分析衛星光通信中高斯光束特性對其的影響

摘要：本文詳細分析了高斯光束的特性，結合其在衛星通信方面的具體作用，研究了其各方面的特性對衛星通信的影響。最后，結合實際，提出了簡要的整改方法，為衛星通信的改進提供參考。

關鍵詞：高斯光束 衛星光通信 特性影響

高斯光束是由激光諧振腔激發的一種橫截面的振幅分布遵守高斯函數的基模輻射場，它的光束帶有激光的大部分特性，所以經常應用于通信和測量。而在通信方面，光通信比微波通信更加具有優勢，因為它通信的信息量大、設備儀器小巧、具有更強的抗干擾能力。隨著航天技術不斷發展，光通信的優點將逐步的凸顯出來，所以在未來，光通信將在通信中占有主要的地位。

1、高斯光束的特性

1.1 準直性

高斯光束能成為光通信的重要工具，其準直性是功不可沒的。高斯光束在光通信中一般是傳遞地面的信息到太空，通過衛星將信息光束反射給地面其它的接收儀器，通過這種方法，可以大大節省信息傳遞的時間和通訊所花費的成本。太空中廣袤無垠，要想準確的將一道光束照射到體積并不大的衛星上，是十分困難的事情。所以，高斯光束因其良好的準直性成為了一個優秀承載、傳遞信息的工具。高斯光束的“準”指的是其具有很短的波長和較大的頻率，在均勻的介質中可以按照一條直線傳播，即可以準確的命中目標。“直”是指高斯光束在一般均勻的介質中的傳播方向是一條直線，只要介質的密度不發生改變，那么它就會一直沿著直線傳播下去。所以，在衛星光通信選擇傳播途徑時，準直性是一重要的標準。

1.2 高亮度性

高斯光束和大部分光一樣，都是由原子的電子受到外界因素的激發，從高能級向低能級躍遷而輻射出光子的過程，輻射出的光子就是我們通常見到的光。而高斯光束的光是一種特殊狀態下由弱光激發出的強光，因為具有很高的頻率，所以蘊含的能量也十分大，因此其亮度比太陽還要高。所以在太空中，用高斯光束來傳遞信息將避免太陽光的干擾，可以一直穩定不斷的傳遞信息。而且，在光束的傳播過程中，由于其具有很高的能量，就不會出現光束在傳播時能量過度損耗，導致信息缺失、中斷的情況。高斯光束超強的亮度，使它在各個領域中都得到了廣泛的運用。

1.3 高單色性

一直以來，我們見到的高斯光束都是以單色光的形式出現的。高斯光束的光線之所以呈單色出現，是因為其波長的分布范圍很小（范圍可以窄到2×10^-9nm），甚至可以忽略。普通光線，因為不是一種波長的光線組成的，所以無法像激光與高斯光束那樣聚集成一點。拿我們可見的太陽光來說，它在光的色散時會分解成七種不同顏色的單色光，而且這幾種光的波長和頻率各不相同，所以太陽光不太能聚集，更加不能運用到一些特殊的領域。高斯光束則因其具有很高的單色性，能運用于更多的領域。

1.4 高相干性

光在傳播過程中一般都會受到其它因素的影響，例如：其它光、介質的密度、溫度的變化等，而通信需要的是穩定性和準確性，當傳播途徑都無法滿足這些條件時，就無法保證正常的通信。所以，在衛星的光通信選擇傳播途徑時，一定要考慮到相干性問題。傳統的微波通信，一直以來都受到極大的限制，因為它不具備良好的相干性，當受到其它微波的干擾時，就無法正常的傳遞信息。例如當電話旁邊是電機線圈時，我們在電話中聽到的聲音就會不清晰，從而造成通信無法進行。一般的光線不能作為衛星的通信途徑，主要是因為其波長太大和波長的波動范圍太廣，一旦受到外界的一點干擾，都會發生不可逆的改變，導致信息的丟失。高斯光線在相干性方面具有很大的優勢，因為它的頻率單一，波長自然也是沒有較大的變化，而且它的頻率又高，從而使它的波長相應的變得很小（是氪燈發射的紅光波長分布范圍的萬分之二），所以它不容易受其它光線的干擾。在作為衛星通信的途徑時，它就具有更大的優勢，也可以保證通信的穩定。

2、因特性產生的相關問題

2.1 技術難度高

在準直性方面，由于傳播的范圍較大，而作為中介的衛星在廣闊的宇宙中十分微小，所以要想將光束準確的照射到衛星上，就有很大的技術難度。再者，大氣層是由低到高逐漸變得稀薄的，所以光線在其中的傳播途徑就無法保持直線，要想準確的將光束照射到衛星上，就需要相關技術的支持。高斯光束所帶的能量很大，要想在其中加入信息，本身都是一大技術難題，再加上它傳播的距離過遠，強度就要增加很多，所帶能量也會跟著呈幾何倍數增加，要想控制就更加難了。其它特性也需要相關的設備和技術支持才能穩定的進行信息的傳輸。

2.2 存在不穩定因素

高斯光束在衛星的光通信中，需要從地面經大氣層直接照射到太空中的衛星上，在傳播的途徑中會有許多的不穩定因素，這些因素會直接影響光束傳播的穩定。比如在下雨天，天空中聚集了大量的烏云，這樣就會改變光束傳播介質的密度，致使光束不能按照原有的路徑傳播。所以就需要重新規劃路徑，即消耗了時間，也無法保證信息的準確傳遞。太空中存在著很多的不穩定因素也會影響光束的傳播，就比如太空垃圾、太陽風暴等，要避免這些不穩定因素還需要不斷的研究、實踐。

3、簡單的解決方法

高斯光束很適合應用于衛星的光通信，它所存在的問題也是其它途徑普遍存在的問題。技術方面的問題需要不斷的借鑒國外先進技術，加強相關人才的培養和技術的研究、實踐。不穩定因素方面就可以加強對那些不穩定因素的監控和預測，提前將它們找出來，防止其影響信息的傳輸。

4、總結

高斯光束是未來衛星通信的一大重要途徑，只有不斷的完善其技術和設備，才能保障以后信息的通暢，完善就要從其特性著手。

參考文獻：

[1]陳云亮，馬晶，譚立英，王騏.高斯光束特性對衛星光通信的影響分析[A].中國激光.2004，31（z1）