激光通信技術(shù)在近空間飛行器中的應(yīng)用

孫鶴，李佳興，余光輝，孫偉峰，于雙明

（中國(guó)人民解放軍61112部隊(duì)，黑龍江牡丹江157011）

激光通信技術(shù)在近空間飛行器中的應(yīng)用

孫鶴，李佳興，余光輝，孫偉峰，于雙明

（中國(guó)人民解放軍61112部隊(duì)，黑龍江牡丹江157011）

針對(duì)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(guò)分析激光通信的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，探討了利用激光通信實(shí)現(xiàn)近空間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行裕?duì)實(shí)現(xiàn)激光通信中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)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(lái)戰(zhàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隱蔽性更好的信息載體，以適應(yīng)密集技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭(zhēng)。而激光通信技術(shù)憑借其單色性好、方向性強(qiáng)、光功率集中、難以竊聽、成本低、安裝快等特點(diǎn)，引起各軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視，業(yè)已成為空間通信的研究熱點(diǎn)。

近幾年國(guó)內(nèi)外的激光通信技術(shù)日益成熟。美國(guó)、俄羅斯已經(jīng)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(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星間的激光通信［2］，成為全球首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間雙向光學(xué)鏈路通信。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等相關(guān)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(gè)重要戰(zhàn)略平臺(tái)，有著相對(duì)安全的工作環(huán)境，若能使用激光通信技術(shù)，同衛(wèi)星和地面光通信站一起構(gòu)成一個(gè)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(luò)，則將在情報(bào)收集、偵察監(jiān)視、通信保障以及對(duì)空對(duì)地作戰(zhàn)等方面發(fā)揮巨大作用。

1 大氣激光通信的特點(diǎn)

目前，近空間飛行器大都采用C、X、Ka等頻段進(jìn)行微波通信，而這些頻段的微波波長(zhǎng)都長(zhǎng)于比激光波長(zhǎng)，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(shè)備的功耗、體積小等優(yōu)勢(shì)［4］，非常適用于對(duì)質(zhì)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(jí)為1014 Hz，當(dāng)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(chǎn)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(fù)用技術(shù)應(yīng)用在激光通信中，必然會(huì)成倍的增加激光通信的信息容量，完全滿足當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的應(yīng)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(shè)備的整體能耗。對(duì)于通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(shí)，高定向性的激光還可以使飛行器擺脫以往的微波天線，轉(zhuǎn)而使用更小巧的激光發(fā)射天線，進(jìn)而使得飛行器整體的質(zhì)量和體積變小。

第三，抗干擾、保密強(qiáng)。作為承擔(dān)獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息重要任務(wù)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(shí)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(yīng)快。由于激光通信的發(fā)射、接收系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)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(yīng)能力都非常強(qiáng)，特別適合高速、機(jī)動(dòng)的通信要求。

通過(guò)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在近空間飛行器的通信系統(tǒng)上非常實(shí)用，也非常適用于軍事領(lǐng)域。

2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(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(zhì)，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(zhuǎn)換成電信號(hào)后，經(jīng)過(guò)調(diào)制，加載到由功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生的激光上，然后通過(guò)光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)將載有信號(hào)的激光發(fā)射出去。在接收端，同樣通過(guò)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行捕獲，并利用光電探測(cè)器，將收集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行放大、濾波等處理，然后采用各類電信號(hào)處理方法，如閾值探測(cè)，檢測(cè)有用信號(hào)并進(jìn)行解調(diào)，最后采用帶通濾波濾除高、低分量，還原出原始信號(hào)［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(shè)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(shí)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(shè)備，還是地面設(shè)備，都應(yīng)該使用隔離度較高的精密光機(jī)組件和收、發(fā)一體天線。此外，為滿足中繼要求，空間設(shè)備應(yīng)該具備多方向同時(shí)通信能力，既能完成與地面通信，又可以實(shí)現(xiàn)飛行器之間的通信。而地面設(shè)備在質(zhì)量和體積上應(yīng)盡量輕便、小巧，具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，便于快速展開和收藏，在功能上應(yīng)該具備對(duì)空間設(shè)備的天線轉(zhuǎn)向、發(fā)射功率等進(jìn)行控制的能力。

2.3 通信鏈路

大氣激光通信系統(tǒng)無(wú)須鋪設(shè)光纖，無(wú)須頻率申請(qǐng)，所以其通信鏈路易于建立。而過(guò)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(gè)術(shù)語(yǔ)：

前向鏈路：指地面基站——其他近空間飛行器——目標(biāo)近空間飛行器的通信；

返向鏈路：指目標(biāo)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(guò)適合的近空間飛行器中繼，將遙控信號(hào)傳送給目標(biāo)近空間飛行器；返向鏈路指目標(biāo)近空間飛行器通過(guò)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 大氣激光通信中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大氣傳輸技術(shù)

大氣成分復(fù)雜，各類氣體分子的“反射”、“散射”、“吸收”，對(duì)任何形式的通信技術(shù)都有很大影響，激光通信也不例外。因此，必須采取適當(dāng)措施克服大氣對(duì)激光的影響，才能在近空間飛行器上實(shí)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(diào)制速率高的激光器才可以滿足大氣激光通信傳輸距離長(zhǎng)，空間衰減快等特點(diǎn)。同時(shí)，又要保證其體積、重量適用于近空間飛行器的實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)的激光器。有部分被稱為“大氣窗口”的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，不易被大氣吸收，在大氣中的穿透能力較好。所以選擇產(chǎn)生此類波長(zhǎng)的激光器，可以保證大氣激光通信的通信質(zhì)量。

3.1.2 降低噪聲

與增加信號(hào)功率相對(duì)應(yīng)的，是降低噪聲。在空間信道一定的情況下，鏈路的隨機(jī)噪聲可以預(yù)計(jì)，但無(wú)法改變。只能通過(guò)提高光電探測(cè)器的靈敏度來(lái)降低設(shè)備自身產(chǎn)生的噪聲，這也是激光通信在大氣中可以應(yīng)用的重要保證之一。現(xiàn)有的雪崩光電二極管最小可探測(cè)功率約為1×10-9W，而最新實(shí)驗(yàn)的光電二極管探測(cè)靈敏度可以高出其幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.1.3 提高濾光片的光學(xué)性能

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

3.1.4 部署近空間中繼飛行器

影響激光強(qiáng)度，導(dǎo)致大氣衰減的主要物質(zhì)水、霧、雪等，大都集中在大氣的對(duì)流層，而近空間飛行器活動(dòng)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(duì)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(diǎn)，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(hào)，也可以大大降低大氣衰減對(duì)激光傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3.2 捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)

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(zhǔn)技術(shù)相對(duì)成熟，易于實(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)，以及近空間飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)誤差、騰空浮動(dòng)和振動(dòng)等誤差的存在，使得飛行器之間的相互捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)就存在很大難度。

借鑒地面基站對(duì)飛行器進(jìn)行捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)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(duì)較寬，以mrad為單位的接收視場(chǎng)角，并配以透射率良好、窄帶寬的光學(xué)濾波器來(lái)抑制空間背景輻射功率，確保能準(zhǔn)確捕獲到發(fā)射波束。精跟蹤以粗跟蹤為反饋回路，通過(guò)相應(yīng)的電子伺服系統(tǒng)，控制高靈敏度位置傳感器，將接收視場(chǎng)角降低到幾百μrad，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛行器間實(shí)時(shí)跟蹤、穩(wěn)定瞄準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，大氣激光通信技術(shù)在近空間的應(yīng)用還處于研究、試驗(yàn)階段，沒(méi)有應(yīng)用的實(shí)例，但自從20世紀(jì)80年代末90年代初，美國(guó)和俄羅斯相繼實(shí)驗(yàn)成功適用于特殊戰(zhàn)爭(zhēng)和低強(qiáng)度戰(zhàn)爭(zhēng)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(shù)已經(jīng)突破技術(shù)壁壘，進(jìn)入實(shí)用階段。同時(shí)，隨著大功率連續(xù)波激光器的出現(xiàn)，以及自適應(yīng)變焦技術(shù)、光波窄帶濾波技術(shù)、光源穩(wěn)頻技術(shù)、信號(hào)壓縮編碼技術(shù)、光學(xué)天線設(shè)計(jì)制作和安裝校準(zhǔn)等技術(shù)的實(shí)用化［7］，在近空間飛行器上應(yīng)用大氣激光通信技術(shù)的條件已經(jīng)成熟，而大氣激光通信技術(shù)也勢(shì)必在國(guó)防軍事和民用生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

［1］尹志忠，李強(qiáng).近空間飛行器及其軍事應(yīng)用分析［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，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(guó)光學(xué)，2013，6（5）：670-680．

［3］付強(qiáng)，姜會(huì)林，王曉曼，等.空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)光學(xué)，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(cè)試，2013，（03-04）：80-83.

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

［6］官鷺.無(wú)線激光通信大氣信道研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007．

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