同原理進行了分類,主要包括原理簡捷型、交換分發(fā)型、射頻激光結(jié)合型、視場擴大型和大視場通信型。其中重點分析了三同心球結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的視場及能量利用率。分析結(jié)果表明:三同心球結(jié)構(gòu)可以達到水平俯仰均120°左右,但是大視場情況下的有效光束口徑變小,能量利用率迅速減小;旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)的水平視場可以達到360°,俯仰方向100°,并且在俯仰方向80°之內(nèi)能量利用率趨于穩(wěn)定。然而雖然旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)利用率穩(wěn)定,但是利用率沒有達到最高值,且需要復(fù)雜的APT系統(tǒng),而三同心球系統(tǒng)則不需要復(fù)雜的APT系統(tǒng),在像面位置進行定標(biāo),便可以實現(xiàn)多光端機系統(tǒng)的跟蹤和捕獲。本文中的不同光學(xué)系統(tǒng)有各自的優(yōu)勢,為空間激光“一對多"通信原理提供了設(shè)計基礎(chǔ)理論。

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A Comparative Research on Optical Principles and Methods of One-point-to-multi-point Space Laser Communication

ZHANG Ya-lin1,AN Yan1,2,JIANG Hui-lin1,2,WANG Chao1,2,JIANG Lun1,2,HU Yuan1,DONG Ke-yan1,ZHAN Jun-tong1,HAN Long1
(1.School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,Jilin,China; 2.Space Opto-Electronic Technology Institute,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,Jilin,China)

One-point-to-multi-point laser communication is the key to establish an integrated spaceground information network system,and also is the necessary prerequisite of realizing the inter-satellite communication link.The optical principles and methods of one-point-to-multi-point laser communication are comparied and researched.The fields of view and energy efficiencies of three-concentric sphere structure and rotating parabolic structure are analyzed.The result shows that the horizontal and vertical fields of view of the three-concentric sphere structure are 120°,and the horizontal and vertical fields of view of the rotating parabolic structure are 360°and 100°,respectively.With the increase in the field of view,the energy efficiency of three-concentric sphere structure decreases rapidly.However,the energy efficiency of the rotating parabolic structure is more stable than that of the three-concentric sphere structure in the range of 80°.

optics;laser communication;one-point-to-multi-point;optical principle

TN929.1

A

1000-1093(2016)01-0165-07

2015-03-03

國家自然科學(xué)基金項目(91338116);兵器預(yù)先研究支撐基金項目(62201070152);長春市科技局計劃項目(14DR003)

張雅琳(1987—),女,博士研究生。E-mail:yalinjs@163.com;安巖(1986—),男,講師,博士。E-mail:anyan_7@163.com;姜會林(1945—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:hljiang@cust.edu.cn