1、光通信原理與技術光通信原理與技術2022-3-24第第9章章 星間激光通信星間激光通信 2022-3-242022-3-24衛星光通信鏈路分類衛星光通信鏈路分類v星間鏈路星間鏈路 ISL IOLv星地鏈路星地鏈路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步軌道低軌道星地鏈路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步軌道低軌道星地鏈路2022-3-249.3.1 主要問題及對策主要問題及對策2022-3-24主要問題主要問題v 共性問題共性問題 損耗 通信光束的對準、捕捉和跟蹤 背景噪聲 多譜勒頻移v 星地光通信面臨的問題星地光通信面臨的問題 大氣信道 衰減/湍流2022-3-24

2、損耗損耗v 自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長的平方成自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長的平方成反比反比v 星間距離通常在數千到數萬公里星間距離通常在數千到數萬公里v 自由空間損耗自由空間損耗 在在250dB以上以上24lg10dLf2022-3-24光學天線光學天線-解決損耗問題解決損耗問題v 天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長的平方成反比天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長的平方成反比 v 光波波長在光波波長在 m數量級，小口徑天線即可獲得巨大增益數量級，小口徑天線即可獲得巨大增益v 工作波長為工作波長為1550 nm時，時，20cm口徑的天線即可實現口徑

3、的天線即可實現110dB以上的以上的增益增益)(lg102DG2022-3-24發散角問題發散角問題v 圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長成正比，與天線口圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長成正比，與天線口徑成反比徑成反比 v 20cm口徑的天線工作在口徑的天線工作在1550nm波長時，其波長時，其3dB光束發散角僅為光束發散角僅為7.9 rad v 開環方式基本上不可能實現通信雙方光束的對準開環方式基本上不可能實現通信雙方光束的對準dP02. 122/2022-3-24PAT子系統子系統-解決對準問題解決對準問題v瞄準、捕獲和跟蹤（瞄準、捕獲和跟蹤（PAT）子系統）子系

4、統 瞄準-天線指向 捕獲-實現通信光束的對準 跟蹤-吸收衛星機械振動引起的光束偏移2022-3-24廣譜宇宙噪聲廣譜宇宙噪聲0.60.40.81.01.21.41.620406080100SiGeInGaAsP波長波長 ( m)量量子子效效率率%幾種常用光電檢測器的波長響應特性2022-3-24光學濾波器光學濾波器-解決背噪問題解決背噪問題v 光電檢測前，在光域對信號進行窄帶濾波，僅讓特定波段的光電檢測前，在光域對信號進行窄帶濾波，僅讓特定波段的信號光通過，從而大大減少背景光產生的噪聲光電流信號光通過，從而大大減少背景光產生的噪聲光電流v 光學濾波技術成熟，大量應用于光學濾波技術成熟，大量應用

5、于DWDM系統系統 閃耀光柵 多層介質薄膜 陣列波導干涉型 光纖光柵型2022-3-24多普勒頻移多普勒頻移v 光載波頻移大小：光載波頻移大小：v IOL鏈路存在此問題影響鏈路存在此問題影響v GEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz，對應的波長，對應的波長變化范圍約變化范圍約0.08nmv光源光源觀察者觀察者光源運動方向光傳播方向ff1cos112cv2022-3-24大氣信道大氣信道v 大氣效應大氣效應 大氣吸收 大氣散射 大氣湍流v 對光束的影響對光束的影響 衰減 多徑色散 到達角起伏 閃爍2022-3-24選擇工作波長選擇工作波長天天頂頂角角= =0 0大

6、大氣氣質質量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能見見度度極極佳佳（31km）對對大大氣氣質質量量比比等等于于1時時7 70 0. .5 5，3 3波波長長 （ m）020406080100透透射射率率（%）天天頂頂角角= =0 0大大氣氣質質量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能見見度度極極佳佳（31km）對對大大氣氣質質量量比比等等于于1時時7 70 0. .5 5，3 3波波長長 （ m）020406080100透透射射率率（%）避開大氣高損耗波長2022-3-24AO-部分解決大氣湍流問題部分解決大氣湍流

7、問題v 自適應光學（自適應光學（AO）技術，在天文觀察領域提出，用于改善）技術，在天文觀察領域提出，用于改善大氣湍流條件下的天體成像質量大氣湍流條件下的天體成像質量v AO主要改善光束聚焦質量，在通信中可抑制光電檢測器上主要改善光束聚焦質量，在通信中可抑制光電檢測器上光斑的功率波動，提高接收性能光斑的功率波動，提高接收性能2022-3-249.3.2 衛星光通信系統衛星光通信系統2022-3-24總體功能框圖總體功能框圖調制器信號光源光電檢測誤差檢測誤差信號處理伺服機械合束器分束器精瞄跟蹤裝置光學收發天線粗瞄裝置信標信號信標光源接收機光學天線平臺發射光束接收光束信息數據輸入輸出控制計算機v 系

8、統組成系統組成 光學天線子系統 PAT子系統 光波調制解調子系統2022-3-24光學天線子系統光學天線子系統v 星間激光通信中，光學天線的作用十分重要，星間激光通信中，光學天線的作用十分重要， 主要表現在主要表現在兩方面：兩方面： 在發送端 對激光束實現擴束，增大激光束的束腰半徑，可以有效的壓縮光束發散角，減少光束發散損耗，降低對光源的光發射功率要求 在接收端 增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，可充分提高光接收機的信噪比，延伸系統的通信距離2022-3-24光學天線類型光學天線類型v 常見類型常見類型 折射式天線 伽利略式 開普勒式 反射式天線 單反射面 雙（多）反射面 折反射組合

9、式天線 2022-3-24幾種雙反射面光學天線幾種雙反射面光學天線v 牛頓式光學天線的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側方牛頓式光學天線的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側方v 卡塞格倫式光學天線的副鏡面為旋轉雙曲面，內側焦點與主鏡卡塞格倫式光學天線的副鏡面為旋轉雙曲面，內側焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的外側焦點處焦點重合，成像于主鏡后方的外側焦點處v 格雷果里式光學天線的副鏡面為旋轉橢圓面，近側焦點與主鏡格雷果里式光學天線的副鏡面為旋轉橢圓面，近側焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的遠側焦點處焦點重合，成像于主鏡后方的遠側焦點處牛頓式卡塞格倫式格雷果里式2022-3-24卡塞格倫天線卡塞格倫天

10、線-常見選擇常見選擇v優點優點 沒有實焦點 重量輕 光路設計方便MNF1F2饋源2b 2a2022-3-24PAT子系統子系統光學天線發送光束接收光束光發送機光束方向驅動功能單元光接收機開環瞄準功能單元跟蹤功能單元捕獲功能單元信標光源2022-3-24PAT工作流程工作流程v 開環瞄準開環瞄準v 捕獲捕獲 掃描 誤差檢測 天線方向調整v 跟蹤跟蹤 誤差檢測 光束方向微調2022-3-24掃描方式掃描方式v單方掃描（單方掃描（StareScan） 光束掃描 FOV掃描v雙方掃描（雙方掃描（ScanScan）2022-3-24掃描過程掃描過程v 主動方按完善的掃描策略計算出若干掃描點，確保在某掃描

11、點上發送光主動方按完善的掃描策略計算出若干掃描點，確保在某掃描點上發送光束一定可以覆蓋被動方；束一定可以覆蓋被動方；v 主動方驅動天線逐一瞄準各個掃描點，并在每個掃描點作一定時間的駐主動方驅動天線逐一瞄準各個掃描點，并在每個掃描點作一定時間的駐留；留；v 在某掃描點上主動方發送光束出現在被動方的在某掃描點上主動方發送光束出現在被動方的 FOV 中（因為被動方有中（因為被動方有足夠大的足夠大的FOV，因此在其未實現天線精確對準的情況下，也能在，因此在其未實現天線精確對準的情況下，也能在 FOV 中捕獲到主動方投射來的發送光束）；中捕獲到主動方投射來的發送光束）；v 在主動方于該掃描點上駐留的時間

12、內，被動方衛星根據在主動方于該掃描點上駐留的時間內，被動方衛星根據 FOV 中主動方中主動方出現的位置計算出對準誤差，并進一步計算出糾正數據，驅動本方天線出現的位置計算出對準誤差，并進一步計算出糾正數據，驅動本方天線實現精確接收對準，同時也實現了本方發送光束到主動方的對準；實現精確接收對準，同時也實現了本方發送光束到主動方的對準；v 被動方出現在主動方的接收被動方出現在主動方的接收 FOV 中，主動方計算出對準誤差和糾正數中，主動方計算出對準誤差和糾正數據并驅動天線實現精確對準，停止掃描。掃描過程完成。據并驅動天線實現精確對準，停止掃描。掃描過程完成。2022-3-24掃描策略掃描策略2022

13、-3-24v誤差檢測部件誤差檢測部件 4QDv光束方向調整部件光束方向調整部件 快速傾斜鏡（FSM） 目前：快速調整跟蹤以吸收衛星振動跟蹤以吸收衛星振動IAIDIBICxy2022-3-24PAT典型光路典型光路二軸反射鏡天線方向驅動系統CCD信標光源半反鏡卡塞格倫光學天線誤差計算開環瞄準衛星狀態信息掃描控制跟蹤反射鏡跟蹤驅動誤差計算QD光學濾波片捕獲跟蹤控制APD光束準直LD2022-3-24跟蹤殘差跟蹤殘差0-2002000-30300-60802022-3-24AO子系統子系統-0.500.5-0.500.5-10-505102022-3-24波前探測器波前探測器透鏡陣列CCD陣列單個透

14、鏡成像vH-S波前傳感器波前傳感器2022-3-24AO對接收性能的改善對接收性能的改善 0.0 1.0時間（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）無AO0-10有AO2022-3-24調制調制/解調子系統解調子系統v光強調制光強調制/直接檢測（直接檢測（IM/DD ）v為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調制為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調制（PPM） 單脈沖PPM 差分PPM 多脈沖PPM2022-3-249.3.3 典型系統簡介典型系統簡介2022-3-24SILEXv SILEX： Semiconductor-laser Inter-satellite Lin

15、k EXperiment，半導體激光星間鏈路實驗，半導體激光星間鏈路實驗v ESA于于80年代后期確立的星間激光通信計劃年代后期確立的星間激光通信計劃v 1994年通過設備級方案評審年通過設備級方案評審v 1996年進行子系統的性能測試年進行子系統的性能測試v 1998年年3月月22日日LEO衛星發射衛星發射v 2001年年7月月12日日 GEO衛星發射衛星發射v 2001年年11月月22日日 實現星間激光通信實現星間激光通信2022-3-24SILEX示意圖示意圖ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波對地鏈路2022-3-24SILEX工作參數工作參數v設計傳輸距離設計傳輸距離45000km，上行速率，上行速率50Mbps，下行速率，下行速率2Mbpsv通信子系統采用通信子系統采用IM/DD方案方案發送端光源使用GaAlAs半導體激光器，GEO發送波長819nm，LEO發送波長847nm，平均輸出功率60mW接收端使用Si-APD作為光電檢測器，探測能力近100光子每bitv光學天線為卡塞格倫式，口徑光學天線為卡塞格倫式，口徑25cm，壓縮后光束發散角為，壓縮后光束發散角為8 rad，接收端接收，接收端接收視場約視場約75 radv信標光源總功率超過信標光源總功率超過8W，光束發散角