激光通信技术在近空间飞行器中的应用

孙鹤，李佳兴，余光辉，孙伟峰，于双明

（中国人民解放军61112部队，黑龙江牡丹江157011）

激光通信技术在近空间飞行器中的应用

孙鹤，李佳兴，余光辉，孙伟峰，于双明

（中国人民解放军61112部队，黑龙江牡丹江157011）

针对近空间飞行器与地面终端的海量数据传输难题，提出了在近空间数据传输中采用大气激光通信传输方式。通过分析激光通信的特点和优势，探讨了利用激光通信实现近空间的数据传输的可行性，并对实现激光通信中需要解决的关键技术进行了重点分析。

激光通信；数据传输；大气衰减

近空间飞行器特殊的空间位置，以及在未来战场上的重要作用［1］，要求人们寻找和发展更高频率、更大容量、结构简单、隐蔽性更好的信息载体，以适应密集技术条件下的局部战争。而激光通信技术凭借其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点，引起各军事强国的高度重视，业已成为空间通信的研究热点。

近几年国内外的激光通信技术日益成熟。美国、俄罗斯已经开发出了星载激光通信系统，日本和欧空局联合研制的LCT于2005年实现了卫星间的激光通信［2］，成为全球首次实现卫星间双向光学链路通信。国内长春理工大学、哈尔滨工业大学等相关院校也先后开展了空地、星际及星地之间的激光通信研究［3］。其中，近空间飞行器作为卫星和地面间的一个重要战略平台，有着相对安全的工作环境，若能使用激光通信技术，同卫星和地面光通信站一起构成一个传输速度快、信息量大、保密性和抗干扰性好的光通信网络，则将在情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等方面发挥巨大作用。

1 大气激光通信的特点

目前，近空间飞行器大都采用C、X、Ka等频段进行微波通信，而这些频段的微波波长都长于比激光波长，空间定向性和相干性都不如激光。再加上激光的信息容量大，激光设备的功耗、体积小等优势［4］，非常适用于对质量和体积都要求很高的近空间飞行器。

第一，频率高、容量大。激光频率数量级为1014 Hz，当前的主流微波频段X频率也只有109 Hz，因此，用激光作为信息载体可以产生更大的频带利用率。如果能将在微波中使用比较成熟的频分复用技术应用在激光通信中，必然会成倍的增加激光通信的信息容量，完全满足当前互联网和大数据的应用需求。

第二，功耗低、体积小。激光波束窄，定向性非常高，能保证发射能力高度集中。在传输距离一定的情况下，相比于微波通信，发射激光所需能耗要小于微波发射能耗，从而降低了飞行器上发射设备的整体能耗。对于通信系统来说，发射功率的大幅降低，意味着整体耗能的降低，飞行器整体的供电系统可以得到更好的优化。同时，高定向性的激光还可以使飞行器摆脱以往的微波天线，转而使用更小巧的激光发射天线，进而使得飞行器整体的质量和体积变小。

第三，抗干扰、保密强。作为承担获取战场信息重要任务的近空间飞行器，必须具备抗干扰、高保密性的通信能力。较之微波，激光波束发散角仅为10mrad，不易被截获。又由于激光通信容量大，时间短，其保密性和安全性高于微波通信，是非常理想的军事通信载体。

第四，抗打击、适应快。由于激光通信的发射、接收系统构造简单、体积小，可以在各种环境、各类气候条件下，方便、快速地建立通信链路，因此，其抗打击能力和快速适应能力都非常强，特别适合高速、机动的通信要求。

通过分析比较大气激光通信与微波通信，可以清楚地看出，大气激光通信的特点和优势，在近空间飞行器的通信系统上非常实用，也非常适用于军事领域。

2 数据传输的实现

2.1 大气激光通信传输原理

大气激光通信作为激光通信的一种，是以大气作为传输介质，以激光为传输载波的光通信［5］。其通信原理与微波通信原理相似，区别仅仅是信息载体不同。图1所示为大气激光通信的原理框图。

近空间飞行器获取的数据转换成电信号后，经过调制，加载到由功率驱动电路驱动激光器产生的激光上，然后通过光学发射系统将载有信号的激光发射出去。在接收端，同样通过光学接收系统对激光信号进行捕获，并利用光电探测器，将收集到的光信号转换为电信号，进行放大、滤波等处理，然后采用各类电信号处理方法，如阈值探测，检测有用信号并进行解调，最后采用带通滤波滤除高、低分量，还原出原始信号［6］。

图1 大气激光通信的原理框图Fig.1 The principle diagram of the atmospheric laser communicationp

2.2 空间及地面设备要求

由大气激光通信原理图可以看出，只要满足隔离度要求，大气激光通信具备实现双工通信的条件，这与微波通信相同。因此，不论是飞行器上的空间设备，还是地面设备，都应该使用隔离度较高的精密光机组件和收、发一体天线。此外，为满足中继要求，空间设备应该具备多方向同时通信能力，既能完成与地面通信，又可以实现飞行器之间的通信。而地面设备在质量和体积上应尽量轻便、小巧，具备较强的机动性，便于快速展开和收藏，在功能上应该具备对空间设备的天线转向、发射功率等进行控制的能力。

2.3 通信链路

大气激光通信系统无须铺设光纤，无须频率申请，所以其通信链路易于建立。而过去常用的上行、下行链路概念已不适用大气激光通信系统，因而另定义了两个术语：

前向链路：指地面基站——其他近空间飞行器——目标近空间飞行器的通信；

返向链路：指目标近空间飞行器——其他近空间飞行器——地面基站的通信。

前向链路指地面基站通过适合的近空间飞行器中继，将遥控信号传送给目标近空间飞行器；返向链路指目标近空间飞行器通过适合的近空间飞行器中继，将数据信息传送回地面基站。其中近空间飞行器与地面基站间的通信链路是整条链路里的关键环节。

3 大气激光通信中的关键技术

3.1 大气传输技术

大气成分复杂，各类气体分子的“反射”、“散射”、“吸收”，对任何形式的通信技术都有很大影响，激光通信也不例外。因此，必须采取适当措施克服大气对激光的影响，才能在近空间飞行器上实现激光通信。

3.1.1 选择合适的激光器

首先，要选择合适的高功率激光器。大功率，调制速率高的激光器才可以满足大气激光通信传输距离长，空间衰减快等特点。同时，又要保证其体积、重量适用于近空间飞行器的实际应用。目前已有的CO2激光器、二极管激光器、Nd:YAG激光器都是基本符合要求的激光器。

其次，选择合适波长的激光器。有部分被称为“大气窗口”的波长，波长较长，不易被大气吸收，在大气中的穿透能力较好。所以选择产生此类波长的激光器，可以保证大气激光通信的通信质量。

3.1.2 降低噪声

与增加信号功率相对应的，是降低噪声。在空间信道一定的情况下，链路的随机噪声可以预计，但无法改变。只能通过提高光电探测器的灵敏度来降低设备自身产生的噪声，这也是激光通信在大气中可以应用的重要保证之一。现有的雪崩光电二极管最小可探测功率约为1×10-9W，而最新实验的光电二极管探测灵敏度可以高出其几个数量级。

3.1.3 提高滤光片的光学性能

激光在大气传输中，其接收系统必须具备排除太阳光及其他外界光源等杂光的能力，否则，激光波束就会被大气空间的背景辐射淹没，无法分辨信号与噪声。因此，应在近空间飞行器的接收天线中加装有良好光学性能的窄通滤光片，它可以选择接收激光波长而阻挡其他光线的波长，从而保证接收信号的准确性。

3.1.4 部署近空间中继飞行器

影响激光强度，导致大气衰减的主要物质水、雾、雪等，大都集中在大气的对流层，而近空间飞行器活动空间在平流层和中间层，那里距地面20km，空气稀薄，影响激光传输的水蒸气和尘埃都很少，对激光传输的影响很小。所以，近空间飞行器间的激光传输有良好的通信环境。正是利用这一点，部署近空间中继飞行器，使信息在近空间各飞行器间共享，然后选择大气条件最好的位置下传信号，也可以大大降低大气衰减对激光传输的影响。

3.2 捕获、跟踪和瞄准技术

近空间飞行器的大气激光通信，既包括与地面基站的通信，也包括飞行器间的通信。与地面基站的通信，只要克服大气衰减的影响，其捕获、跟踪和瞄准技术相对成熟，易于实现。而飞行器之间的激光通信，虽然避开了大气光信道不稳定性的影响，但收、发天线间存在相对运动，以及近空间飞行器的姿态控制系统误差、腾空浮动和振动等误差的存在，使得飞行器之间的相互捕获、跟踪和瞄准就存在很大难度。

借鉴地面基站对飞行器进行捕获、跟踪和瞄准的方式，飞行器之间也采用粗、精两种跟踪方式。粗跟踪方式采用相对较宽，以mrad为单位的接收视场角，并配以透射率良好、窄带宽的光学滤波器来抑制空间背景辐射功率，确保能准确捕获到发射波束。精跟踪以粗跟踪为反馈回路，通过相应的电子伺服系统，控制高灵敏度位置传感器，将接收视场角降低到几百μrad，进而实现飞行器间实时跟踪、稳定瞄准。

4 结语

目前，大气激光通信技术在近空间的应用还处于研究、试验阶段，没有应用的实例，但自从20世纪80年代末90年代初，美国和俄罗斯相继实验成功适用于特殊战争和低强度战争需要的大气激光通信系统，就意味着空间的激光通信技术已经突破技术壁垒，进入实用阶段。同时，随着大功率连续波激光器的出现，以及自适应变焦技术、光波窄带滤波技术、光源稳频技术、信号压缩编码技术、光学天线设计制作和安装校准等技术的实用化［7］，在近空间飞行器上应用大气激光通信技术的条件已经成熟，而大气激光通信技术也势必在国防军事和民用生产中发挥重要作用。

［1］尹志忠，李强.近空间飞行器及其军事应用分析［J］.装备指挥技术学院学报，2006，（05）：64-68．

［2］吴从均，颜昌翔，高志良.空间激光通信发展概述［J］.中国光学，2013，6（5）：670-680．

［3］付强，姜会林，王晓曼，等.空间激光通信研究现状及发展趋势［J］.中国光学，2012，5（2）：116-125.

［4］李静，赵树波.空间激光通信研究综述［J］.电子测试，2013，（03-04）：80-83.

［5］王海先.大气中激光通信技术［J］.红外与激光工程，2001，30（2）：123-127.

［6］官鹭.无线激光通信大气信道研究［D］.武汉：华中科技大学，2007．

［7］陈晓艳.基于激光通信的图像传输系统采集技术的研究［D］.南京：南京理工大学，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

孙鹤（1982-），男，吉林蛟河人，工程硕士，工程师，主要从事卫星通信方面的研究。