通信是一種利用激光傳輸信息的通信方式。激光是一種新型光源，具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性強(qiáng)等特征。

按傳輸媒質(zhì)的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信。大氣激光通信是利用大氣作為傳輸媒質(zhì)的激光通信。光纖通信是利用光纖傳輸光信號(hào)的通信方式。今天的光學(xué)應(yīng)用為各位光學(xué)人帶來(lái)的是關(guān)于激光通信的內(nèi)容，有興趣的朋友們可以看看！

激光是一種方向性極好的單色相干光。利用激光來(lái)有效地傳送信息，叫做激光通信。激光通信系統(tǒng)組成設(shè)備包括發(fā)送和接收兩個(gè)部分。

發(fā)送部分主要有激光器、光調(diào)制器和光學(xué)發(fā)射天線。接收部分主要包括光學(xué)接收天線、光學(xué)濾波器、光探測(cè)器。要傳送的信息送到與激光器相連的光調(diào)制器中，光調(diào)制器將信息調(diào)制在激光上，通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線發(fā)送出去。在接收端，光學(xué)接收天線將激光信號(hào)接收下來(lái)，送至光探測(cè)器，光探測(cè)器將激光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)放大、解調(diào)后變?yōu)樵瓉?lái)的信息。

優(yōu)點(diǎn)

1. 通信容量大。在理論上，激光通信可同時(shí)傳送1000萬(wàn)路電視節(jié)目和100億路電話。

2. 保密性強(qiáng)。激光不僅方向性特強(qiáng)，而且可采用不可見(jiàn)光，因而不易被敵方所截獲，保密性能好。

3. 結(jié)構(gòu)輕便，設(shè)備經(jīng)濟(jì)。由于激光束發(fā)散角小，方向性好，激光通信所需的發(fā)射天線和接收天線都可做的很小，一般天線直徑為幾十厘米，重量不過(guò)幾公斤，而功能類(lèi)似的微波天線，重量則以幾噸、十幾噸計(jì)。

弱點(diǎn)

1. 通信距離限于視距（數(shù)公里至數(shù)十公里范圍），易受氣候影響，在惡劣氣候條件下甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛唷４髿庵械难?、氮、二氧化碳、水蒸汽等大氣分子?duì)光信號(hào)有吸收作用；大氣分子密度的不均勻和懸浮在大氣中的塵埃、煙、冰晶、鹽粒子、微生物和微小水滴等對(duì)光信號(hào)有散射作用。云、雨、霧、雪等使激光受到嚴(yán)重衰減。地球表面的空氣對(duì)流引起的大氣湍流能對(duì)激光傳輸產(chǎn)生光束偏折、光束擴(kuò)散、光束閃爍（光束截面內(nèi)亮斑和暗斑的隨機(jī)變化）和像抖動(dòng)（光束會(huì)聚點(diǎn)的隨機(jī)跳動(dòng)）等影響。

2. 不同波長(zhǎng)的激光在大氣中有不同的袞減。理論和實(shí)踐證明：波長(zhǎng)為0.4～0.7μm以及波長(zhǎng)為0.9、1.06、2.3，3.8，10.6μm的激光衰減較小，其中波長(zhǎng)為0.6μm的激光穿霧能力較強(qiáng)。大氣激光通信可用于江河湖泊、邊防、海島、高山峽谷等地的通信；還可用于微波通信或同軸電纜通信中斷搶修時(shí)的臨時(shí)頂替設(shè)備。波長(zhǎng)為0.5μm附近的藍(lán)綠激光可用于水下通信或?qū)撏ㄐ拧?/p>

3. 瞄準(zhǔn)困難。激光束有極高的方向性，這給發(fā)射和接收點(diǎn)之間的瞄準(zhǔn)帶來(lái)不少困難。為保證發(fā)射和接收點(diǎn)之間瞄準(zhǔn)，不僅對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和精度提出很高的要求，而且操作也復(fù)雜。

應(yīng)用

1. 地面間短距離通信；

2. 短距離內(nèi)傳送傳真和電視；

3. 由于激光通信容量大，可作導(dǎo)彈靶場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和地面間的多路通信。

4. 通過(guò)衛(wèi)星全反射的全球通信和星際通信，以及水下潛艇間的通信。

無(wú)線激光通信技術(shù)

無(wú)線激光通信是指利用激光束作為信道在空間(陸地或外太空)直接進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)，又稱為“自由空間激光通信＂,“無(wú)纖激光通信”或“無(wú)線激光網(wǎng)絡(luò)”。

無(wú)線激光通信以激光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，屬于新型應(yīng)用技術(shù)，早期的研究應(yīng)用主要是在軍用和航天上,隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)逐漸應(yīng)用于商用的地面通信，技術(shù)也在逐步完善。

一、無(wú)線激光通信的優(yōu)勢(shì)

相比于微波通信等其他幾種接入方式，無(wú)線激光通信主要優(yōu)勢(shì)包括：

1.無(wú)須授權(quán)執(zhí)照

無(wú)線激光通信工作頻段在365——326 THz(目前提供無(wú)線激光通信設(shè)備的廠商使用的光波長(zhǎng)范圍多在820nm——920nm)，設(shè)備間無(wú)射頻信號(hào)干擾，所以無(wú)需申請(qǐng)頻率使用許可證。

2.安全保密

激光的直線定向傳播方式使它的發(fā)射光束窄，方向性好, 激光光束的發(fā)散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級(jí)，因此具有數(shù)據(jù)傳遞的保密性，除非其通信鏈路被截?cái)?，否則數(shù)據(jù)不易外泄。

3.實(shí)施成本相對(duì)低廉

無(wú)須進(jìn)行昂貴的管道工程鋪設(shè)和維護(hù)，其造價(jià)約為光纖通信工程的五分之一。

4.建網(wǎng)快速

無(wú)線激光通信建網(wǎng)速度快，只須在通信點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，工程建設(shè)以小時(shí)或天為計(jì)量單位，適合臨時(shí)使用和復(fù)雜地形中的緊急組網(wǎng)。對(duì)于重新撤換部署也很方便容易。

5.協(xié)議的透明性

以光為傳輸機(jī)制，任何傳輸協(xié)議均可容易的迭加上去，電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都可透明傳輸。

6.設(shè)備尺寸小

由于光波波長(zhǎng)短(約零點(diǎn)幾微米到幾十微米)，在同樣功能情況下，光收發(fā)終端的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，具有功耗小、體積小、重量輕等特點(diǎn)。

7.信息容量大

光波作為信息載體可傳輸達(dá)10Gbit/s的數(shù)據(jù)碼率。Lucent貝爾實(shí)驗(yàn)室不久前演示了其“無(wú)線激光通信數(shù)據(jù)鏈路”，并且創(chuàng)造了在2.4公里的自由空間距離上以2.5Gbit/s的速率無(wú)差錯(cuò)傳輸信息的世界記錄。目前已經(jīng)商用的無(wú)線激光設(shè)備，最高速率已達(dá)622Mbit/s。

二、無(wú)線激光通信的缺點(diǎn)

當(dāng)然，無(wú)線激光通信也有其固有的缺點(diǎn)：

1.只能在視線范圍內(nèi)建立鏈路

兩個(gè)通信點(diǎn)之間視線范圍內(nèi)必須無(wú)遮擋，必要的時(shí)候需要考慮線路中間將來(lái)可能出現(xiàn)的樹(shù)木，建筑物的遮擋。對(duì)于中間存在障礙物而不可直視的兩點(diǎn)之間的傳輸，可以通過(guò)建立一個(gè)中繼站實(shí)現(xiàn)連接。

2.通信距離受限

目前用于地面民用無(wú)線激光通信的設(shè)備所能達(dá)到的距離一般為200m到6000m,受安全發(fā)送功率、數(shù)據(jù)速率、天氣等條件的限制，實(shí)際使用的距離要短一些。延長(zhǎng)直視的兩點(diǎn)之間的傳輸距離可以通過(guò)建立中繼站的方法。

3.天氣影響鏈路的可靠性

天氣因素尤其是大霧所引起的光的色散影響激光通信的可靠性。據(jù)測(cè)算，當(dāng)距離在200——500米之間時(shí)，全球大部分地區(qū)均可達(dá)到99.999%的通信要求。

4.安裝點(diǎn)的晃動(dòng)影響激光對(duì)準(zhǔn)

樓頂晃動(dòng)(受日光，風(fēng)力的影響)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)，使鏈路質(zhì)量下降。

5.意外因素使通信鏈路的阻斷，可用性受限制

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式中，如有一條鏈路被隔斷(如飛鳥(niǎo)經(jīng)過(guò)鏈路空間)，通信將受阻。

三、無(wú)線激光通信的應(yīng)用

1.無(wú)線激光主要應(yīng)用場(chǎng)合

無(wú)線激光通信綜合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，比較適合在城域網(wǎng)中使用。目前的主要應(yīng)用場(chǎng)合包括:

(1)在不具備接入條件(如：復(fù)雜地形)或帶寬不足時(shí)提供高效的接入方案

在通信鏈路跨越高速公路、河流、擁擠的城區(qū)時(shí)，由于地理?xiàng)l件的限制無(wú)法敷設(shè)光纖線路時(shí)，采用無(wú)線激光通信可以有效解決。

(2)解決綜合業(yè)務(wù)接入的“最后一公里”

對(duì)智能小區(qū)的寬帶接入，大企業(yè)Intranet的互連，大客戶的寬帶接入提供一種快速靈活的方案，可提供2——622Mbit/s的帶寬。

(3)提供室內(nèi)外、臨近局域網(wǎng)之間的互連互通

當(dāng)兩座樓宇之間的辦公室需要建立一條通信鏈路，其他通信方式不能較好的解決時(shí)(帶寬、價(jià)格、線路資源)，采用無(wú)線激光通信可快速解決。

(4)對(duì)于特殊要求的線路進(jìn)行備份以及應(yīng)急臨時(shí)鏈路和意外恢復(fù)

在突發(fā)的自然或人為意外災(zāi)害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復(fù)時(shí)，或者在一些特殊地方發(fā)生突發(fā)事件，需要應(yīng)急通信，采用無(wú)線激光通信進(jìn)行快速的部署。

另外對(duì)于一些大型的集會(huì)(如運(yùn)動(dòng)會(huì)、慶祝會(huì)等)需要快速建立一些臨時(shí)鏈路用于現(xiàn)場(chǎng)通信。

大部分無(wú)線激光通信設(shè)備向用戶提供的是業(yè)務(wù)透明的接口，因此，可以適應(yīng)多種常用的通信協(xié)議，可以很靈活的接入數(shù)據(jù)，話音，視頻業(yè)務(wù)。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的互連，適用于Ethernet、FDDI、Token Ring FR等不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。

電路業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的互連，適用于交換機(jī)，移動(dòng)基站等設(shè)備的連接，主要采用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)接口。

閉路監(jiān)視系統(tǒng)，廣播電視信號(hào)的單，雙工的傳輸。

無(wú)線激光通信設(shè)備的激光通信終端每一側(cè)分別包括專用望遠(yuǎn)物鏡(Telescope)、激光收發(fā)器部分、線路接口、電源、機(jī)械支架，部分廠商的設(shè)備還包括伺服、監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理等部分。

激光通信終端中的光源(Light source)主要分為L(zhǎng)D(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode)，其中LD多采用鋁砷化鉀二極管(AlGaAs Laser Diode)，接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche photodiode)。

另外，部分設(shè)備商的產(chǎn)品中集成了伺服裝置，用于安裝調(diào)試、組網(wǎng)調(diào)整以及由于環(huán)境因素引起的基座移動(dòng)的調(diào)整。

2.采用無(wú)線激光技術(shù)組網(wǎng)通信時(shí)需要考慮一些必要影響因素

(1)自由空間損耗(Free-Space Lose obstacle)

自由空間損耗是指激光波束在傳播過(guò)程中的擴(kuò)散引起的損耗；解決方法：提高發(fā)射功率、增加波束數(shù)量、波束聚焦。

(2)基座的偏移

建筑物的偏移：由于日光、風(fēng)力、季節(jié)的變化引起建筑物及固定基座發(fā)生偏移，通常最大4 mrad/2層樓。解決方法：自動(dòng)跟蹤、改變波束聚焦。

(3)衰減(attenuation)

在不同氣象條件下，空氣中的微粒會(huì)對(duì)激光的傳播形成不同的衰耗。表1是典型天氣條件下的數(shù)值。

(4)閃爍(scintillation)

500m之內(nèi)的閃爍影響不明顯，大于500m則影響較大。

(5)空氣散射(scattering)

激光波束在傳播路徑上由于空氣溫度的差異而引起介質(zhì)的折射率不同導(dǎo)致波束的散射產(chǎn)生的損耗。解決方法：縮短路徑；傳播路徑避免經(jīng)過(guò)排風(fēng)口、煙囪、高溫屋頂、管道等。

(6)背景噪聲

在無(wú)線激光通信組網(wǎng)過(guò)程中，當(dāng)部分終端的位置需要俯仰或東西朝向時(shí)，會(huì)遇到日光照射到終端的接收器上，日光形成的背景噪聲對(duì)正常通信有一定的影響。

另外，由于不同設(shè)備廠商在不同型號(hào)(傳輸速率)的設(shè)備上采用不同的激光器(LED/LD)和接收器(PIN/APD),在相同的天氣條件下所能達(dá)到的通信距離不盡相同，考慮到天氣及環(huán)境因素的變化，在保證誤碼率的前提下，應(yīng)留出一定的裕量。

激光的直線傳輸和擴(kuò)散角度很小的特性，使截取信息的方式只可能會(huì)在傳輸?shù)穆窂街虚g或在光束的擴(kuò)散區(qū)域中，接受器直接置于傳輸路徑中間可能會(huì)導(dǎo)致傳輸中斷，在擴(kuò)散區(qū)域，由于衰耗較大， 需要較高的接收靈敏度。另外，部分廠商采用了特殊的編碼，用以保護(hù)數(shù)據(jù)的安全?！　?/p>

激光對(duì)人體的危害，尤其是對(duì)眼睛的損傷，其損傷程度可以使眼睛視力降低，甚至完全失明，但這種損傷并非所有量級(jí)激光能引起，而是有一最低限度——即致傷閾值，只有當(dāng)激光能量密度或功率密度超過(guò)此閾值時(shí)才能對(duì)眼睛造成傷害。激光器的級(jí)別分類(lèi)提供了一個(gè)安全的參考值。

無(wú)線激光通信填補(bǔ)固定無(wú)線通信方式(受頻率資源許可、價(jià)格、帶寬等限制)與光纖通信方式(特殊地形、建網(wǎng)時(shí)間等限制)之間的空白。

可以靈活、快速地建立通信鏈路。因此，在調(diào)查和了解使用過(guò)程中不同條件和要求(傳輸?shù)木嚯x、用戶要求的傳輸速率、誤碼率、可用時(shí)間等，當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件如降雨、雪、霧、塵的天數(shù)及程度，附近鳥(niǎo)群等)的情況下，可以充分考慮采用采用無(wú)線激光通信的方式組網(wǎng)，迅速建立一個(gè)有效覆蓋、能夠?yàn)橛脩籼峁┒说蕉说木W(wǎng)絡(luò)綜合接入服務(wù)能力的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)。

空間激光通信技術(shù)

空間激光通信是指用激光束作為信息載體進(jìn)行空間包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間　通信。

激光空間通信與微波空間通信相比，波長(zhǎng)比微波波長(zhǎng)明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了空間激光通信具有通信容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護(hù)經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。

1、大通信容量：激光的頻率比微波高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)(其相應(yīng)光頻率在1013-1017 Hz)作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術(shù)可以移植到空間通信中來(lái)，目前光纖通信每束波束光波的數(shù)據(jù)率可達(dá)20Gb／s以上，并且可采用波分復(fù)用技術(shù)使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的優(yōu)勢(shì)。

2、低功耗：激光的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可大大降低，功耗相對(duì)較低。這對(duì)應(yīng)于能源成本高昂的空間通信來(lái)說(shuō)，是十分適用的。

3、體積小、重量輕：由于空間激光通信的能量利用率高，使得發(fā)射機(jī)及其供電系統(tǒng)的重量減輕；由于激光的波長(zhǎng)短，在同樣的發(fā)散角和接收視場(chǎng)角要求下，發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

4、高度的保密性激光具有高度的定向性，發(fā)射波束纖細(xì)，激光的發(fā)散角通常在毫弧度，這使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾、防竊聽(tīng)的能力。

5、激光空間通信具有較低的建造經(jīng)費(fèi)和維護(hù)經(jīng)費(fèi)。

衛(wèi)星激光通信技術(shù)

一、衛(wèi)星激光通信的優(yōu)點(diǎn)

衛(wèi)星激光通信是以激光為傳輸媒介，在衛(wèi)星之間建立光通信鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)與微波通信系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、大信道容量

激光的頻率比微波高3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，作為通信的載體意味著更大的可資利用頻帶。光通信每通道的數(shù)據(jù)速率可達(dá)20Gb/s以上，并且還可采用波分復(fù)用的技術(shù)使通信容量成倍上升，隨著技術(shù)的進(jìn)步還將有大幅度上升。

2、低功耗

激光的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機(jī)的望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，從而發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可以大大降低，通信發(fā)射機(jī)功耗相對(duì)較低。這對(duì)于衛(wèi)星通信這種功率資源寶貴的場(chǎng)合十分適用。

3、重量輕

發(fā)射機(jī)較低的發(fā)射功率和功率消耗使得發(fā)射機(jī)及其供電系統(tǒng)的重量得以下降；同時(shí)因?yàn)榧す獾牟ㄩL(zhǎng)短，在同樣的發(fā)射波束發(fā)散角和接收視場(chǎng)角要求下，發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都可以較小。激光通信擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量和體積可以減輕很多，這對(duì)于衛(wèi)星通信是十分有利的。

4、高度的保密性

激光具有高度的定向性，發(fā)射波束纖細(xì)，并且在短時(shí)間內(nèi)能夠傳輸大量數(shù)據(jù)，從而減少持續(xù)通信時(shí)間。因此衛(wèi)星激光通信具有高度的保密性和抗干擾性，能有效地防止竊聽(tīng)和偵測(cè)，對(duì)于軍事和民用都有較大的意義。典型的衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)波束發(fā)散角為10?rad。

二、衛(wèi)星激光通信的難點(diǎn)

衛(wèi)星間激光通信具有上述優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也同樣帶來(lái)了衛(wèi)星間光通信技術(shù)上的難點(diǎn)及其獨(dú)有的特點(diǎn)：

1、衛(wèi)星光鏈路的空間瞄準(zhǔn)、捕捉和跟蹤。衛(wèi)星激光通信的發(fā)射波束很窄，這為其帶來(lái)很多優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)發(fā)射波束窄又在技術(shù)上造成巨大困難。

相距很遠(yuǎn)的兩顆衛(wèi)星之間存在相互的高速運(yùn)動(dòng)，并且由衛(wèi)星本身的振動(dòng)可造成發(fā)射光束的抖動(dòng)，這種情況下將通信發(fā)射光束準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)、照射并鎖定在接收端衛(wèi)星上是有相當(dāng)難度的。

因此，兩個(gè)通信終端目標(biāo)間的相互捕捉、瞄準(zhǔn)、跟蹤（Acquisition，Pointing，Tracking 簡(jiǎn)稱APT）技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，這也是致使衛(wèi)星光通信發(fā)展緩慢的原因之一。

2、存在背景光的影響。這些背景光主要來(lái)源于太陽(yáng)、月亮、金星、地球和其他星球的輻射、反射，各背景光源的輻射強(qiáng)度不同，頻譜分布不同，對(duì)接收機(jī)所成的張角也不同。當(dāng)接收機(jī)視場(chǎng)角包含的噪聲源不同時(shí)，接收機(jī)受到的影響也不同。

根據(jù)有關(guān)資料，背景光有時(shí)可以達(dá)到很強(qiáng)的程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收到的信號(hào)光強(qiáng)度，這就要求衛(wèi)星之間的通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗背景噪聲能力。而光纖通信系統(tǒng)由于激光在光纖中傳播，背景光不能進(jìn)入光纖，所以不存在背景光問(wèn)題。

3、終端之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。軌道之間的鏈路（IOL）上兩顆衛(wèi)星之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使激光產(chǎn)生多譜勒頻移，頻移量大小為±10GHz，頻率變化速率為±13MHz/s，這對(duì)于某些通信的調(diào)制/解調(diào)方案會(huì)產(chǎn)生較大的影響。光纖通信系統(tǒng)中的終端位置固定，不存在激光的多譜勒頻移問(wèn)題。

4、衛(wèi)星之間的通信距離遠(yuǎn)。地球同步衛(wèi)星到地球同步衛(wèi)星（GEO-GE0）之間的通信距離可達(dá)42000公里。即使低軌道衛(wèi)星到低軌道衛(wèi)星（LEO-LEO）之間也有上千公里。半導(dǎo)體激光器發(fā)射功率?。ㄒ话阒挥袔资镣叩綆装俸镣撸獠ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中有自由空間損耗、定位損耗，激光波束的強(qiáng)度是按距離的平方遞減的，也就是意味著距離衰減很大，鏈路中間不能加中繼。這就要求通信系統(tǒng)具有高的接收靈敏度，否則背景輻射等噪聲的影響會(huì)使誤碼率達(dá)到不可接受的程度。除從檢測(cè)器本身入手以外，糾錯(cuò)編碼、外差接收等都是可能的解決途徑。

5、衛(wèi)星之間的激光通信對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求高。這是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)、接收機(jī)都在衛(wèi)星上，衛(wèi)星發(fā)射升空后在對(duì)其進(jìn)行維護(hù)幾乎不可能。

三、 衛(wèi)星激光通信的最新研究狀況

目前世界衛(wèi)星激光通信已經(jīng)從理論研究進(jìn)入到應(yīng)用基礎(chǔ)和試驗(yàn)階段，發(fā)展日新月異。在各國(guó)眾多的光通信研究計(jì)劃中，處于領(lǐng)先地位的技術(shù)集中在少數(shù)幾個(gè)項(xiàng)目之中。

目前唯一一個(gè)可以在衛(wèi)星間通信試驗(yàn)成功的計(jì)劃是歐洲宇航局(ESA)的SILEX計(jì)劃。SILEX計(jì)劃是研究GEO和LEO之間的通信。SILEX對(duì)低軌道衛(wèi)星SPOT4與同步軌道衛(wèi)星ARTEMIS間激光通信進(jìn)行了地面最終測(cè)試和飛行性能評(píng)估。帶有SILEX通信端機(jī)的SPOT4衛(wèi)星于1998年3月22日成功發(fā)射，載有PASTEL通信端機(jī)的的ARTEMIS于2001年7月12日發(fā)射升空。

2001年11月22日，由低軌道衛(wèi)星SPOT4帶有的通信端機(jī)SILEX向同步軌道衛(wèi)星ARTEMIS進(jìn)行世界上首次激光通信試驗(yàn)并獲得成功，傳輸碼率為50Mbps。此次通信實(shí)驗(yàn)室成功，可以說(shuō)具有劃時(shí)代的意義，說(shuō)明衛(wèi)星激光通信終于可以進(jìn)入了實(shí)用化的階段。這套系統(tǒng)提供和CNES地球觀測(cè)衛(wèi)星建立聯(lián)系的激光數(shù)據(jù)鏈路。CNES衛(wèi)星在離地球832公里的高度運(yùn)動(dòng)，而Artemis衛(wèi)星在一高達(dá)31000公里的太空軌道上。

通過(guò)激光數(shù)據(jù)鏈路，低軌道衛(wèi)星SPOT 4采集的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地經(jīng)Artemis送往Toulouse（法國(guó)南部城市），這樣大大地減少了采集圖像、發(fā)送數(shù)據(jù)回地面站的時(shí)間。這種傳輸只要兩衛(wèi)星光束不被地球遮擋就都能進(jìn)行。建立光鏈路的主要挑戰(zhàn)在于將一束極窄的信標(biāo)光準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)到正以7000m/s的速度飛行的對(duì)方衛(wèi)星。

值得一提的是，ESA從2003年以來(lái)，已經(jīng)在LEO—GEO間開(kāi)展了日常激光通信業(yè)務(wù)，每天在兩顆衛(wèi)星可相視的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行2次數(shù)據(jù)率為50 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，鏈路總時(shí)間超過(guò)300小時(shí)，已達(dá)到商用化水平。2002年4月，ESA也完成了被他們視作衛(wèi)星光通信發(fā)展里程碑的GEO—地光鏈路實(shí)驗(yàn)。

1999年，美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了雙向46.8公里水平地面光鏈路實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)為未來(lái)衛(wèi)星與地面站間激光通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是有關(guān)減輕大氣影響的設(shè)計(jì)提供一個(gè)較早的評(píng)估。另外由美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室資助，F(xiàn)Y1998在為先進(jìn)外層空間系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃（ADSSD）設(shè)計(jì)和發(fā)展一個(gè)光通信（Opcomm）子系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究的目標(biāo)在于最終能夠提供一種原型設(shè)備，它能在外層空間的巨大距離下建立上行和下行的雙向鏈路，并同時(shí)具備廣泛的搜索功能。美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室還開(kāi)發(fā)研制了自由光通信分析軟件（FOCAS），為了給任務(wù)計(jì)劃者，系統(tǒng)工程師和通信工程師提供一種容易使用的工具來(lái)分析直接檢測(cè)光通信鏈路，F(xiàn)OCAS程序能提供友好的界面，強(qiáng)有力而靈活的設(shè)計(jì)模式。

美國(guó)AT公司進(jìn)行了STRV-2激光通信地面終端水平鏈路性能研究。該實(shí)驗(yàn)地面通信距離為13.8公里，通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)對(duì)1999年六月發(fā)射的STRV-2衛(wèi)星與地面光通信進(jìn)行先期的地面測(cè)試。2000年7月7日，安裝STRV-2模塊的TSX-5飛行器被發(fā)射升空。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室1999年提出利用商業(yè)成熟應(yīng)用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間激光通信鏈路。衛(wèi)星激光通信的一種侯選技術(shù)是應(yīng)用1550nm地面光纖技術(shù)（EDFA和WDM）。

他們利用目前已有的器件建立了一個(gè)發(fā)射和前置放大接收OOK測(cè)試系統(tǒng)，在碼率為155 ，622和2488Mbps條件下研究了衛(wèi)星通信所感興趣的一些參數(shù)，如濾光器帶寬，判決門(mén)限，消光率和動(dòng)態(tài)范圍等。結(jié)果表明1550nm地面光纖技術(shù)可以被應(yīng)用于衛(wèi)星間激光通信鏈路中。

國(guó)外針對(duì)大氣擾動(dòng)對(duì)衛(wèi)星光通信的影響也進(jìn)行了許多研究。

美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)1999年提出了一個(gè)新型的相干陣列探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠消除激光通信中由于大氣擾動(dòng)和目標(biāo)移動(dòng)所造成的相位起伏和多譜勒頻移，同時(shí)解決了光電相位鎖定環(huán)路所造成最大頻率限制問(wèn)題。

這種方案應(yīng)用了一束參考激光和一束偏振方向不同的信號(hào)激光作為發(fā)射光束，接收信號(hào)通過(guò)偏振光分束和一個(gè)二階混頻，由多個(gè)獨(dú)立接收器接收的相干濾波信號(hào)能自動(dòng)地同相，獲得發(fā)射信號(hào)并消除激光通信中由于大氣擾動(dòng)和目標(biāo)移動(dòng)所造成的相位起伏和多譜勒頻移。該方案使系統(tǒng)更加適用于激光通信。

1999年薩里大學(xué)通信系統(tǒng)研究中心通過(guò)恒星觀測(cè)測(cè)量大氣擾動(dòng)的方案，對(duì)通信系統(tǒng)所在地大氣擾動(dòng)的預(yù)先觀測(cè)對(duì)于工作于大氣中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常重要的，恒星觀測(cè)是一種有效且方便的方法。通過(guò)這種方案可以測(cè)量大氣擾動(dòng)層的高度，水平平均風(fēng)速和折射率。

相對(duì)美國(guó)和歐洲而言，日本在衛(wèi)星光通信研究方面起步較晚，但日本后來(lái)發(fā)展迅速。日本的兩個(gè)計(jì)劃——ETS-VI和OICETS計(jì)劃是兩個(gè)十分引人注目的空間光通信研究計(jì)劃。

ETS-VI計(jì)劃旨在進(jìn)行星地之間的空間光通信實(shí)驗(yàn)，且已于1995年7月成功地在日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VI與地面站之間進(jìn)行了星-地鏈路的光通信實(shí)驗(yàn)，這是世界上首次成功進(jìn)行的空間光通信實(shí)驗(yàn)。

此舉使日本一躍而居空間光通信研究領(lǐng)域之首位。日本和歐州航天局還利用各自研制的、裝于各自衛(wèi)星上的空間光通信終端，合作進(jìn)行空間光通信系統(tǒng)的空間實(shí)驗(yàn)，這進(jìn)一步顯示出空間領(lǐng)域逐步走向國(guó)際合作化的趨勢(shì)。

日本星地鏈路光通信實(shí)驗(yàn)的成功，進(jìn)一步證明了空間光通信中難度最大的鏈路——星地鏈路的可行性。此外，日本還在OICETS計(jì)劃中，積極研制專用于進(jìn)行空間光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的小型光學(xué)星間通信工程試驗(yàn)衛(wèi)星(OICETS)。OICETS只攜帶光學(xué)終端、質(zhì)量為500kg，它將在500km的低軌道上運(yùn)行。OICETS的目的是在空間對(duì)空間光通信的探測(cè)、跟蹤等光學(xué)技術(shù)及光學(xué)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)及改進(jìn)空間光通信技術(shù)及裝置。

載有激光終端的OICETS衛(wèi)星于2005年8月24日成功升空，該衛(wèi)星現(xiàn)在改名為KIRARI，該低軌衛(wèi)星于 2005年12月9日首次成功地與ARTEMIS衛(wèi)星進(jìn)行了雙向激光通信實(shí)驗(yàn)，這使得衛(wèi)星光通信技術(shù)向?qū)嵱没矫嬗诌~出了一大步。

2005年12月以來(lái)，該衛(wèi)星一直在進(jìn)行日常激光通信試驗(yàn)，取得大量有關(guān)星間光通信技術(shù)的寶貴資料。其總系統(tǒng)組成包括NASDA的OICETS（KIRARI）衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（DRTS）、跟蹤控制中心（TACC）、國(guó)內(nèi)跟蹤通信站、EAS的ARTEMIS衛(wèi)星和地面站。概念圖如圖一所示。

KIRARI衛(wèi)星完成與ARTEMIS衛(wèi)星間的雙向激光通信實(shí)驗(yàn)后，將衛(wèi)星姿態(tài)做大調(diào)整，將頭底位置互換，即將激光終端位置由衛(wèi)星頂部轉(zhuǎn)到衛(wèi)星底部，這樣可實(shí)施衛(wèi)星與地面的激光通信。2006年3月18日，KIRARI衛(wèi)星與日本東京地面光學(xué)站成功地進(jìn)行了國(guó)際上首次LEO-地面的激光通信試驗(yàn)。

我國(guó)在衛(wèi)星光通信方面的研究工作剛剛起步，處在單元技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的模擬研究階段。主要研究單位有北京大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)等。

來(lái)源：光電資訊