"火星宽带"：激光助力NASA未来的深空通信

美国国家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）项目将于今年秋天启动，该项目将测试激光如何加快数据传输的速度，远远超过目前太空中使用的射频系统的容量。DSOC被称为技术演示，它可能会为宽带通信铺平道路，帮助支持人类的下一次飞跃：NASA将宇航员送上火星。

美国国家航空航天局（NASA）的深空光通信（DSOC）项目将于今年秋季启动，旨在探索激光在增强空间数据传输方面的能力。

DSOC近红外激光收发器（一种可以发送和接收数据的设备）将"搭载"美国国家航空航天局的"Psyche"任务，该任务将于今年10月发射到一颗富含金属的同名小行星上。在旅程的头两年，收发器将与南加州的两个地面站进行通信，测试高灵敏度的探测器、强大的激光发射器以及解码收发器从深空发送的信号的新方法。

深空光通信（DSOC）飞行收发器位于 Psyche 航天器上一个大型管状遮阳板和望远镜内，如图所示，它位于 JPL 的一个无尘室内。上一张照片（插图）显示了收发器与航天器集成之前的装配情况。图片来源：NASA/JPL-Caltech

光通信的潜力

美国国家航空航天局（NASA）专注于激光或光学通信，因为它具有超越无线电波带宽的潜力，而半个多世纪以来，美国国家航空航天局一直依赖于无线电波。无线电和近红外激光通信都使用电磁波来传输数据，但近红外光将数据打包成更紧密的波段，使地面站能够一次性接收更多数据。

"位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的 DSOC 项目技术专家 Abi Biswas 说："DSOC 的设计目的是展示 10 到 100 倍于目前太空中使用的最先进无线电系统的数据传输能力。用于近地轨道和月球轨道卫星的高带宽激光通信已经得到验证，但深空提出了新的挑战"。

目前，前往深空的任务比以往任何时候都多，而且它们有望以复杂的科学测量、高清图像和视频的形式产生比以往任务多得多的数据。因此，像 DSOC 这样的实验将在帮助 NASA 推进未来航天器和地面系统常规使用的技术方面发挥至关重要的作用。

加利福尼亚州圣迭戈县加州理工学院帕洛玛天文台的黑尔望远镜将接收来自 DSOC 飞行收发器的高速数据下行链路。该望远镜配备了一个新型超导探测器，能够对来自深空的单个光子的到达时间进行计时。资料来源：帕洛玛/加州理工学院

"DSOC代表了NASA下一阶段开发革命性改进通信技术的计划，这些技术有能力增加太空数据传输--这对NASA未来的雄心壮志至关重要，"位于华盛顿的NASA总部技术示范任务（TDM）计划主任特鲁迪-科特斯（Trudy Kortes）说。"我们很高兴有机会在Psyche的飞行中测试这项技术。"

突破性技术

搭载在Psyche上的收发器采用了多项新技术，其中包括一台前所未见的光子计数相机，该相机连接到一个从航天器侧面伸出的8.6英寸（22厘米）孔径望远镜上。收发器将自主扫描并"锁定"由 JPL 位于加利福尼亚州赖特伍德附近的光通信望远镜实验室发射的高功率近红外激光上行链路。激光上行链路还将演示向收发器发送指令。

NASA总部空间通信与导航（SCaN）项目执行官杰森-米切尔（Jason Mitchell）说："功能强大的上行链路激光器是这项技术演示的关键部分，它可以为航天器提供更高的速率，我们地面系统的升级将使未来的深空任务实现光通信。"

锁定上行链路激光器后，收发器将定位加州理工学院帕洛玛天文台的 200 英寸（5.1 米）海尔望远镜，该天文台位于加利福尼亚州圣迭戈县，在桌山以南约 100 英里（130 公里）处。然后，收发器将使用其近红外激光器向帕洛玛天文台传输高速率数据。航天器的振动可能会使激光偏离目标，而将收发器固定在"诗神"号上的最先进的支柱将对振动起到抑制作用。

为了接收来自 DSOC 收发器的高速下行激光，黑尔望远镜安装了一个新颖的超导纳米线单光子探测器组件。该组件经过低温冷却，可以检测到单个入射激光光子（光量子粒子）并记录其到达时间。激光光子以脉冲串的形式传输，必须飞行超过2亿英里（约合3亿公里）--这是航天器在这次技术演示中最远的距离--然后才能检测到微弱的信号，并对其进行处理以提取信息。

JPL的DSOC项目经理比尔-克里普斯坦（Bill Klipstein）说："DSOC的每一个组件都展示了新技术，从高功率上行链路激光器到收发器望远镜上的指向系统，再到能够在单光子到达时对其进行计数的极其灵敏的探测器。"团队甚至需要开发新的信号处理技术，以便从远距离传输的微弱信号中提取信息"。

挑战与创新

遥远的距离给技术演示带来了另一个挑战： Psyche的旅程越远，光子到达目的地的时间就越长，会产生长达数十分钟的滞后。在激光光子传播的过程中，地球和航天器的位置将不断变化，因此需要对这种滞后进行补偿。

比斯瓦斯说："在处理地球和 Psyche 的相对运动的同时，将激光指向并锁定在数百万英里之外，这对我们的项目是一个令人兴奋的挑战。"

什么是激光通信激光通信主要分为哪几类

激光，是利用单色光进行受激辐射后产生的光，特点是方向性强、亮度高、单色性好、相干性强。

激光和微波一样都属于电磁波，但频率比微波要高几个数量级。

激光通信，顾名思义就是利用激光来传递数据，基本原理是将信号调制到激光的频率、振幅或者相位上面，然后进行传输。

根据传输介质的不同，激光主要分为三类：光纤通信，激光大气通信，自由空间激光通信。 在激光通信的早期，激光大气通信技术吸引了发达国家投入大量人力物力进行研发。 但由于大气信道衰减补偿、大气信道折射率不均匀变化、器件和材料不过关、难以精确对接等技术难题，激光大气通信没有进入大规模商用。 目前应用最广泛的是光纤通信，另外两种通信方式也在近些年再度受到各技术强国的重视，取得了很大进展。

光纤通信

20世纪60年代，高锟和G.A.Hockham经过仔细论证，提出了基于光纤的远距离通信方案。几年后光纤的衰减达到了高锟的要求，光纤传输成为现实。1975年，美国在芝加哥开通了第一条光纤通信实验线路，光纤通信时代正式开启。

光纤通信

光纤的导光原理 利用光的全反射，将激光导入光纤进行传输，就是光纤通信的基本原理。 跟电缆传输比较，光纤通信有很多优势，比如超大的通信容量（单根光纤已经达到100Tbps），原料为石英（节省金属），绝缘抗干扰防窃听（在光纤内部传输）。

光纤通信

光纤入户 20世纪80年代以来，光纤通信产业一直保持着快速增长，已经成为支撑信息时代的数据传输技术。 运营商的长途干线传输，已经从电缆、微波、卫星改成了光纤传输，全球互联网干线也采用了光纤通信，我国光纤入户家庭的占比更是达到了90%以上。

激光大气通信

激光大气通信和自由空间激光通信，都是在没有传输线路（光纤）的条件下进行的点对点通信。 大气通信指的是利用空气作为传输介质，属于无线通信。

光纤通信

大气环境对光信号的影响 大气通信的优点是设备类别简单且通信容量大，单光束速率可达10Gb/s以上。缺点则是非常容易受到雨雪沙尘等天气影响。 云雨雾雪会造成信号衰减，烟尘微生物水滴造成散射，氮氧等气体分子则会吸收光信号，大气湍流带来的光斑闪烁和漂移…… 此外由于激光的指向性强，高稳定的瞄准捕获与跟踪（APT）系统就变得非常重要，这也是大气通信大规模商用的难点之一。 水下蓝绿激光通信 我国在激光大气通信的研究方面起步比较晚，不过近些年进展较快。例如2009年的时候，西安理工大学便研发出通信距离长达3km~5km的大气激光视频传输系统，实现了全天候不间断的视频数据传输。 随着材料技术、工艺技术、APT系统、大气补偿算法等关键技术的不断完善，大气激光通信应该会迎来一轮大发展，适用领域包括楼宇通信、跨河通信、岛屿入网、水下通信等等。

自由空间激光通信

与激光大气通信的最大不同在于，自由空间激光通信主要用在太空领域，因此信道环境充斥着各种复杂的电磁波，在系统组成、关键部件和传输容量上倒是跟大气通信相差不大。 自由空间激光通信既可用于卫星-卫星通信（星星传输），也可用于卫星-地面通信（星地传输）。 由于通讯距离长达几千甚至上万公里，因此激光发散小、能量集中的特性可以大大降低发射机的功率和重量，发射端和接收端的口径也相应大大缩小。 在星星传输和星地传输的场景下，体积小巧、功耗低、传输容量大，就成为激光通信相比于微波通信的巨大优势。 最近几年，国内外对自由空间激光通信的研发投入不断加快。 我国早在2017年，就成功进行了国际首次高轨卫星-地面的双向激光通信试验，实测距离地球近4万公里的卫星和地面之间（星地传输）的通信速率达到5Gbps。 国际上，SpaceX在2020年进行了一次试验，两颗Starlink互联网卫星利用搭载的激光通讯载荷，传输了数百GB的数据（星星传输），为布局SpaceX公司的天基网络提供了重要参考。 激光大气通信和自由空间激光通信成熟之后，将会和地面上的光纤通信网络交叉融合，构建出立体的天-空-地-海光通信网络，互联网将真正做到随时随地接入。

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