空间激光通信最新进展与发展趋势

空间激光通信凭借其带宽优势,成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段,是近年来国际上的研究热点。本文详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和未来发展规划,总结了国内外空间激光通信演示计划的主要参数指标。通过对空间激光通信最新研究计划的分析,归纳出空间激光通信高速化、深空化、集成化、网络化、一体化5个发展趋势,以及需要突破的高阶调制、高灵敏度探测、多制式兼容、"一对多"通信等关键技术。为我国激光通信设备及相关研究提供借鉴和参考。     

机载激光通信系统发展现状与趋势

本文首先介绍了激光通信的突出地位和重大成果,说明机载激光通信技术的先进性和重要性。然后阐明了机载激光通信系统的工作原理,说明进行机载激光通信研究的可行性。接着简要叙述了机载激光通信系统的发展历史和国内外研究现状,重点对其性能指标和技术特点进行了分析。在此基础上,提出了机载激光通信的关键技术,并指出其应用前景和发展趋势。在不久的未来,机载激光通信将会成为信息化战争必不可少的通信手段。     

卫星激光通信系统设计分析

结合卫星激光通信实验演示系统的研制，对卫星激光通信系统的总体设计以及系统的结构设计、激光器的选择、捕获、对准、跟踪（Acquisition,Pointing and Tracking-APT)技术，背景光抑制与光学滤波器设计，光行程差与超前对准补偿等关键技术进行了深入的分析和讨论，得出了有关结论。     

空间激光通信发展概述

介绍了激光通信的基本过程和链路类型。着重调研了欧州空间局、美国、德国、日本以及国内激光通信的最新发展概况,给出了一些已成功应用的激光通信终端的详尽技术参数,如通信波长、通信距离、通信速度误码率、应用目的等,突出了每一种仪器的特点和优势,并对其光机结构进行了详细分析和展示。通过分析国内外的研究状况,指出激光通信面临的关键技术问题,以及未来激光通信发展的趋势和方向,为激光通信设备及其相关领域的研究提供了一定的参考。     

空间激光通信及其关键技术

通信领域中激光通信技术由于自身的优越性得到了广泛的应用。通过将空间激光通信与微波通信比较，介绍空间激光通信的优点：大容量、低功耗及体积小、质量轻等。叙述空间激光通信的基本原理。重点阐述空间激光通信系统大功率光源技术、高灵敏度抗干扰光信号接收技术、通信链路的快速及精确的捕获、跟踪和瞄准技术等关键技术。激光通信可广泛应用于军事、经济等各个领域，必将有广阔的发展前景。     

激光通信原理和技术

激光,是20世纪人类科学最伟大的成就之一。激光一词,来源于英文laser,意即受激辐射光放大。借助于“光泵”,使激活介质的粒子吸收能量后跃迁到高能态,以实现粒子数分布的     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用Monte Carlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15 μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5 km范围内信号误码率<10－4.因此位于水下60 m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用MonteCarlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5km范围内信号误码率10-4.因此位于水下60m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

卫星激光通信均匀信标光的研究

采用信标光是完成卫星激光通信捕获过程的一种重要手段,信标光的远场分布对捕捉概率和捕获时间有较大的影响。为满足通信系统的性能要求,对信标的远场分布提出一定的要求是必要的。首先从理论计算的角度,分析了远场高斯分布信标光对卫星激光通信捕获过程的影响,认为在存在光束抖动的情况下,均匀信标光在捕获阶段具有明显的优势。基于多激光器合束技术,利用半导体激光器设计了一个能实现远场均匀分布的信标光模块。给出了模块结构,分析了均匀信标光产生的机理,并从理论上推导了该模块的远场光强分布表达式。实验表明,所研制的均匀信标光模块可出射功率超过3.8 W,不均匀度小于11%的远场均匀信标光,通光效率为54%,从而证明了所设计的信标光模块的可行性。     

高速空间激光通信系统在空天信息网中的应用

 针对高速空间激光通信系统应用时面临的主要问题：节点高速运动的跟踪瞄准和与组网载荷协同工作,提出将高速空间激光通信系统作为节点主要通信载荷的双通信载荷结构,并设计了高速空间激光通信系统与组网载荷协同工作机制和协议模型,依据协议模型进行了原理样机开发与试验。试验结果表明,提出的协同工作机制与协议模型能很好地适用于高速空间激光系统,支持超高速率数据传输,最高MAC层协议数据速率可达1.772 Gb/s,平均处理时延20 μs。     

卫星激光通信滤光膜的研制

为满足卫星激光通信中超高速数据传输的特殊要求,采用电子束和离子辅助沉积技术,制备了532 nm、632 nm和1 064 nm波长处高反射,808 nm和1 550 nm处高透射的多波段滤光膜.选取了H₄和SiO₂作为高低折射率材料,通过对膜系设计曲线的不断优化,减少了灵敏层的个数,得到了相对易于制备的膜系结构;采用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜, 采用光控与晶控同时监控的方法控制膜厚;通过不断调整工艺,提高了薄膜的抗激光损伤能力,减小了膜厚控制误差,提高了透射波段的透过率及反射波段的反射率,最终得到了光谱性能较好的滤光膜.该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试,满足使用要求.     

卫星激光通信滤光膜的研制

为满足卫星激光通信中超高速数据传输的特殊要求,采用电子束和离子辅助沉积技术,制备了532nm、632nm和1 064nm波长处高反射,808nm和1 550nm处高透射的多波段滤光膜.选取了H4和SiO2作为高低折射率材料,通过对膜系设计曲线的不断优化,减少了灵敏层的个数,得到了相对易于制备的膜系结构;采用电子束加热蒸发方法并加以离子辅助沉积系统制备薄膜,采用光控与晶控同时监控的方法控制膜厚;通过不断调整工艺,提高了薄膜的抗激光损伤能力,减小了膜厚控制误差,提高了透射波段的透过率及反射波段的反射率,最终得到了光谱性能较好的滤光膜.该薄膜能够承受雨淋、盐雾、高低温等环境测试,满足使用要求.     

反卫星激光武器发展现状与动态

空间军事化使反卫星激光武器再度受到重视，在阐述反卫星激光武器特点和作用原理的基础上，详细综述了地基、空基和天基等多种平台反卫星激光武器的发展现状和重要发展动向。     

近地移动激光通信呼叫探测系统

提出了一种近地移动激光通信呼叫探测系统的实现方案,介绍了其工作原理和功能,分析了系统设计中应考虑的问题,对各组成模块进行了功能和参数设计。     

卫星振动对星间光码分多址系统性能的影响

卫星振动是影响星间光CDMA通信系统性能的一个重要因素.考虑多用户干扰、背景光噪音、热噪音、接收机噪音和卫星振动,给出了基于PPM信号格式的星间二维光CDMA通信系统的系统模型.采用数值分析的方法,详细分析了卫星振动对该系统误码率性能的影响.结果表明,码速率、通信波长和卫星振动都会影响星间二维光CDMA通信系统的误码率性能.当卫星振动标准偏差σ≤4×10－7时,卫星振动对系统误码率性能的影响较小;当卫星振动标准偏差σ≥1.2×10－6,卫星振动对系统误码率性能的影响很大,得到的误码率难以满足系统的通信要求,需要采用卫星振动抑制或补偿等技术提高星间二维光CDMA通信系统的误码率性能.     

星间激光通信中复合轴系统的带宽设计研究

星间激光通信中,由粗跟踪系统和精跟踪系统组成的复合轴系统完成了系统的大范围、高精度跟踪任务。对复合轴系统进行了基于Z变换的数字模拟以研究其带宽设计。根据计算的卫星轨迹和粗跟踪系统机械误差,得到了粗跟踪系统的带宽设计结果;给出了粗跟踪系统和精跟踪系统的配合工作关系;得到了精跟踪系统的带宽设计结果;最后研究了在中高频扰动下,复合轴系统的带宽设计。以上结果为星间激光通信中的复合轴系统控制系统设计提供了重要依据。     

星地激光通信中接收光信号的仿真方法

星地激光通信中, 由于大气湍流等影响, 接收光信号将出现包络起伏现象, 严重时将引起接收系统突发误码。为研究其中突发误码的发生规律及其对通信有效性的影响, 对接收光信号包络起伏的仿真方法进行了研究。针对常规的仿真方法在计算量、资源消耗、仿真时间长度等方面存在的诸多弱点, 提出了一种使用Gauss随机过程的幂级数拟合接收光信号幅度的仿真方法, 该方法利用接收光信号均值、方差、偏态系数和峰度系数计算各阶系数, 最高取到3次方项, 并使用FFT/IFFT实现时间功率谱特征拟合。仿真结果证明了该仿真方法的合理性。     

星地激光通信中分布式接收阵列的特性研究

星地激光通信中,发射机对准误差及大气湍流会引起接收信号衰落,对带前置光放大的阵列接收机,分析了分布式接收阵列的抗衰落性能。研究表明,分布式接收阵列对发射机对准误差引起的衰落具有一定抑制作用,阵列中各子接收孔径之间的距离可根据发射机对准误差及湍流的强弱进行优化设计。与传统式阵列相比,分布式阵列可以采用更窄的发射光束宽度,降低对发射功率的要求。分布式阵列的另一个重要特性还在于:当实际发射机对准误差标准差大于设计值时,通过调整阵列各子接收孔径之间的距离,可以在很大程度上降低发射机对准误差引起的功率损失。     

空-地激光通信链路波长选择因素分析

空-地激光通信链路波长选择主要和通信传输所使用的大气随机信道、光束跟踪、捕获、瞄准(Acquisition,Pointing and Tracking-APT)子系统,通信子系统及接收、发射系统采用的主要光电器件等因素有关.本文对影响空-地激光通信链路波长选择的因素进行了分析,并根据上述影响因素开展了对通信波长的研究,促进了空-地激光通信系统的总体设计工作.