曾 飛,高世杰,傘曉剛,張 鑫
(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033;
2.中國科學院大學,北京 100049)
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機載激光通信系統發展現狀與趨勢
曾飛1,2*,高世杰1,傘曉剛1,張鑫1
(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033;
2.中國科學院大學,北京 100049)
摘要:本文首先介紹了激光通信的突出地位和重大成果,說明機載激光通信技術的先進性和重要性。然后闡明了機載激光通信系統的工作原理,說明進行機載激光通信研究的可行性。接著簡要敘述了機載激光通信系統的發展歷史和國內外研究現狀,重點對其性能指標和技術特點進行了分析。在此基礎上,提出了機載激光通信的關鍵技術,并指出其應用前景和發展趨勢。在不久的未來,機載激光通信將會成為信息化戰爭必不可少的通信手段。
關鍵詞:激光通信;機載激光通信;激光技術;信息技術;光學設計
Development status and trend of airborne laser
communication terminals
1引言
自由空間激光通信在近年來受到國內外的廣泛關注[1-3]。2006年,日本的低軌衛星OICETS與歐洲的靜止軌道衛星ARTEMIS進行了50 Mbps的單向激光通信[4]。2008年,德國的TerraSAR-X衛星和美國的NFIRE衛星實現了5.625 Gbps的雙向激光通信[5]。2013年,美國的月基激光通信終端LLST與地基激光通信終端LLGT進行了622 Mbps的超遠距離通信[6]。
作為激光通信發展的一個重要方向,機載激光通信也同樣受到了充分重視。美國的空軍研究實驗室(AFRL)從20世紀70年代開始就開始進行機載激光通信技術的研究[7]。經過多年的研究,AFRL證明了機載激光通信的可能性,并且研制了多個激光通信終端。此外,噴氣推進實驗室(JPL)[8]、林肯實驗室[9]、德國宇航局(DLR)[10]、美國海軍實驗室(NRL)[11]也對機載激光通信技術進行了深入研究。
機載激光通信主要針對5~15 km高度的有人駕駛飛機,但是也朝著17~25 km高空平臺發展,包括無人機、飛船和高空氣球等[12]。這個高度處于平流層,大氣湍流和衰減相對較弱,并且沒有云層遮擋,因此可以利用高空平臺作為星地激光通信的中繼站。同時,平流層大氣活動相對平靜,覆蓋范圍廣,非常適合于進行廣域偵察與局域網通信。
相對于空間和地面平臺,機載平臺具有移動速度快、振動大、環境惡劣、大氣影響嚴重等特點,并且對載荷有嚴格的尺寸、重量和功耗要求,因此,機載激光通信系統的研制具有較大難度[13]。隨著人們對激光通信技術認識的逐漸深入,研制實用的機載平臺激光通信系統已經成為一種趨勢,對機載激光通信系統的需求也在逐漸提升。本文將簡要介紹機載激光通信系統的組成結構,以幾個典型的實例介紹其發展現狀,歸納其關鍵技術,并指出其未來的發展方向。
2系統結構
機載激光通信系統一般由激光收發系統、跟蹤瞄準系統、通信分系統等三部分組成。激光發射系統包括信號光和信標光發射系統;激光接收系統包括信號光接收和信標光接收系統;跟蹤瞄準系統包括粗精跟蹤探測單元和伺服系統。通信分系統包括信號編碼、調制、解調和存儲等單元。在三個分系統中,激光收發系統是系統的核心,如圖1所示。

圖1 典型激光通信系統組成Fig.1 Configuration of a typical laser communication system
在進行高速激光通信時,通常都采用直徑小于100 μm的多模光纖接收通信光,因此激光通信系統的光學系統屬于高精度的光學系統。為了使得盡可能多的激光能夠會聚到探測器上,要求系統的像質接近衍射極限。同時,為了不讓光斑漂移到光纖端面之外,通常要求跟蹤的精度達到秒級。要在移動平臺上實現激光通信,對于機載系統的跟蹤性能提出了很高的要求。
機載激光通信系統一般有3種安裝方式:吊艙安裝[11]、機艙安裝[7,9]和機身安裝[10]。吊艙安裝方式一般包括一個具有粗跟蹤伺服的光電吊艙,可以隔離機身振動和完成粗跟蹤功能。機艙安裝方式中激光通信系統放置在機艙內部,通過機艙門、機艙開孔或光學窗口對外界進行通信。機身安裝方式則將激光通信系統集成到飛機的前部或腹部,僅露出一小部分在飛機的外部。其中,機艙安裝方式對于系統的環控要求較
低但是不利于集成,通常僅用于實驗系統。機身安裝方式通常難以隔離飛機本事的振動,降低了系統的跟蹤精度。因此,大部分的機載激光通信研究都集中在吊艙安裝方式,僅有小部分機構研究機身安裝方式。
目前,高精度光電吊艙跟蹤精度可以達到10″左右,通過快反進行精跟蹤精度可以達到1″以內[13]。對于機載激光通信,這樣的精度已經足夠,因而目前國內已經初步具備進行機載激光通信研究的條件。但是,要完成機載激光通信的研究,還需要充分了解機載吊艙的環境及機載激光大氣傳輸特性。目前,關于這方面的公開資料還比較少,因此有必要充分了解國內外激光通信方面的研究,借鑒其寶貴的經驗。
3研究現狀
激光通信具有高帶寬、高增益、體積小、抗電磁干擾、不易被截獲等特點,而機載平臺則是擴展其應用空間的一個優良載體[14]。為此,美國從激光器發明就開始研究機載激光通信[15],歐洲和日本在21世紀初也開始研究如何在飛機、無人機及空中平臺上應用激光通信[16-17]。下面以幾個有代表性的例子說明國內外機載激光通信系統的發展歷程。
3.1.1機載飛行試驗系統(AFTS)
麥道(McDonnell Douglas)公司在1970年展示了1 Gbps的激光通信桌面試驗系統,獲得AFRL支持開始研制空間飛行測試系統(Spaceborne Flight Test System,SFTS)。后來由于支持資金大幅減少,空間系統變為了機載系統(Airborne Flight Test System,AFTS)。麥道公司在原方案基礎上添加了遮光罩和跟蹤相機等設備,并于1980年在白沙靶場搭載KC-135飛機進行了試驗,第一次成功演示了機載對地激光通信系統[7]。

圖2 AFTS光學系統結構圖Fig.2 Configuration of AFTS optical system
如圖2所示,AFTS系統主要包括了191 mm望遠鏡、粗精捕獲與跟蹤相機、跟蹤光束控制鏡、提前/對準光束控制鏡以及光束發射系統。發射光束有3種發散角可選:5 μrad、100 μrad及1.5 mrad。下傳波長532 nm,上傳波長1 064 nm。整個系統放置在機艙內部,透過76.2 cm的光學窗口與地面站進行通信。光電組件通過支撐結構與機身進行被動隔震,并放置在一個獨立的空間內進行溫度和環境控制。AFTS系統經過了兩輪試驗,最終試驗在1980年8月至12月間進行,觀測方式為60 km斜程。通過對前一輪試驗的改進,最終達到了開環跟蹤精度±2°,閉環跟蹤精度9~12 μrad。通過脈沖間隔調制(PIM),實現了20 kbps信標通信,平均誤碼率<10-6。而在高速通信試驗中,由于未考慮視線移動的原因,自動增益控制(AGC)帶寬的設計值1 kHz低于實際值12 kHz。改進設計缺陷之后,20 km距離試驗測量誤碼率在10-3到10-6之間。
3.1.2偵察/智能交互鏈路(RILC)
在20世紀90年代,彈道導彈防御組織(Ballistic Missile Defense Organization,BMDO)支持了多個項目研究空間激光通信系統。1994年9月,ThermoTrex公司研制出的地面端機,通過實驗驗證,具備150 km距離1.13 Gbps雙向通信的能力。從1995年開始,AFRL開始支持ThermoTrex公司研發新一代機載激光通信系統RILC(Recce-Intel Cross Link)[18]。系統的目標是在12 km高空,實現距離50~500 km飛機間1 Gbps的雙向激光通信。
RILC系統結構復雜,包含了粗精跟蹤相機、可見監測相機、通信探測器、通信激光器、信標激光器、轉塔伺服和快反。光學系統封裝于47 cm球形轉塔中,具有20 cm直徑的光學窗口。通信光波長為810 nm,信標光波長為852 nm,通信光收發分離。系統工作溫度范圍為+55~-62 ℃,氣壓為1/3大氣壓。該系統使用了多項先進技術,包括帶寬0.02 nm的原子線濾光片、左旋/右旋偏振復用、光機一體化設計等。
然而,由于管理及技術原因,RILC的研發遇到問題而陷入停滯,只是在2004~2005年之間進行了部分實驗。RILC不具備吸引力的首要原因是它使用的是850 nm波段的激光,而這個波段的器件由于1 550 nm波段光纖通信的發展而變得難以獲取。另一個原因是體積重量問題,RILC僅球形轉塔就重達68 kg,于是在2005年該項目便終止了。

圖3 RILC光學系統結構圖Fig.3 Configuration of RILC optical system
3.1.3快速機載激光通信光學端機(FALCON)
為了避免像RILC一樣出現器件過時的情況,從2003年AFRL開始了一個全新的項目ESTER(EO Sensor Technology & Evaluation Research)[19]。這個項目的目的是盡量利用商用技術和貨架產品來研發機載激光通信端機。這個項目的端機被稱為FALCON(Fast Airborne Laser Communications Optical Node)。該項目工作在1 550 nm波段,而工作方式則是在12 km高度和100 km距離以低于10-6誤碼率進行2.5 Gbps雙工通信。
FALCON由ITT(現Exelis)公司負責研制,研發基于大視場接收。為了保證更多的能量進入探測器,采用100 μm的多模光纖作為接收光纖。它采用了自動增益控制來調節進入探測器的能量,將探測器的靈敏度提高到-42 dBm。使用兩根光纖將信標光切換耦合進入粗精信標發射系統,信標光為10 W 1 470 nm人眼安全激光。信標光是調制的信號,可以屏蔽直流背景信號和不同頻率信號的干擾。信號光位于1 545~1 555 nm波段,收發共用孔徑,采用1 nm窄帶濾光片和光學陷波器消除收發串擾。

圖4 FALCON光學系統結構圖Fig.4 Configuration of FALCON optical system
寬窄信標光的發散角分別為7 mrad和0.7 mrad,信號光的發散角為250 μrad。跟蹤探測器采用視場角為7 mrad、直徑為5 mm的四象限型PSD器件,靈敏度為1 nW。快反的調節范圍為±5 mrad,精度為±30 μrad。2009年,該系統試驗中最遠保持通信距離達到132 km。該系統的成功表明,僅采用Tip/Tilt校正的系統就可以滿足機載激光通信的要求。
3.1.4自由空間光學實驗網絡實驗(FOENEX)

圖5 FOENEX通信系統結構圖Fig.5 Configuration of FOENEX laser communication system
作為一個新興企業,AOptix公司第一個將自適應光學(Adaptive Optics,AO)引入激光通信。由于提高了光斑的能量集中度,系統的跟蹤精度和通信速率都得到明顯提升。2006年5月,AOptix演示了從1 km高的飛艇上用波分復用(WDM)技術向地面發送80 Gbps數據。2006年9月,AOptix又在夏威夷進行了147 km激光通信試驗,成功進行了2.5/10/40 Gbps多項試驗。由于這兩次試驗的成功,促成了自由空間光學實驗網絡實驗(Free space Optical Experimental Network Experiment,FOENEX)項目的開展[20]。該項目的目標是:使用口徑10 cm帶AO的系統,以10 Gbps的速率進行50 km空-地和200 km空-空激光通信組網實驗研究。FOENEX項目由AOptix公司和約翰-霍普金斯大學應用物理實驗室(JHU APL)共同研發,AOptix公司負責光學端機的研制,JHU APL負責通信系統的研制。通過2008年7月的IRONT2和2009年的ORCA試驗,FOENEX項目在各方面對系統的通信性能進行了優化。AOptix的R3.1 AO系統能以1 kHz的速率進行閉環波前校正,通信系統引入自動功率控制(OAGC)、前向誤碼糾正(FEC)、重傳、回放和重路由等方法保證通信質量。通過強強聯合的方式,FOENEX系統具有非常優異的性能,然而其通信仍然存在許多問題。2012年,在中國湖的最終試驗中,該系統在空-地和空-空通信中均表現出時斷時續的不穩定性。
FOENEX項目證明AO可以校正銳利距離以內的像差,包括氣動光學效應和大氣湍流造成的像差。同時證明了發射系統使用AO可以提高對方接收到的光功率,而接收系統使用AO可以提高光斑的斯特列爾比(Strehl Ratio,SR)。在快速移動的平臺上使用AO,比在穩定的地面上使用需要更高的校正帶寬和更高階的像差校正。
3.1.5自由空間實驗激光終端(FELT)
歐空局從2003年開始進行CAPANINA(Communications from Aerial Platform Networks delivering Broadband Communications for All)實驗,旨在通過高空平臺為60 km之內的用戶提供高達120 Mbps的無線通信速率。2005年8月30日,在氣球實驗中,第一次從高度20 km的平流層向距離64.3 km的地面成功發送1.25 Gbps的數據,誤碼率低于10-9。
CAPNINA實驗使用的終端稱為FELT (Free-Space Experimental Laser Terminal),它是一個單工工作(下傳)的通信鏈路[21]。如圖5所示,FELT的光學系統包含一個口徑為22 mm、焦距為75 mm、視場角為4°的跟蹤相機以及3個小口徑的激光發射系統(雙信標冗余設計)。收發在空間上是分離的,但是共用一個通光口徑50 mm的跟蹤結構。由于高空氣球受到氣流影響旋轉速度高達54°/s,普通的轉塔和萬向節無法滿足高速旋轉的要求,因而使用了兩軸潛望鏡跟蹤機構。潛望鏡轉速240 °/s,分辨率8.72 μrad,兩軸均無旋轉角度限制。系統使用三明治結構碳纖維腔體進行被動隔熱,當腔體外部溫度為-65 ℃時,大多數內部元件溫度仍然保持在20~30 ℃。由于碳纖維的使用,整機質量僅為17.5 kg,功耗小于75 W。

圖6 FELT光學系統結構圖Fig.6 Configuration of FELT optical system
利用FELT的改進型MLT(Micro Laser Terminal),德國宇航局(DLR)的研究人員進行了兩次機載試驗。2008年11月,在第一次低速試驗(100 m/s)中,僅使用粗跟蹤就成功達到了40 km通信和85 km跟蹤。光路總直徑為30 mm,跟蹤視場為52 mrad,平均跟蹤誤差為226 μrad。MLT激光的發散角達到2 mrad,因而可以保證進行穩定通信。2013年11月,在快速(0.7馬赫)機載試驗中,加入了精跟蹤光路進行了1.25 Gbps對地通信,跟蹤距離達到79 km,通信距離達到50 km。
3.1.6海軍試驗室微型雙模光學詢問器(μDMOI)
1998年,海軍實驗室(NRL)開始進行調制反射鏡(Modulating retro-reflectors,MRR)技術的研究。利用量子阱調制器制作的貓眼型MRR,NRL實現了7 km距離、45 Mbps的單向通信。由于MRR具有大視場并且不需要激光器,具有質量輕體積小的優勢,十分適合于短距離低成本通信。
與MRR配合工作的是NovSol公司生產的雙模光學詢問器(Dual Mode Optical Interrogator,DMOI),但DMOI本身不具備裝載在無人機上的條件。因此NRL從2012年開始論證微型激光通信模塊,并將其命名為μDMOI[22]。該系統以Cloud Cap技術生產的TASE300平臺為載體,該平臺的體積和質量小,十分適合于進行無人機使用。
機載μDMOI可以與地面DMOI進行25 km、155 Mbps的通信,還可以與MRR進行1 km、2 Mbps的通信。μDMOI發射口徑為1.27 cm,使用0.5 W、1 550 nm激光,發散角為1.5 mrad。接收口徑為5.08 cm,使用9∶1分光棱鏡將接收光分給APD和PSD器件。由于發射和接收視場都較大,只使用粗跟蹤就可以進行通信。這種簡單實用的設計,適合于在中短距離低速通信使用。

圖7 μDMOI接收系統結構圖Fig.7 Configuration of μDMOI receiver system
國內進行激光通信研究的單位主要有哈爾濱工業大學、長春理工大學、武漢大學、中電34所、上海光機所等[23]。其中哈爾濱工業大學主要研究空間激光通信,長春理工大學側重于機載激光通信,武漢大學和中電34所研究地面激光通信,而上海光機所則研究水下激光通信。長春理工大學在2011年完成了兩直升機17.5 km、1.5 Gbps的通信;2013年完成了兩運12飛機144 km 2.5 Gbps通信。其它單位未見有機載激光通信的實驗報道[24]。因此,目前國內機載激光通信的研究和應用仍然具有較大的發展空間。
4關鍵技術研究
通過機載激光通信系統的發展歷史可以看出,機載激光通信系統的研制歷程十分漫長,但是其性能尚不能完全滿足實用要求。這主要是由大氣信道和飛機環境的復雜性決定的[13]。大氣信道具有隨機性,它對激光的干擾成為制約遠距離大氣激光通信的瓶頸。對于機載激光通信,還面臨著飛機振動、溫度變化、氣壓變化,以及飛行中的氣動光學效應[25]。為了解決上述問題,需要針對性的研究以下關鍵技術:
大氣信道對激光有嚴重的干擾作用,主要表現在造成激光光強隨機起伏、相位隨機變化和光斑質心漂移。針對光強隨機起伏,使用快速光學/電學自動增益控制是提高系統誤碼性能的有效方法。針對波前相位的隨機變化,可以使用自適應光學進行校正。針對光斑質心漂移,可以使用大視場接收和快反校正兩種方法。然而,航空平臺的大氣信道特性和地面具有很大的差別。特別是飛機飛行中大氣動態特性,與地面的靜止狀態有著顯著的差別,大氣湍流變化頻率和幅度均有較大提高。雖然對地面大氣信道特性的研究已經非常完善,但是對機載大氣信道特性的研究卻很少報道,在機載平臺上應用上述校正方法也存在困難。因此,要在機載激光通信系統中克服大氣傳輸效應,仍然需要大量研究和實踐。
機載平臺具有機動性強和覆蓋范圍廣的特點,但是在動平臺上實現穩定跟蹤十分具有挑戰性。飛機的速度較快,要在較短的時間內進行捕獲,對跟蹤系統的要求較高。精確跟蹤不但受到飛機振動的影響,還會受到背景雜光和大氣湍流的影響。背景雜光會造成假目標,造成目標獲取失敗或跟蹤失敗。大氣湍流引起的相位變化,會使信標光光斑形狀隨機變化,從而影響跟蹤精度。大氣湍流造成信標光閃爍和漂移,會造成跟蹤的不連續和不穩定。對于高馬赫數的飛機,還需要考慮氣動光學效應對于跟蹤的影響。對大氣湍流特性的研究有助于解決與大氣有關的跟蹤問題,快反鏡的應用有助于提高機載平臺的跟蹤精度,而大氣背景雜光則可以通過超窄帶濾光片減弱或消除。充分研究大氣及平臺特性,提出具有較強針對性和適應性的跟蹤方案,可以保證在高速機動平臺上獲得穩定而可靠的跟蹤。
機載激光通信系統要保持高精度跟蹤,需要高度穩定的光學系統。由于飛機飛行的過程中溫度壓力變化較大,并且長時間受到振動的影響,需要考慮光學系統及其組件的環境適應性及使用壽命。在低溫、低氣壓、高風速和氣動效應的復雜環境下,系統要保持高精度十分困難。目前對于機載激光通信系統光學特性的研究比較少,大多數技術文章只對飛行試驗的結果進行簡單敘述而很少對其進行深入分析。由于缺乏系統有效的研究手段,飛行條件下獲取試驗數據和進行數據分析相對困難,因此克服高空飛行環境的影響仍然面臨著許多難題。在具體的研究過程中,要將重點放在惡劣環境對系統光學特性的影響上,開發出適合機載平臺的高可靠性的光學系統[26]。
激光通信系統組成復雜,系統功能組件較多。光學、跟蹤和通信等分系統的集成設計,不但有助于降低系統的體積重量,也有利于降低系統的成本,推動機載激光通信系統的工程化應用。在機載系統向無人機、高空平臺及衛星平臺發展的過程中,面臨著體積、重量和功耗的苛刻限制。為了滿足使用條件,可以選擇性的降低某些系統指標甚至省去某些系統功能。例如,在VSOTA項目中,星載通信系統僅僅包含發射激光器而靠衛星的控制完成定位和跟蹤[27]。在空-地系統設計的過程中,可以提高地面設備的探測能力,從而降低對機載設備的要求。這種不對稱的設計可以極大的降低機載系統的體積重量,從而滿足機載平臺的使用要求。當系統功能完善以后,可以進行光機電一體化設計,進一步降低系統的體積重量。
隨著無人機、高空平臺等新應用領域的發展,傳統的機載激光通信系統面臨著機遇和挑戰。新的平臺意味著激光通信技術有了更大的發展空間,但是也需要做出改進以適應新平臺。機載激光通信是一種多學科融合的技術,新技術不斷突破推動著機載激光通信不斷向前發展。隨著社會發展對于信息需求的不斷發展,機載激光通信將會獲得更多的關注和重視,逐漸進入更多的領域。因此準確把握機載激光通信的發展方向,掌握應用機載激光通信的總體技術,將光學、通信和跟蹤技術有效地結合到一起,選擇性的應用一些新技術和新方法,將會成為機載激光通信未來發展的有效手段。
5結束語
本文介紹了機載激光通信系統的基本原理,綜合國內外機載激光通信的發展情況,闡述了機載激光通信系統的關鍵技術。雖然國外機載激光通信發展了40多年,完成了一些端機及系統試驗,但是距實用還有一定距離。而國內的機載激光通信由于發展時間短,在系統指標和單元技術方面都與國外存在較大差距,要趕上國外水平還有許多工作要做。可以針對各項關鍵技術展開攻關,逐步開發具有競爭力的實用系統。
隨著機載激光通信系統研究的逐步深入,未來的應用前景將會不斷擴展。機載激光通信正在從軍事應用(如區域監視、戰場偵察和態勢感知)向民用領域(如空中組網、星地中繼和局域網通信)等方向發展。機載平臺也出現多樣化,向無人機、高空氣球、臨近空間飛行器等方向發展。機載通信的場景從空-地、空-空向空-海、空-天擴展[28]。為了適應新的使用條件和未來激光組網的要求,機載激光通信系統將會向小型化、集成化、多元化發展。在未來的信息化戰爭中,機載激光通信將會成為必不可少的通信手段。
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曾飛( 1983—) ,男,湖北孝感人,碩士,助理研究員,2007年于華中科技大學獲得學士學位,2010年于清華大學獲得碩士學位,主要從事成像和非成像光學設計方面的研究。E-mail:zengfei_008@163.com
Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61271315,No.61171078)
ZENG Fei1,2*, GAO Shi-Jie1, SAN Xiao-Gang1, ZHANG Xin1
( 1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,
ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;
2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
*Correspondingauthor,E-mail:zengfei_008@163.com
Abstract:In this paper, the significant results and important role of laser communication is introduced firstly, and the advantage and importance of airborne laser communication are explained. Then, the principle of airborne laser communication is presented, and the possibility of research on airborne laser communication is clarified. Following this, the development history and research status of airborne laser communication are discussed, and the performance and technology specifications are focused on. Based on the discussion, the enabling technology of airborne laser communication are analyzed, and its application prospect and developing trend are pointed out. In the near future, airborne laser communication will be an essential communication method for information warfare.
Key words:laser communication;airborne laser communication;laser technology;information technology;optical design
作者簡介:
中圖分類號:TN929.12
文獻標識碼:A
doi:10.3788/CO.20160901.0065
文章編號2095-1531(2016)01-0065-09 2095-1531(2016)01-0074-07
基金項目:國家自然科學基金資助項目(No.11403064) 國家自然科學基金資助項目(No.61271315,No.61171078)
收稿日期:2015-09-11; 2015-09-11;
修訂日期:2015-11-13 2015-11-13
Supported by National Natural Science Foundation of China(No.11403064)