第9章 星际激光通信
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1、光通信原理与技术光通信原理与技术2022-5-30第第9章章 星间激光通信星间激光通信 2022-5-302022-5-30卫星光通信链路分类卫星光通信链路分类v星间链路星间链路 ISL IOLv星地链路星地链路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步轨道低轨道星地链路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步轨道低轨道星地链路2022-5-309.3.1 主要问题及对策主要问题及对策2022-5-30主要问题主要问题v 共性问题共性问题 损耗 通信光束的对准、捕捉和跟踪 背景噪声 多谱勒频移v 星地光通信面临的问题星地光通信面临的问题 大气信道 衰减/湍流2022-5-30
2、损耗损耗v 自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比反比v 星间距离通常在数千到数万公里星间距离通常在数千到数万公里v 自由空间损耗自由空间损耗 在在250dB以上以上24lg10dLf2022-5-30光学天线光学天线-解决损耗问题解决损耗问题v 天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比 v 光波波长在光波波长在 m数量级，小口径天线即可获得巨大增益数量级，小口径天线即可获得巨大增益v 工作波长为工作波长为1550 nm时，时，20cm口径的天线即可实现口径
3、的天线即可实现110dB以上的以上的增益增益)(lg102DG2022-5-30发散角问题发散角问题v 圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比径成反比 v 20cm口径的天线工作在口径的天线工作在1550nm波长时，其波长时，其3dB光束发散角仅为光束发散角仅为7.9 rad v 开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准dP02. 122/2022-5-30PAT子系统子系统-解决对准问题解决对准问题v瞄准、捕获和跟踪（瞄准、捕获和跟踪（PAT）子系统）子系
4、统 瞄准-天线指向 捕获-实现通信光束的对准 跟踪-吸收卫星机械振动引起的光束偏移2022-5-30广谱宇宙噪声广谱宇宙噪声0.60.40.81.01.21.41.620406080100SiGeInGaAsP波长波长 ( m)量量子子效效率率%几种常用光电检测器的波长响应特性2022-5-30光学滤波器光学滤波器-解决背噪问题解决背噪问题v 光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流v 光学滤波技术成熟，大量应用于光学滤波技术成熟，大量应用
5、于DWDM系统系统 闪耀光栅 多层介质薄膜 阵列波导干涉型 光纤光栅型2022-5-30多普勒频移多普勒频移v 光载波频移大小：光载波频移大小：v IOL链路存在此问题影响链路存在此问题影响v GEO-LEO链路中，多普勒频移量接近链路中，多普勒频移量接近9GHz，对应的波长，对应的波长变化范围约变化范围约0.08nmv光源光源观察者观察者光源运动方向光传播方向ff1cos112cv2022-5-30大气信道大气信道v 大气效应大气效应 大气吸收 大气散射 大气湍流v 对光束的影响对光束的影响 衰减 多径色散 到达角起伏 闪烁2022-5-30选择工作波长选择工作波长天天顶顶角角= =0 0大
6、大气气质质量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能见见度度极极佳佳（31km）对对大大气气质质量量比比等等于于1时时7 70 0. .5 5，3 3波波长长 （ m）020406080100透透射射率率（%）天天顶顶角角= =0 0大大气气质质量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能见见度度极极佳佳（31km）对对大大气气质质量量比比等等于于1时时7 70 0. .5 5，3 3波波长长 （ m）020406080100透透射射率率（%）避开大气高损耗波长2022-5-30AO-部分解决大气湍流问题部分解决大气湍流
7、问题v 自适应光学（自适应光学（AO）技术，在天文观察领域提出，用于改善）技术，在天文观察领域提出，用于改善大气湍流条件下的天体成像质量大气湍流条件下的天体成像质量v AO主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上光斑的功率波动，提高接收性能光斑的功率波动，提高接收性能2022-5-309.3.2 卫星光通信系统卫星光通信系统2022-5-30总体功能框图总体功能框图调制器信号光源光电检测误差检测误差信号处理伺服机械合束器分束器精瞄跟踪装置光学收发天线粗瞄装置信标信号信标光源接收机光学天线平台发射光束接收光束信息数据输入输出控制计算机v 系
8、统组成系统组成 光学天线子系统 PAT子系统 光波调制解调子系统2022-5-30光学天线子系统光学天线子系统v 星间激光通信中，光学天线的作用十分重要，星间激光通信中，光学天线的作用十分重要， 主要表现在主要表现在两方面：两方面： 在发送端 对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径，可以有效的压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端 增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰，可充分提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离2022-5-30光学天线类型光学天线类型v 常见类型常见类型 折射式天线 伽利略式 开普勒式 反射式天线 单反射面 双（多）反射面 折反射组合
