一文解读激光通信技术的应用

通信是一种利用激光传输信息的通信方式。激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。

按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信。光纤通信是利用光纤传输光信号的通信方式。今天的光学应用为各位光学人带来的是关于激光通信的内容，有兴趣的朋友们可以看看！

激光是一种方向性极好的单色相干光。利用激光来有效地传送信息，叫做激光通信。激光通信系统组成设备包括发送和接收两个部分。

发送部分主要有激光器、光调制器和光学发射天线。接收部分主要包括光学接收天线、光学滤波器、光探测器。要传送的信息送到与激光器相连的光调制器中，光调制器将信息调制在激光上，通过光学发射天线发送出去。在接收端，光学接收天线将激光信号接收下来，送至光探测器，光探测器将激光信号变为电信号，经放大、解调后变为原来的信息。

优点

1. 通信容量大。在理论上，激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话。

2. 保密性强。激光不仅方向性特强，而且可采用不可见光，因而不易被敌方所截获，保密性能好。

3. 结构轻便，设备经济。由于激光束发散角小，方向性好，激光通信所需的发射天线和接收天线都可做的很小，一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。

弱点

1. 通信距离限于视距（数公里至数十公里范围），易受气候影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。大气中的氧、氮、二氧化碳、水蒸汽等大气分子对光信号有吸收作用；大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、烟、冰晶、盐粒子、微生物和微小水滴等对光信号有散射作用。云、雨、雾、雪等使激光受到严重衰减。地球表面的空气对流引起的大气湍流能对激光传输产生光束偏折、光束扩散、光束闪烁（光束截面内亮斑和暗斑的随机变化）和像抖动（光束会聚点的随机跳动）等影响。

2. 不同波长的激光在大气中有不同的衮减。理论和实践证明：波长为0.4～0.7μm以及波长为0.9、1.06、2.3，3.8，10.6μm的激光衰减较小，其中波长为0.6μm的激光穿雾能力较强。大气激光通信可用于江河湖泊、边防、海岛、高山峡谷等地的通信；还可用于微波通信或同轴电缆通信中断抢修时的临时顶替设备。波长为0.5μm附近的蓝绿激光可用于水下通信或对潜艇通信。

3. 瞄准困难。激光束有极高的方向性，这给发射和接收点之间的瞄准带来不少困难。为保证发射和接收点之间瞄准，不仅对设备的稳定性和精度提出很高的要求，而且操作也复杂。

应用

1. 地面间短距离通信；

2. 短距离内传送传真和电视；

3. 由于激光通信容量大，可作导弹靶场的数据传输和地面间的多路通信。

4. 通过卫星全反射的全球通信和星际通信，以及水下潜艇间的通信。

无线激光通信技术

无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间(陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信＂,“无纤激光通信”或“无线激光网络”。

无线激光通信以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，属于新型应用技术，早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着技术的发展，近年来逐渐应用于商用的地面通信，技术也在逐步完善。

一、无线激光通信的优势

相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括：

1.无须授权执照

无线激光通信工作频段在365——326 THz(目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm——920nm)，设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。

2.安全保密

激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

3.实施成本相对低廉

无须进行昂贵的管道工程铺设和维护，其造价约为光纤通信工程的五分之一。

4.建网快速

无线激光通信建网速度快，只须在通信点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计量单位，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。对于重新撤换部署也很方便容易。

5.协议的透明性

以光为传输机制，任何传输协议均可容易的迭加上去，电路和数据业务都可透明传输。

6.设备尺寸小

由于光波波长短(约零点几微米到几十微米)，在同样功能情况下，光收发终端的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多，具有功耗小、体积小、重量轻等特点。

7.信息容量大

光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率。Lucent贝尔实验室不久前演示了其“无线激光通信数据链路”，并且创造了在2.4公里的自由空间距离上以2.5Gbit/s的速率无差错传输信息的世界记录。目前已经商用的无线激光设备，最高速率已达622Mbit/s。

二、无线激光通信的缺点

当然，无线激光通信也有其固有的缺点：

1.只能在视线范围内建立链路

两个通信点之间视线范围内必须无遮挡，必要的时候需要考虑线路中间将来可能出现的树木，建筑物的遮挡。对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输，可以通过建立一个中继站实现连接。

2.通信距离受限

目前用于地面民用无线激光通信的设备所能达到的距离一般为200m到6000m,受安全发送功率、数据速率、天气等条件的限制，实际使用的距离要短一些。延长直视的两点之间的传输距离可以通过建立中继站的方法。

3.天气影响链路的可靠性

天气因素尤其是大雾所引起的光的色散影响激光通信的可靠性。据测算，当距离在200——500米之间时，全球大部分地区均可达到99.999%的通信要求。

4.安装点的晃动影响激光对准

楼顶晃动(受日光，风力的影响)将影响两个点之间的激光对准，使链路质量下降。

5.意外因素使通信链路的阻断，可用性受限制

点对点及点对多点模式中，如有一条链路被隔断(如飞鸟经过链路空间)，通信将受阻。

三、无线激光通信的应用

1.无线激光主要应用场合

无线激光通信综合了光纤通信与微波通信的优点，比较适合在城域网中使用。目前的主要应用场合包括:

(1)在不具备接入条件(如：复杂地形)或带宽不足时提供高效的接入方案

在通信链路跨越高速公路、河流、拥挤的城区时，由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时，采用无线激光通信可以有效解决。

(2)解决综合业务接入的“最后一公里”

对智能小区的宽带接入，大企业Intranet的互连，大客户的宽带接入提供一种快速灵活的方案，可提供2——622Mbit/s的带宽。

(3)提供室内外、临近局域网之间的互连互通

当两座楼宇之间的办公室需要建立一条通信链路，其他通信方式不能较好的解决时(带宽、价格、线路资源)，采用无线激光通信可快速解决。

(4)对于特殊要求的线路进行备份以及应急临时链路和意外恢复

在突发的自然或人为意外灾害中，原有通信线路被破坏，难以立即恢复时，或者在一些特殊地方发生突发事件，需要应急通信，采用无线激光通信进行快速的部署。

另外对于一些大型的集会(如运动会、庆祝会等)需要快速建立一些临时链路用于现场通信。

大部分无线激光通信设备向用户提供的是业务透明的接口，因此，可以适应多种常用的通信协议，可以很灵活的接入数据，话音，视频业务。

数据网络的互连，适用于Ethernet、FDDI、Token Ring FR等不同协议的网络。

电路业务网络的互连，适用于交换机，移动基站等设备的连接，主要采用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)接口。

闭路监视系统，广播电视信号的单，双工的传输。

无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。

激光通信终端中的光源(Light source)主要分为LD(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode)，其中LD多采用铝砷化钾二极管(AlGaAs Laser Diode)，接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche photodiode)。

另外，部分设备商的产品中集成了伺服装置，用于安装调试、组网调整以及由于环境因素引起的基座移动的调整。

2.采用无线激光技术组网通信时需要考虑一些必要影响因素

(1)自由空间损耗(Free-Space Lose obstacle)

自由空间损耗是指激光波束在传播过程中的扩散引起的损耗；解决方法：提高发射功率、增加波束数量、波束聚焦。

(2)基座的偏移

建筑物的偏移：由于日光、风力、季节的变化引起建筑物及固定基座发生偏移，通常最大4 mrad/2层楼。解决方法：自动跟踪、改变波束聚焦。

(3)衰减(attenuation)

在不同气象条件下，空气中的微粒会对激光的传播形成不同的衰耗。表1是典型天气条件下的数值。

(4)闪烁(scintillation)

500m之内的闪烁影响不明显，大于500m则影响较大。

(5)空气散射(scattering)

激光波束在传播路径上由于空气温度的差异而引起介质的折射率不同导致波束的散射产生的损耗。解决方法：缩短路径；传播路径避免经过排风口、烟囱、高温屋顶、管道等。

(6)背景噪声

在无线激光通信组网过程中，当部分终端的位置需要俯仰或东西朝向时，会遇到日光照射到终端的接收器上，日光形成的背景噪声对正常通信有一定的影响。

另外，由于不同设备厂商在不同型号(传输速率)的设备上采用不同的激光器(LED/LD)和接收器(PIN/APD),在相同的天气条件下所能达到的通信距离不尽相同，考虑到天气及环境因素的变化，在保证误码率的前提下，应留出一定的裕量。

激光的直线传输和扩散角度很小的特性，使截取信息的方式只可能会在传输的路径中间或在光束的扩散区域中，接受器直接置于传输路径中间可能会导致传输中断，在扩散区域，由于衰耗较大， 需要较高的接收灵敏度。另外，部分厂商采用了特殊的编码，用以保护数据的安全。　　

激光对人体的危害，尤其是对眼睛的损伤，其损伤程度可以使眼睛视力降低，甚至完全失明，但这种损伤并非所有量级激光能引起，而是有一最低限度——即致伤阈值，只有当激光能量密度或功率密度超过此阈值时才能对眼睛造成伤害。激光器的级别分类提供了一个安全的参考值。

无线激光通信填补固定无线通信方式(受频率资源许可、价格、带宽等限制)与光纤通信方式(特殊地形、建网时间等限制)之间的空白。

可以灵活、快速地建立通信链路。因此，在调查和了解使用过程中不同条件和要求(传输的距离、用户要求的传输速率、误码率、可用时间等，当地的气象条件如降雨、雪、雾、尘的天数及程度，附近鸟群等)的情况下，可以充分考虑采用采用无线激光通信的方式组网，迅速建立一个有效覆盖、能够为用户提供端到端的网络综合接入服务能力的宽带接入网络。

空间激光通信技术

空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间　通信。

激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。

1、大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级(其相应光频率在1013-1017 Hz)作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb／s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。

2、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。

3、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。

4、高度的保密性激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

5、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。

卫星激光通信技术

一、卫星激光通信的优点

卫星激光通信是以激光为传输媒介，在卫星之间建立光通信链路，实现数据传输的技术。卫星激光通信系统与微波通信系统相比具有以下优点：

1、大信道容量

激光的频率比微波高3到4个数量级，作为通信的载体意味着更大的可资利用频带。光通信每通道的数据速率可达20Gb/s以上，并且还可采用波分复用的技术使通信容量成倍上升，随着技术的进步还将有大幅度上升。

2、低功耗

激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机的望远镜天线上的功率密度高，从而发射机的发射功率可以大大降低，通信发射机功耗相对较低。这对于卫星通信这种功率资源宝贵的场合十分适用。

3、重量轻

发射机较低的发射功率和功率消耗使得发射机及其供电系统的重量得以下降；同时因为激光的波长短，在同样的发射波束发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以较小。激光通信摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量和体积可以减轻很多，这对于卫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，发射波束纤细，并且在短时间内能够传输大量数据，从而减少持续通信时间。因此卫星激光通信具有高度的保密性和抗干扰性，能有效地防止窃听和侦测，对于军事和民用都有较大的意义。典型的卫星激光通信系统波束发散角为10rad。

二、卫星激光通信的难点

卫星间激光通信具有上述优点的同时，也同样带来了卫星间光通信技术上的难点及其独有的特点：

1、卫星光链路的空间瞄准、捕捉和跟踪。卫星激光通信的发射波束很窄，这为其带来很多优点。但同时发射波束窄又在技术上造成巨大困难。

相距很远的两颗卫星之间存在相互的高速运动，并且由卫星本身的振动可造成发射光束的抖动，这种情况下将通信发射光束准确地瞄准、照射并锁定在接收端卫星上是有相当难度的。

因此，两个通信终端目标间的相互捕捉、瞄准、跟踪（Acquisition，Pointing，Tracking 简称APT）技术相当复杂，这也是致使卫星光通信发展缓慢的原因之一。

2、存在背景光的影响。这些背景光主要来源于太阳、月亮、金星、地球和其他星球的辐射、反射，各背景光源的辐射强度不同，频谱分布不同，对接收机所成的张角也不同。当接收机视场角包含的噪声源不同时，接收机受到的影响也不同。

根据有关资料，背景光有时可以达到很强的程度，远远大于接收到的信号光强度，这就要求卫星之间的通信系统具有较强的抗背景噪声能力。而光纤通信系统由于激光在光纤中传播，背景光不能进入光纤，所以不存在背景光问题。

3、终端之间有相对运动。轨道之间的链路（IOL）上两颗卫星之间有相对运动，会使激光产生多谱勒频移，频移量大小为±10GHz，频率变化速率为±13MHz/s，这对于某些通信的调制/解调方案会产生较大的影响。光纤通信系统中的终端位置固定，不存在激光的多谱勒频移问题。

4、卫星之间的通信距离远。地球同步卫星到地球同步卫星（GEO-GE0）之间的通信距离可达42000公里。即使低轨道卫星到低轨道卫星（LEO-LEO）之间也有上千公里。半导体激光器发射功率小（一般只有几十毫瓦到几百毫瓦），光波在传播过程中有自由空间损耗、定位损耗，激光波束的强度是按距离的平方递减的，也就是意味着距离衰减很大，链路中间不能加中继。这就要求通信系统具有高的接收灵敏度，否则背景辐射等噪声的影响会使误码率达到不可接受的程度。除从检测器本身入手以外，纠错编码、外差接收等都是可能的解决途径。

5、卫星之间的激光通信对系统的可靠性要求高。这是因为发射机、接收机都在卫星上，卫星发射升空后在对其进行维护几乎不可能。

三、 卫星激光通信的最新研究状况

目前世界卫星激光通信已经从理论研究进入到应用基础和试验阶段，发展日新月异。在各国众多的光通信研究计划中，处于领先地位的技术集中在少数几个项目之中。

目前唯一一个可以在卫星间通信试验成功的计划是欧洲宇航局(ESA)的SILEX计划。SILEX计划是研究GEO和LEO之间的通信。SILEX对低轨道卫星SPOT4与同步轨道卫星ARTEMIS间激光通信进行了地面最终测试和飞行性能评估。带有SILEX通信端机的SPOT4卫星于1998年3月22日成功发射，载有PASTEL通信端机的的ARTEMIS于2001年7月12日发射升空。

2001年11月22日，由低轨道卫星SPOT4带有的通信端机SILEX向同步轨道卫星ARTEMIS进行世界上首次激光通信试验并获得成功，传输码率为50Mbps。此次通信实验室成功，可以说具有划时代的意义，说明卫星激光通信终于可以进入了实用化的阶段。这套系统提供和CNES地球观测卫星建立联系的激光数据链路。CNES卫星在离地球832公里的高度运动，而Artemis卫星在一高达31000公里的太空轨道上。

通过激光数据链路，低轨道卫星SPOT 4采集的图像数据实时地经Artemis送往Toulouse（法国南部城市），这样大大地减少了采集图像、发送数据回地面站的时间。这种传输只要两卫星光束不被地球遮挡就都能进行。建立光链路的主要挑战在于将一束极窄的信标光准确瞄准到正以7000m/s的速度飞行的对方卫星。

值得一提的是，ESA从2003年以来，已经在LEO—GEO间开展了日常激光通信业务，每天在两颗卫星可相视的时间段内进行2次数据率为50 Mbps的数据传输业务，链路总时间超过300小时，已达到商用化水平。2002年4月，ESA也完成了被他们视作卫星光通信发展里程碑的GEO—地光链路实验。

1999年，美国JPL实验室进行了双向46.8公里水平地面光链路实验，该实验为未来卫星与地面站间激光通信的系统设计，特别是有关减轻大气影响的设计提供一个较早的评估。另外由美国JPL实验室资助，FY1998在为先进外层空间系统发展计划（ADSSD）设计和发展一个光通信（Opcomm）子系统。

这项研究的目标在于最终能够提供一种原型设备，它能在外层空间的巨大距离下建立上行和下行的双向链路，并同时具备广泛的搜索功能。美国喷气动力实验室还开发研制了自由光通信分析软件（FOCAS），为了给任务计划者，系统工程师和通信工程师提供一种容易使用的工具来分析直接检测光通信链路，FOCAS程序能提供友好的界面，强有力而灵活的设计模式。

美国AT公司进行了STRV-2激光通信地面终端水平链路性能研究。该实验地面通信距离为13.8公里，通过此次实验对1999年六月发射的STRV-2卫星与地面光通信进行先期的地面测试。2000年7月7日，安装STRV-2模块的TSX-5飞行器被发射升空。

美国空军研究实验室1999年提出利用商业成熟应用技术来实现卫星间激光通信链路。卫星激光通信的一种侯选技术是应用1550nm地面光纤技术（EDFA和WDM）。

他们利用目前已有的器件建立了一个发射和前置放大接收OOK测试系统，在码率为155 ，622和2488Mbps条件下研究了卫星通信所感兴趣的一些参数，如滤光器带宽，判决门限，消光率和动态范围等。结果表明1550nm地面光纤技术可以被应用于卫星间激光通信链路中。

国外针对大气扰动对卫星光通信的影响也进行了许多研究。

美国中佛罗里达大学1999年提出了一个新型的相干阵列探测系统，该系统能够消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移，同时解决了光电相位锁定环路所造成最大频率限制问题。

这种方案应用了一束参考激光和一束偏振方向不同的信号激光作为发射光束，接收信号通过偏振光分束和一个二阶混频，由多个独立接收器接收的相干滤波信号能自动地同相，获得发射信号并消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移。该方案使系统更加适用于激光通信。

1999年萨里大学通信系统研究中心通过恒星观测测量大气扰动的方案，对通信系统所在地大气扰动的预先观测对于工作于大气中的光学系统设计是非常重要的，恒星观测是一种有效且方便的方法。通过这种方案可以测量大气扰动层的高度，水平平均风速和折射率。

相对美国和欧洲而言，日本在卫星光通信研究方面起步较晚，但日本后来发展迅速。日本的两个计划——ETS-VI和OICETS计划是两个十分引人注目的空间光通信研究计划。

ETS-VI计划旨在进行星地之间的空间光通信实验，且已于1995年7月成功地在日本的工程试验卫星ETS-VI与地面站之间进行了星-地链路的光通信实验，这是世界上首次成功进行的空间光通信实验。

此举使日本一跃而居空间光通信研究领域之首位。日本和欧州航天局还利用各自研制的、装于各自卫星上的空间光通信终端，合作进行空间光通信系统的空间实验，这进一步显示出空间领域逐步走向国际合作化的趋势。

日本星地链路光通信实验的成功，进一步证明了空间光通信中难度最大的链路——星地链路的可行性。此外，日本还在OICETS计划中，积极研制专用于进行空间光通信系统实验的小型光学星间通信工程试验卫星(OICETS)。OICETS只携带光学终端、质量为500kg，它将在500km的低轨道上运行。OICETS的目的是在空间对空间光通信的探测、跟踪等光学技术及光学装置进行实验，以评价及改进空间光通信技术及装置。

载有激光终端的OICETS卫星于2005年8月24日成功升空，该卫星现在改名为KIRARI，该低轨卫星于 2005年12月9日首次成功地与ARTEMIS卫星进行了双向激光通信实验，这使得卫星光通信技术向实用化方面又迈出了一大步。

2005年12月以来，该卫星一直在进行日常激光通信试验，取得大量有关星间光通信技术的宝贵资料。其总系统组成包括NASDA的OICETS（KIRARI）卫星、数据中继卫星（DRTS）、跟踪控制中心（TACC）、国内跟踪通信站、EAS的ARTEMIS卫星和地面站。概念图如图一所示。

KIRARI卫星完成与ARTEMIS卫星间的双向激光通信实验后，将卫星姿态做大调整，将头底位置互换，即将激光终端位置由卫星顶部转到卫星底部，这样可实施卫星与地面的激光通信。2006年3月18日，KIRARI卫星与日本东京地面光学站成功地进行了国际上首次LEO-地面的激光通信试验。

我国在卫星光通信方面的研究工作刚刚起步，处在单元技术及关键技术的模拟研究阶段。主要研究单位有北京大学、成都电子科技大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、武汉六博光电等。

微小卫星激光通信的关键技术及发展现状

空间激光通信凭借其速率高、体积小、质量轻和功耗低的优势，成为卫星间高速通信不可或缺的有效手段，特别在微小卫星应用场合，更能体现激光通信的优势。文章详细介绍了微小卫星激光通信技术领域最新的研究进展。在此基础上，总结了需要突破的同轨终端轻小型化、异轨终端轻小型化、大气湍流影响抑制等关键技术，归纳了工程化应用、双工通信、单点对多点、国产化和批产能力 5 个方面的发展趋势。 1 引 言

质量在 1000 kg 以下的人造卫星统称为“微小卫星”。按照质量由大到小其又可以进一步划分为小卫星、微卫星、纳卫星、皮卫星和飞卫星等。该类卫星具有研制周期短、成本低的特点。由微小卫星构成的卫星网络，在遥感、测距、通信等领域均有其优势，尤其在空间信息网络领域具有广阔的应用前景，可以提供具有低延迟，低成本、高速度、高可靠性的卫星服务。微小卫星已被视为卫星互联网的重要组成。

得益于卫星技术和航天发射技术的进步，逐渐具备低轨道微小卫星系统的大规模部署的条件，继而对星间、星地互联互通数据传输提出了更高的要求，同时微小卫星对其载荷尺寸、质量、功耗和成本，即 SWPaC（Size, Weight, Power and Cost）4 个方面要求很高。空间激光通信技术具有传输速率高、体积小、质量轻、功耗低、距离远、保密性好和抗干扰能力强等特点，其中速率高、体积小、质量轻和功耗低的特点特别适合应用于微小卫星平台，以适应高通量卫星星座对星间、星地数据传输需求。因此，微小卫星激光通信技术迎来发展契机。

微小卫星间通过激光通信方式进行互联互通，构建成激光通信网络。该网络呈现“网状网” 拓扑结构，根据通信链路类型的不同，各节点激光通信系统的用途、功能组成和技术参数也不同。

文章第 2 部分主要围绕用途、功能组成和技术参数 3 个方面总结微小卫星激光通信系统的最新发展现状，第 3 部分总结微小卫星激光通信系统的关键技术，第 4 部分归纳微小卫星激光通信技术的发展趋势。

2 微小卫星激光通信系统发展现状

卫星星座各个卫星节点间的激光链路是通过搭载在卫星上的激光通信系统互联实现的，近年来，典型微小卫星激光通信系统包括美欧日等国的 OCSD、CLICK、VSOTA、FITSAT 和国内的行云 T5。此外，商业化终端也正在形成，包括国外的 OPTEL-μ、Mynaric CONDOR 和 SA photonics Nexus 等。

2.1 OCSD

OCSD 卫星是由美国 NASA 和美国航空航天公司联合研制的，旨在演示甚小卫星通过激光 通信提供高速率数据通信的能力，以验证星地通信。

OCSD-A 星于 2015 年 10 月发射，试验卫星因姿态控制系统发生问题，导致无法对星上的激光通信载荷进行测试。

OCSD-B/C 星于 2017 年 11 月发射，试验验证了卫星对地下行 50/100 Mbps 的通信能力。

OCSD-B/C 的主要技术参数如表 1 所示。

表 1 OCSD-B/C 系统主要技术参数

OCSD 地面站的主要技术参数如表 2 所示。

表2 地面站主要参数

下行 50 Mbps 和 100 Mbps 的通信结果如图 2所示。可见，在没有纠错条件下误码率高达 1.0×10−6。

图2 下行通信误码率（卫星对地）

2.2 CLICK-B/C

由美国麻省理工学院 MIT（Massachusetts Institute of Technology） 、佛罗里达大学 UF（University of Florida）和美国航空航天局埃姆斯研究中心（NASA Ames Research Center）联合研制的CLICK 系统，用于验证星间、星地激光通信。

CLICK-B/C 系统包括光学和电子学两部分， 如图 3（彩图见期刊电子版）所示，终端上半部分为光学系统，下半部分电子学系统，外形尺寸为1.5 U（96 mm×96 mm×147 mm）。激光终端采用卫星作为粗指向机构（Coarse Pointing Assembly，CPA），利用星历数据解算卫星开环粗指向。精指向机构（Fine Pointing Assembly，FPA）是快速反射镜。

CLICK 终端设计中采用了信标光（976 nm）和信号光（1 537/1 563 nm），粗跟信标光收发分立设计，信标光发散角全角为 22.2 mrad（1/e2），发射功率为 250 mW，信标光接收分为两部分，分别为粗跟位置解算和精跟位置解算两个支路。其中：粗跟解算支路使用分立镜头 ，型号为 Aptina MT9P031，其通光口径为 16.1 mm，利用 CMOS 面阵探测器解算光斑位置，信标光精跟位置解算支路用四象限探测器作为位置传感器，与信号光收发支路共用开普勒 10 倍缩束望远系统，通光口径为 20 mm，利用微机电快反镜（MEMS FSM）作为 FPA，空间光缩束后，经由近红外/短波红外分色片和短波红外 1 537/1 563 nm分色片共分为 3 个光学支路，分别是信标光精跟位置解算支路，信号光发射支路和通信支路。在信标光精跟支路和信号光通信支路上装有相应谱段的窄带滤光片。信号光发散角全角为 120.2 μrad（1/e2），发射功率为 200 mW。通信支路利用 200 μm 空间靶面 APD 作为探测器。

图 3 （a）CLICK 激光终端布局及（b）原理框图

CLICK 的主要技术参数如表 3 所示。

表 3 CLICK 系统的主要技术参数

2.3 VSOTA

由日本情报通信研究机构（National Institute of Information and Communication Technology, NICT）和东北大学（Tohoku University）联合研制的超小型激光发射模块，用于验证星地激光通信。

VSOTA 的组成如图 4 所示。可见，VSOTA主要分为 VSOTA-COL和 VSOTA-E 两部分，其中：VSOTA-COL 包括激光准直发射和立方体两个部分，发射激光波长分别是 1 540 nm和 980 nm，采用分立光路发射方案，立方体用于装星标校；VSOTA-E 为激光二极管驱动电气部分。依赖卫星做 CPA，完成激光的指向功能。

图 4 VSOTA 系统组成

VSOTA 的主要技术指标参数如表 4 所示。

表 4 VSOTA 的主要技术指标

2.4 FITSAT-1

日本在 2012 年 10 月，利用国际空间站 ISS（International Space Station）发射了一颗名为 FIT-SAT-1微纳卫星，用于试验星地可见光通信，如图 5（彩图见期刊电子版）所示。

该卫星上表面（+Z）装载 50 颗绿 LED 阵列，下表面（ -Z） 装载 32 颗红 LED 阵列， 发散角为120°，波长为 520 nm，调制频率为 1 kHz，占空比为15% 情况下，绿灯功耗为30 W，红灯功耗为15 W， 轨道高度为 400 km，通信速率为 1~10 kbps。

图 5 FITSAT-1 俯视图和仰视图

2.5 OPTEL-μ

瑞士 OPTEL 公司研制了 OPTEL-μ 星载终端。该项目启动于 2010 年，目的是将 LEO 卫星上产生的数据以 2.5 Gbps 的速率传输到光学地面站，遵循轻小型、稳定型和多功能的原则，为各种低轨道小卫星平台服务， 其系统组成如图 6 所示。

图 6 OPTEL-μ 系统组成

OPTEL-μ 终端由激光单元 LU（Laser Unit）、电气单元 EU（Electronics Unit）和光学头 OH（Op- tical Head）3 部分组成，3 者之间通过导线和光纤连接。

OH 内部集成了 CPA、光学系统和电气单元3 部分。其中：OH 用于实现激光扩束发射、激光耦合接收和光束指向等功能；LU 包括激光源、调制器和放大器，用于生成待发射光源；EU 包括终端控制器、通信电子电源（TCU）、RF 模块（RFM）和功率调节单元（ PCU）， 用于完成指向机构控制、激光器控制等功能。

OH 具有光束指向功能，可用于链路的建立与维持，在保证指向角度范围和通光口径的前提下，通过小型化设计，OH 的质量为 4.4 kg，体积为 204 mm×238 mm×226 mm。

OPTEL-μ 终端的主要技术参数如表 5 所示。

表 5 OPTEL-μ 的主要技术指标

2.6 Mynaric CONDOR

德国 Mynaric 公司的 CONDOR 星载终端如图 7 所示。CONDOR 用于星间双向通信，主要包括 CPA、光学系统和电子学 3 部分。

图 7 CONDOR 系统组成

系统原理框图如图 8 所示。光路组件主要包括望远镜、FPA、提前瞄准机构（Pointing Ahead Assembly， PAA） 、窄带滤光片（BP） 、 分光片（BS）、跟踪探测器（CTS&FTS）、发射准直和接收单元。

图 8 CONDOR 激光终端原理框图

CONDOR 的主要技术参数如表 6 所示。

表 6 CONDOR 的主要技术指标

2.7 行云 LaserFleet T5

2020 年 5 月 12 日，LaserFleet 公司为“行云二号”01 星（武汉号）和“行云二号”02 星研制的物联网星间激光通信载荷以“一箭双星”的方式发射成功。这是我国首次尝试低轨卫星星间激光链路技术验证。

LaserFleet 公司首款星间激光通信终端 T5 是搭载在微小卫星上的紧凑型激光通信终端。如图 9 所示。

图 9 LaserFleet 公司的星间激光通信终端 T5 布局

T5 设计指标如表 7 所示。

表 7 T5 主要技术指标

2.8 小 结

文中提及的 VSOTA、FITSAT、CLICK、OC-SD、OPTEL-μ、CONDOR 和 T5 几种激光通信终端由于卫星平台能力、业务数据带宽、组网方式等不同，相应的系统组成也不同，主要区别体现在光束指向机构方案不同。通过表 8 可以看到，为满足发射端光束指向要求，第一种方式是依赖微小卫星做 CPA，这时激光终端自身带有 FPA 或者不带 FPA[13]；第二种方式是激光终端自身配有 CPA 和 FPA。另外， 对于通信距离远的场合（CONDOR 终端），由于通信双方相对运动会导致发射对准难度增加，这种情况下须配有 PAA。

表 8 激光通信终端光束指向机构

3 微小卫星激光通信的关键技术

3.1 星间同轨激光通信终端轻小型化

星间同轨通信场合下，根据轨道高度和轨道面布置卫星数量的不同，通信距离约为 3 000~6 000 km，依据卫星姿态，光束粗指向范围小于 5°。为完成星间互通互联，一颗卫星上安装的终端数量为2~3 颗，终端质量一般小于 8 kg。典型的同轨星间激光通信终端原理框图如图 10 所示，发射接收部分采用光谱分光方案。

图 10 典型同轨激光通信终端原理框图

为了达到轻小化目的，进一步缩小系统规模， 除了考虑采用高集成度电子学系统外，还需要进一步优化跟瞄机构和减少光学支路的数量，主要包括两方面：

（1）CPA 和 FPA 一体化技术

同轨终端的 CPA 多数情况下为摆镜，用以修正初始瞄准指向偏差和光束的慢速漂移，由于摆镜位于终端望远镜前端，镜面尺寸大。高分辨率的精跟探测器（FT sensor）为 FPA 提供位置反馈，从而实现高精度快速跟瞄。

从 CPA 优化角度出发，在满足偏转角度的前提下，提高系统谐振频率，从而获得更高的系统闭环带宽，即使其具有镜面尺寸大，运动范围大、谐振频率高、分辨率高的特点，如何降低系统功耗和质量，提高分辨率是关键。

从 FPA 优化角度出发，在满足谐振频率和分辨率的前提下，提高偏转角度，终端即可获得更大的光束指向范围。该类机构的要点是如何在保证大偏摆角度的同时获得高分辨率，同时保证一定的镜面尺寸，使其满足光学缩束和装调要求。

（2）位置探测支路和通信支路一体化技术

对于通信速率要求不高的应用场合，将光斑位置探测支路和通信支路合二为一是实现小型化的有效途径，这样减少了光学支路和分光组件。但是该类系统对于探测器响应和电子学处理系统提出了更高的要求。

3.2 星间异轨激光通信终端轻小型化

星间异轨相比于同轨通信场合复杂，通信对象可以是同星座的异轨道卫星，也可以是不同星座的卫星，轨道高度从低轨道到高轨道，通信距离范围大，约为 3000~36000 km，而终端质量受微小卫星平台约束，往往小于 20 kg。典型的异轨星间激光通信终端原理框图如图 11 所示。

图 11 典型异轨激光通信终端原理框图

异轨终端 CPA 是角度摆动范围较大的机构， 如 U 型架、潜望式、大偏摆镜等，由于通信距离远，望远镜通光口径偏大，约为 80~200 mm，通信双端距离远，便于搜索捕获，系统中还存在大发散角的信标光（Becon laser）发射和用于粗跟的信标光位置探测单元（CT Sensor）。

为了进一步降低系统规模，除考虑高集成度电子学系统外，还需要缩小光机部分的尺寸和重量，主要包括 3 方面：

（1）粗跟精跟探测器一体化技术

星间异轨终端有 CPA 和 FPA，在图 11 所示的系统中，CT sensor 为 CPA 提供位置反馈，FT sensor 为 FPA 提供位置反馈，粗精跟探测器一体化设计，无疑是精简了位置探测环节，但是要点在于如何保证捕获阶段大视场和精跟阶段的高分辨 需求，如何实现一个位置探测器对应粗精跟执行结构的运动解耦，如何匹配粗精跟位置反馈不同频率要求等，以上因素均为其研究要点。

（2）CPA 和望远镜一体化设计技术

CPA 和望远镜在异轨终端结构尺寸中占据很大比重，保证有效通光口径，实现二者一体化设计，是实现轻小型的关键。以折射式望远镜和二轴运动机构为例，图 12 给出了两种一体化设计思路。该种思路的关键点是光机耦合设计的同时，还需要保证光学系统的性能及装调可行性。

图 12 折射式望远镜及两轴转动结构一体化设计

（3）无信标光捕获技术

无信标光捕获技术，即利用信号光实现不确定区域的发射扫描和利用信号光位置探测支路实现不确定区域的捕获：一方面， 利用 CPA 和FPA 在扫描角度和扫描频率两方面相互补充，实现高效的区域扫描；另一方面是实现发射束散角和接收视场角的实时可调，从而确保双向捕获的效率，而发射束散角往往是几十微弧度量级，如何保证发散角调整过程中，光轴晃动偏差实时修正是无信标光捕获技术的实现要点。

3.3 星地通信大气影响抑制技术

星地激光通信链路，大气会给激光传输带来衰减、闪烁和漂移等影响，出现激光光束质量裂化、接收端光功率起伏范围大、接收光功率衰减增加等现象，导致光学接收支路调光困难，退化光斑位置提取处理复杂，跟瞄精度下降，通信质量变差，通信距离减少等问题。当前，大气影响因素是星地激光通信链路规划、激光通信终端设计过程中一个无法量化的因素。通过加大接收光学天线口径、引入自适应光学技术、高阶调制解调方法、编码纠错和光纤章动等技术手段能一定程度上抑制大气影响。但不同地域、不同天候以及环境变化带来的大气影响是实时变化的，因此，激光通信大气影响抑制技术属于理论和实践不断迭代、不断深入的一项技术。

4 发展趋势

4.1 太空互联网大发展将加快微小卫星激光通信技术从演示验证向工程应用的步伐

当前国内外空间信息网络发展迅猛，据悉，中国航天科技集团“鸿雁”星座（300 颗）、中国航天科工集团“ 虹云” 星座（ 156 颗） 和“ 行云” 星座（ 80 颗） 、 中国电子科技集团“ 天地一体化”（ 80 颗 ） 等 ；国 外 “ Kuiper” 星 座 （ 3236 颗 ） ， “Telesat”星座（298 颗），“Starlink”网络（1.2 万颗）等星座大都由低轨道微小卫星组成，大都将激光通信列为其骨干传输链路方式之一。其中， 截止 2020 年 4 月 22 日，“Starlink”星座在轨卫星已经达到 422 颗，计划从 2020 下半年开始发射装备有星间激光通信链路的卫星。

从军事应用角度看，欧美等国家也在加快布置微小卫星互联网。据美国国防部高级研究计划局（DARPA）官网 2020 年 5 月 11 日报道，DARPA正在与美国太空军和太空发展局合作，计划于2020 年底和 2021 年将“黑杰克”项目的小卫星发射到低地球轨道，用于验证卫星星座自治和空间网状网技术。该星座星间互联采用了激光通信技术，激光终端由SA 光子公司提供。

由上可见，太空互联网大发展，军民两大应用领域都将加快微小卫星激光通信技术的发展步伐，缩短从演示验证向工程应用的过渡时间。

4.2 终端双向传输能力需求

卫星业务数据最终要回传至地面，建立具有中继数传能力的微小卫星星座，实现数据在星间的中继传输，是实现卫星对地下行传输行之有效的手段。因此，具有双向数传能力的星载激光通信终端更加适用于微小卫星应用场合，而收发速率匹配是实现高效率中继的保障，因此，激光终端要具有全双工高速率通信能力。德国 Mynaric 公司的 CONDOR 终端目的即实现星间全双工 5~10 Gbps 通信。

4.3 单点对多点通信能力需求

随着激光通信技术在天基通信网络（GEO、 MEO、LEO）中的逐步应用，激光通信组网成为未来主要发展趋势。然而，受激光发散角小、动态接入、空间环境等影响，当前激光通信都是点对点互联，实现卫星组网的，因此，单个卫星上需要安装多台激光通信终端。受微小卫星平台资源限制，解决上述问题可通过优化终端质量功耗，达到要求更加严格的 SWaP 水平；研究动态路由解决接入问题；研究激光终端单点对多点通信能力。对于瞄准星间组网一点对多点的目标，美国加利福尼亚大学研究的 ISOC（ Inter-spacecraft Omni- directional Optical Communicator）提供了一种思路，系统中每个单元利用 MEMS 快速反射镜摆扫可覆盖±12°的光学空间锥角，将多个发射接收单元拼接为阵列球型，可实现全天域空间角度覆盖（除卫星安装面遮挡外）。ISOC 系统光学头布局和实现原理如图 13（ 彩图见期刊电子版） 所示。系统设计指标如下：通信距离为 200 km，通信速率为 1 Gbps，波长为 850 nm，发射功率为 1 W。

图 13 光学头布局及原理图

4.4 整机国产化能力需求

微小卫星激光通信终端主要包括瞄准、跟踪、光电位置探测和调制解调等部分，单元组件包括光学元件、电机、测角组件、快反、光斑位置解算（CMOS 焦平面探测器、QAPD 等）、通信组件（耐辐照光纤、光纤放大器、直接探测器组件、相干探测组件等）、信号处理组件（FPGA、DSP等），当前我国相关研究机构正在开展相关组件的国产化研究，整机国产化率要求也将从组件国产化发展为器件国产化。

4.5 批量生产及低成本能力需求

未来对微小卫星激光通信终端的需求量巨大，发射组网规划要求缩短生产周期。综合考虑以上要求，微小卫星激光通信终端研制方应在具有批量生产能力的同时降低终端研制成本，保证SWPaC， 最终形成货架产品 COTS（ Commercial Off The Shelf）。

5 结束语

空间激光通信凭借其带宽大、质量小、功耗低等优势，有望成为未来空间高速通信的主要方式，在卫星互联网的应用中扮演重要角色。美国、欧洲和日本均已深入研究空间激光通信关键技术，且完成了多项在轨试验，正走向商业化运行，微小卫星激光通信领域发展也很迅猛，多项验证均已开展。我国虽然起步晚，但是近年发展很快，完成了 LEO-地 、GEO-地 、MEO-地 、MEOMEO、GEO-GEO、空空、空地等多项试验验证。

本文以微小卫星激光通信系统为切入点，综述了其部分发展现状，归纳了发展趋势，有助于该领域研究人员及时了解发达国家在微小卫星激光通信领域的发展现状和发展规划，有利于提前做好技术准备，使我国空间激光通信技术稳步推进， 让该技术助力微小卫星互联网快速发展。

本文转载自《中国光学》2020年第6期，版权归《中国光学》编辑部所有

作者：高世杰，吴佳彬等

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