曾　飛，高世杰，傘曉剛，張　鑫

(1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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機載激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

曾飛1,2*，高世杰1，傘曉剛1，張鑫1

(1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：本文首先介紹了激光通信的突出地位和重大成果，說明機載激光通信技術(shù)的先進性和重要性。然后闡明了機載激光通信系統(tǒng)的工作原理，說明進行機載激光通信研究的可行性。接著簡要敘述了機載激光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點對其性能指標和技術(shù)特點進行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了機載激光通信的關(guān)鍵技術(shù)，并指出其應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。在不久的未來，機載激光通信將會成為信息化戰(zhàn)爭必不可少的通信手段。

關(guān)鍵詞:激光通信；機載激光通信；激光技術(shù)；信息技術(shù)；光學(xué)設(shè)計

Development status and trend of airborne laser

communication terminals

1引言

自由空間激光通信在近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-3]。2006年，日本的低軌衛(wèi)星OICETS與歐洲的靜止軌道衛(wèi)星ARTEMIS進行了50 Mbps的單向激光通信[4]。2008年，德國的TerraSAR-X衛(wèi)星和美國的NFIRE衛(wèi)星實現(xiàn)了5.625 Gbps的雙向激光通信[5]。2013年，美國的月基激光通信終端LLST與地基激光通信終端LLGT進行了622 Mbps的超遠距離通信[6]。

作為激光通信發(fā)展的一個重要方向，機載激光通信也同樣受到了充分重視。美國的空軍研究實驗室(AFRL)從20世紀70年代開始就開始進行機載激光通信技術(shù)的研究[7]。經(jīng)過多年的研究，AFRL證明了機載激光通信的可能性，并且研制了多個激光通信終端。此外，噴氣推進實驗室(JPL)[8]、林肯實驗室[9]、德國宇航局(DLR)[10]、美國海軍實驗室(NRL)[11]也對機載激光通信技術(shù)進行了深入研究。

機載激光通信主要針對5~15 km高度的有人駕駛飛機，但是也朝著17~25 km高空平臺發(fā)展，包括無人機、飛船和高空氣球等[12]。這個高度處于平流層，大氣湍流和衰減相對較弱，并且沒有云層遮擋，因此可以利用高空平臺作為星地激光通信的中繼站。同時，平流層大氣活動相對平靜，覆蓋范圍廣，非常適合于進行廣域偵察與局域網(wǎng)通信。

相對于空間和地面平臺，機載平臺具有移動速度快、振動大、環(huán)境惡劣、大氣影響嚴重等特點，并且對載荷有嚴格的尺寸、重量和功耗要求，因此，機載激光通信系統(tǒng)的研制具有較大難度[13]。隨著人們對激光通信技術(shù)認識的逐漸深入，研制實用的機載平臺激光通信系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，對機載激光通信系統(tǒng)的需求也在逐漸提升。本文將簡要介紹機載激光通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以幾個典型的實例介紹其發(fā)展現(xiàn)狀，歸納其關(guān)鍵技術(shù)，并指出其未來的發(fā)展方向。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機載激光通信系統(tǒng)一般由激光收發(fā)系統(tǒng)、跟蹤瞄準系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)等三部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)包括信號光和信標光發(fā)射系統(tǒng)；激光接收系統(tǒng)包括信號光接收和信標光接收系統(tǒng)；跟蹤瞄準系統(tǒng)包括粗精跟蹤探測單元和伺服系統(tǒng)。通信分系統(tǒng)包括信號編碼、調(diào)制、解調(diào)和存儲等單元。在三個分系統(tǒng)中，激光收發(fā)系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，如圖1所示。

圖1　典型激光通信系統(tǒng)組成Fig.1　Configuration of a typical laser communication system

在進行高速激光通信時，通常都采用直徑小于100 μm的多模光纖接收通信光，因此激光通信系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)屬于高精度的光學(xué)系統(tǒng)。為了使得盡可能多的激光能夠會聚到探測器上，要求系統(tǒng)的像質(zhì)接近衍射極限。同時，為了不讓光斑漂移到光纖端面之外，通常要求跟蹤的精度達到秒級。要在移動平臺上實現(xiàn)激光通信，對于機載系統(tǒng)的跟蹤性能提出了很高的要求。

機載激光通信系統(tǒng)一般有3種安裝方式：吊艙安裝[11]、機艙安裝[7,9]和機身安裝[10]。吊艙安裝方式一般包括一個具有粗跟蹤伺服的光電吊艙，可以隔離機身振動和完成粗跟蹤功能。機艙安裝方式中激光通信系統(tǒng)放置在機艙內(nèi)部，通過機艙門、機艙開孔或光學(xué)窗口對外界進行通信。機身安裝方式則將激光通信系統(tǒng)集成到飛機的前部或腹部，僅露出一小部分在飛機的外部。其中，機艙安裝方式對于系統(tǒng)的環(huán)控要求較

低但是不利于集成，通常僅用于實驗系統(tǒng)。機身安裝方式通常難以隔離飛機本事的振動，降低了系統(tǒng)的跟蹤精度。因此，大部分的機載激光通信研究都集中在吊艙安裝方式，僅有小部分機構(gòu)研究機身安裝方式。

目前，高精度光電吊艙跟蹤精度可以達到10″左右，通過快反進行精跟蹤精度可以達到1″以內(nèi)[13]。對于機載激光通信，這樣的精度已經(jīng)足夠，因而目前國內(nèi)已經(jīng)初步具備進行機載激光通信研究的條件。但是，要完成機載激光通信的研究，還需要充分了解機載吊艙的環(huán)境及機載激光大氣傳輸特性。目前，關(guān)于這方面的公開資料還比較少，因此有必要充分了解國內(nèi)外激光通信方面的研究，借鑒其寶貴的經(jīng)驗。

3研究現(xiàn)狀

激光通信具有高帶寬、高增益、體積小、抗電磁干擾、不易被截獲等特點，而機載平臺則是擴展其應(yīng)用空間的一個優(yōu)良載體[14]。為此，美國從激光器發(fā)明就開始研究機載激光通信[15]，歐洲和日本在21世紀初也開始研究如何在飛機、無人機及空中平臺上應(yīng)用激光通信[16-17]。下面以幾個有代表性的例子說明國內(nèi)外機載激光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

3.1　國外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1機載飛行試驗系統(tǒng)(AFTS)

麥道(McDonnell Douglas)公司在1970年展示了1 Gbps的激光通信桌面試驗系統(tǒng)，獲得AFRL支持開始研制空間飛行測試系統(tǒng)(Spaceborne Flight Test System,SFTS)。后來由于支持資金大幅減少，空間系統(tǒng)變?yōu)榱藱C載系統(tǒng)(Airborne Flight Test System，AFTS)。麥道公司在原方案基礎(chǔ)上添加了遮光罩和跟蹤相機等設(shè)備，并于1980年在白沙靶場搭載KC-135飛機進行了試驗，第一次成功演示了機載對地激光通信系統(tǒng)[7]。

圖2　AFTS光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Configuration of AFTS optical system

如圖2所示，AFTS系統(tǒng)主要包括了191 mm望遠鏡、粗精捕獲與跟蹤相機、跟蹤光束控制鏡、提前/對準光束控制鏡以及光束發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射光束有3種發(fā)散角可選：5 μrad、100 μrad及1.5 mrad。下傳波長532 nm，上傳波長1 064 nm。整個系統(tǒng)放置在機艙內(nèi)部，透過76.2 cm的光學(xué)窗口與地面站進行通信。光電組件通過支撐結(jié)構(gòu)與機身進行被動隔震，并放置在一個獨立的空間內(nèi)進行溫度和環(huán)境控制。AFTS系統(tǒng)經(jīng)過了兩輪試驗，最終試驗在1980年8月至12月間進行，觀測方式為60 km斜程。通過對前一輪試驗的改進，最終達到了開環(huán)跟蹤精度±2°，閉環(huán)跟蹤精度9~12 μrad。通過脈沖間隔調(diào)制(PIM)，實現(xiàn)了20 kbps信標通信，平均誤碼率<10-6。而在高速通信試驗中，由于未考慮視線移動的原因，自動增益控制(AGC)帶寬的設(shè)計值1 kHz低于實際值12 kHz。改進設(shè)計缺陷之后，20 km距離試驗測量誤碼率在10-3到10-6之間。

3.1.2偵察/智能交互鏈路(RILC)

在20世紀90年代，彈道導(dǎo)彈防御組織(Ballistic Missile Defense Organization，BMDO)支持了多個項目研究空間激光通信系統(tǒng)。1994年9月，ThermoTrex公司研制出的地面端機，通過實驗驗證，具備150 km距離1.13 Gbps雙向通信的能力。從1995年開始，AFRL開始支持ThermoTrex公司研發(fā)新一代機載激光通信系統(tǒng)RILC(Recce-Intel Cross Link)[18]。系統(tǒng)的目標是在12 km高空，實現(xiàn)距離50~500 km飛機間1 Gbps的雙向激光通信。

RILC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了粗精跟蹤相機、可見監(jiān)測相機、通信探測器、通信激光器、信標激光器、轉(zhuǎn)塔伺服和快反。光學(xué)系統(tǒng)封裝于47 cm球形轉(zhuǎn)塔中，具有20 cm直徑的光學(xué)窗口。通信光波長為810 nm，信標光波長為852 nm，通信光收發(fā)分離。系統(tǒng)工作溫度范圍為+55~-62 ℃，氣壓為1/3大氣壓。該系統(tǒng)使用了多項先進技術(shù)，包括帶寬0.02 nm的原子線濾光片、左旋/右旋偏振復(fù)用、光機一體化設(shè)計等。

然而，由于管理及技術(shù)原因，RILC的研發(fā)遇到問題而陷入停滯，只是在2004~2005年之間進行了部分實驗。RILC不具備吸引力的首要原因是它使用的是850 nm波段的激光，而這個波段的器件由于1 550 nm波段光纖通信的發(fā)展而變得難以獲取。另一個原因是體積重量問題，RILC僅球形轉(zhuǎn)塔就重達68 kg，于是在2005年該項目便終止了。

圖3　RILC光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Configuration of RILC optical system

3.1.3快速機載激光通信光學(xué)端機(FALCON)

為了避免像RILC一樣出現(xiàn)器件過時的情況，從2003年AFRL開始了一個全新的項目ESTER(EO Sensor Technology & Evaluation Research)[19]。這個項目的目的是盡量利用商用技術(shù)和貨架產(chǎn)品來研發(fā)機載激光通信端機。這個項目的端機被稱為FALCON(Fast Airborne Laser Communications Optical Node)。該項目工作在1 550 nm波段，而工作方式則是在12 km高度和100 km距離以低于10-6誤碼率進行2.5 Gbps雙工通信。

FALCON由ITT(現(xiàn)Exelis)公司負責研制，研發(fā)基于大視場接收。為了保證更多的能量進入探測器，采用100 μm的多模光纖作為接收光纖。它采用了自動增益控制來調(diào)節(jié)進入探測器的能量，將探測器的靈敏度提高到-42 dBm。使用兩根光纖將信標光切換耦合進入粗精信標發(fā)射系統(tǒng)，信標光為10 W 1 470 nm人眼安全激光。信標光是調(diào)制的信號，可以屏蔽直流背景信號和不同頻率信號的干擾。信號光位于1 545~1 555 nm波段，收發(fā)共用孔徑，采用1 nm窄帶濾光片和光學(xué)陷波器消除收發(fā)串擾。

圖4　FALCON光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Configuration of FALCON optical system

寬窄信標光的發(fā)散角分別為7 mrad和0.7 mrad，信號光的發(fā)散角為250 μrad。跟蹤探測器采用視場角為7 mrad、直徑為5 mm的四象限型PSD器件，靈敏度為1 nW?？旆吹恼{(diào)節(jié)范圍為±5 mrad，精度為±30 μrad。2009年，該系統(tǒng)試驗中最遠保持通信距離達到132 km。該系統(tǒng)的成功表明，僅采用Tip/Tilt校正的系統(tǒng)就可以滿足機載激光通信的要求。

3.1.4自由空間光學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)實驗(FOENEX)

圖5　FOENEX通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Configuration of FOENEX laser communication system

作為一個新興企業(yè)，AOptix公司第一個將自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive Optics，AO)引入激光通信。由于提高了光斑的能量集中度，系統(tǒng)的跟蹤精度和通信速率都得到明顯提升。2006年5月，AOptix演示了從1 km高的飛艇上用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)向地面發(fā)送80 Gbps數(shù)據(jù)。2006年9月，AOptix又在夏威夷進行了147 km激光通信試驗，成功進行了2.5/10/40 Gbps多項試驗。由于這兩次試驗的成功，促成了自由空間光學(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)實驗(Free space Optical Experimental Network Experiment，F(xiàn)OENEX)項目的開展[20]。該項目的目標是：使用口徑10 cm帶AO的系統(tǒng)，以10 Gbps的速率進行50 km空-地和200 km空-空激光通信組網(wǎng)實驗研究。FOENEX項目由AOptix公司和約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室(JHU APL)共同研發(fā)，AOptix公司負責光學(xué)端機的研制，JHU APL負責通信系統(tǒng)的研制。通過2008年7月的IRONT2和2009年的ORCA試驗，F(xiàn)OENEX項目在各方面對系統(tǒng)的通信性能進行了優(yōu)化。AOptix的R3.1 AO系統(tǒng)能以1 kHz的速率進行閉環(huán)波前校正，通信系統(tǒng)引入自動功率控制(OAGC)、前向誤碼糾正(FEC)、重傳、回放和重路由等方法保證通信質(zhì)量。通過強強聯(lián)合的方式，F(xiàn)OENEX系統(tǒng)具有非常優(yōu)異的性能，然而其通信仍然存在許多問題。2012年，在中國湖的最終試驗中，該系統(tǒng)在空-地和空-空通信中均表現(xiàn)出時斷時續(xù)的不穩(wěn)定性。

FOENEX項目證明AO可以校正銳利距離以內(nèi)的像差，包括氣動光學(xué)效應(yīng)和大氣湍流造成的像差。同時證明了發(fā)射系統(tǒng)使用AO可以提高對方接收到的光功率，而接收系統(tǒng)使用AO可以提高光斑的斯特列爾比(Strehl Ratio，SR)。在快速移動的平臺上使用AO，比在穩(wěn)定的地面上使用需要更高的校正帶寬和更高階的像差校正。

3.1.5自由空間實驗激光終端(FELT)

歐空局從2003年開始進行CAPANINA(Communications from Aerial Platform Networks delivering Broadband Communications for All)實驗，旨在通過高空平臺為60 km之內(nèi)的用戶提供高達120 Mbps的無線通信速率。2005年8月30日，在氣球?qū)嶒炛?，第一次從高?0 km的平流層向距離64.3 km的地面成功發(fā)送1.25 Gbps的數(shù)據(jù)，誤碼率低于10-9。

CAPNINA實驗使用的終端稱為FELT (Free-Space Experimental Laser Terminal)，它是一個單工工作(下傳)的通信鏈路[21]。如圖5所示，F(xiàn)ELT的光學(xué)系統(tǒng)包含一個口徑為22 mm、焦距為75 mm、視場角為4°的跟蹤相機以及3個小口徑的激光發(fā)射系統(tǒng)(雙信標冗余設(shè)計)。收發(fā)在空間上是分離的，但是共用一個通光口徑50 mm的跟蹤結(jié)構(gòu)。由于高空氣球受到氣流影響旋轉(zhuǎn)速度高達54°/s，普通的轉(zhuǎn)塔和萬向節(jié)無法滿足高速旋轉(zhuǎn)的要求，因而使用了兩軸潛望鏡跟蹤機構(gòu)。潛望鏡轉(zhuǎn)速240 °/s，分辨率8.72 μrad，兩軸均無旋轉(zhuǎn)角度限制。系統(tǒng)使用三明治結(jié)構(gòu)碳纖維腔體進行被動隔熱，當腔體外部溫度為-65 ℃時，大多數(shù)內(nèi)部元件溫度仍然保持在20~30 ℃。由于碳纖維的使用，整機質(zhì)量僅為17.5 kg，功耗小于75 W。

圖6　FELT光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Configuration of FELT optical system

利用FELT的改進型MLT(Micro Laser Terminal)，德國宇航局(DLR)的研究人員進行了兩次機載試驗。2008年11月，在第一次低速試驗(100 m/s)中，僅使用粗跟蹤就成功達到了40 km通信和85 km跟蹤。光路總直徑為30 mm，跟蹤視場為52 mrad，平均跟蹤誤差為226 μrad。MLT激光的發(fā)散角達到2 mrad，因而可以保證進行穩(wěn)定通信。2013年11月，在快速(0.7馬赫)機載試驗中，加入了精跟蹤光路進行了1.25 Gbps對地通信，跟蹤距離達到79 km，通信距離達到50 km。

3.1.6海軍試驗室微型雙模光學(xué)詢問器(μDMOI)

1998年，海軍實驗室(NRL)開始進行調(diào)制反射鏡(Modulating retro-reflectors，MRR)技術(shù)的研究。利用量子阱調(diào)制器制作的貓眼型MRR，NRL實現(xiàn)了7 km距離、45 Mbps的單向通信。由于MRR具有大視場并且不需要激光器，具有質(zhì)量輕體積小的優(yōu)勢，十分適合于短距離低成本通信。

與MRR配合工作的是NovSol公司生產(chǎn)的雙模光學(xué)詢問器(Dual Mode Optical Interrogator，DMOI)，但DMOI本身不具備裝載在無人機上的條件。因此NRL從2012年開始論證微型激光通信模塊，并將其命名為μDMOI[22]。該系統(tǒng)以Cloud Cap技術(shù)生產(chǎn)的TASE300平臺為載體，該平臺的體積和質(zhì)量小，十分適合于進行無人機使用。

機載μDMOI可以與地面DMOI進行25 km、155 Mbps的通信，還可以與MRR進行1 km、2 Mbps的通信。μDMOI發(fā)射口徑為1.27 cm，使用0.5 W、1 550 nm激光，發(fā)散角為1.5 mrad。接收口徑為5.08 cm，使用9∶1分光棱鏡將接收光分給APD和PSD器件。由于發(fā)射和接收視場都較大，只使用粗跟蹤就可以進行通信。這種簡單實用的設(shè)計，適合于在中短距離低速通信使用。

圖7　μDMOI接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7　Configuration of μDMOI receiver system

3.2　國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)進行激光通信研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)、武漢大學(xué)、中電34所、上海光機所等[23]。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要研究空間激光通信，長春理工大學(xué)側(cè)重于機載激光通信，武漢大學(xué)和中電34所研究地面激光通信，而上海光機所則研究水下激光通信。長春理工大學(xué)在2011年完成了兩直升機17.5 km、1.5 Gbps的通信；2013年完成了兩運12飛機144 km 2.5 Gbps通信。其它單位未見有機載激光通信的實驗報道[24]。因此，目前國內(nèi)機載激光通信的研究和應(yīng)用仍然具有較大的發(fā)展空間。

4關(guān)鍵技術(shù)研究

通過機載激光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以看出，機載激光通信系統(tǒng)的研制歷程十分漫長，但是其性能尚不能完全滿足實用要求。這主要是由大氣信道和飛機環(huán)境的復(fù)雜性決定的[13]。大氣信道具有隨機性，它對激光的干擾成為制約遠距離大氣激光通信的瓶頸。對于機載激光通信，還面臨著飛機振動、溫度變化、氣壓變化，以及飛行中的氣動光學(xué)效應(yīng)[25]。為了解決上述問題，需要針對性的研究以下關(guān)鍵技術(shù)：

4.1　激光大氣傳輸效應(yīng)研究

大氣信道對激光有嚴重的干擾作用，主要表現(xiàn)在造成激光光強隨機起伏、相位隨機變化和光斑質(zhì)心漂移。針對光強隨機起伏，使用快速光學(xué)/電學(xué)自動增益控制是提高系統(tǒng)誤碼性能的有效方法。針對波前相位的隨機變化，可以使用自適應(yīng)光學(xué)進行校正。針對光斑質(zhì)心漂移，可以使用大視場接收和快反校正兩種方法。然而，航空平臺的大氣信道特性和地面具有很大的差別。特別是飛機飛行中大氣動態(tài)特性，與地面的靜止狀態(tài)有著顯著的差別，大氣湍流變化頻率和幅度均有較大提高。雖然對地面大氣信道特性的研究已經(jīng)非常完善，但是對機載大氣信道特性的研究卻很少報道，在機載平臺上應(yīng)用上述校正方法也存在困難。因此，要在機載激光通信系統(tǒng)中克服大氣傳輸效應(yīng)，仍然需要大量研究和實踐。

4.2　精確定位和跟蹤技術(shù)研究

機載平臺具有機動性強和覆蓋范圍廣的特點，但是在動平臺上實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤十分具有挑戰(zhàn)性。飛機的速度較快，要在較短的時間內(nèi)進行捕獲，對跟蹤系統(tǒng)的要求較高。精確跟蹤不但受到飛機振動的影響，還會受到背景雜光和大氣湍流的影響。背景雜光會造成假目標，造成目標獲取失敗或跟蹤失敗。大氣湍流引起的相位變化，會使信標光光斑形狀隨機變化，從而影響跟蹤精度。大氣湍流造成信標光閃爍和漂移，會造成跟蹤的不連續(xù)和不穩(wěn)定。對于高馬赫數(shù)的飛機，還需要考慮氣動光學(xué)效應(yīng)對于跟蹤的影響。對大氣湍流特性的研究有助于解決與大氣有關(guān)的跟蹤問題，快反鏡的應(yīng)用有助于提高機載平臺的跟蹤精度，而大氣背景雜光則可以通過超窄帶濾光片減弱或消除。充分研究大氣及平臺特性，提出具有較強針對性和適應(yīng)性的跟蹤方案，可以保證在高速機動平臺上獲得穩(wěn)定而可靠的跟蹤。

4.3　環(huán)境適應(yīng)性和可靠性研究

機載激光通信系統(tǒng)要保持高精度跟蹤，需要高度穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)。由于飛機飛行的過程中溫度壓力變化較大，并且長時間受到振動的影響，需要考慮光學(xué)系統(tǒng)及其組件的環(huán)境適應(yīng)性及使用壽命。在低溫、低氣壓、高風(fēng)速和氣動效應(yīng)的復(fù)雜環(huán)境下，系統(tǒng)要保持高精度十分困難。目前對于機載激光通信系統(tǒng)光學(xué)特性的研究比較少，大多數(shù)技術(shù)文章只對飛行試驗的結(jié)果進行簡單敘述而很少對其進行深入分析。由于缺乏系統(tǒng)有效的研究手段，飛行條件下獲取試驗數(shù)據(jù)和進行數(shù)據(jù)分析相對困難，因此克服高空飛行環(huán)境的影響仍然面臨著許多難題。在具體的研究過程中，要將重點放在惡劣環(huán)境對系統(tǒng)光學(xué)特性的影響上，開發(fā)出適合機載平臺的高可靠性的光學(xué)系統(tǒng)[26]。

4.4　系統(tǒng)集成設(shè)計和輕小型化研究

激光通信系統(tǒng)組成復(fù)雜，系統(tǒng)功能組件較多。光學(xué)、跟蹤和通信等分系統(tǒng)的集成設(shè)計，不但有助于降低系統(tǒng)的體積重量，也有利于降低系統(tǒng)的成本，推動機載激光通信系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。在機載系統(tǒng)向無人機、高空平臺及衛(wèi)星平臺發(fā)展的過程中，面臨著體積、重量和功耗的苛刻限制。為了滿足使用條件，可以選擇性的降低某些系統(tǒng)指標甚至省去某些系統(tǒng)功能。例如，在VSOTA項目中，星載通信系統(tǒng)僅僅包含發(fā)射激光器而靠衛(wèi)星的控制完成定位和跟蹤[27]。在空-地系統(tǒng)設(shè)計的過程中，可以提高地面設(shè)備的探測能力，從而降低對機載設(shè)備的要求。這種不對稱的設(shè)計可以極大的降低機載系統(tǒng)的體積重量，從而滿足機載平臺的使用要求。當系統(tǒng)功能完善以后，可以進行光機電一體化設(shè)計，進一步降低系統(tǒng)的體積重量。

4.5　面向新型應(yīng)用的總體技術(shù)研究

隨著無人機、高空平臺等新應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的機載激光通信系統(tǒng)面臨著機遇和挑戰(zhàn)。新的平臺意味著激光通信技術(shù)有了更大的發(fā)展空間，但是也需要做出改進以適應(yīng)新平臺。機載激光通信是一種多學(xué)科融合的技術(shù)，新技術(shù)不斷突破推動著機載激光通信不斷向前發(fā)展。隨著社會發(fā)展對于信息需求的不斷發(fā)展，機載激光通信將會獲得更多的關(guān)注和重視，逐漸進入更多的領(lǐng)域。因此準確把握機載激光通信的發(fā)展方向，掌握應(yīng)用機載激光通信的總體技術(shù)，將光學(xué)、通信和跟蹤技術(shù)有效地結(jié)合到一起，選擇性的應(yīng)用一些新技術(shù)和新方法，將會成為機載激光通信未來發(fā)展的有效手段。

5結(jié)束語

本文介紹了機載激光通信系統(tǒng)的基本原理，綜合國內(nèi)外機載激光通信的發(fā)展情況，闡述了機載激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然國外機載激光通信發(fā)展了40多年，完成了一些端機及系統(tǒng)試驗，但是距實用還有一定距離。而國內(nèi)的機載激光通信由于發(fā)展時間短，在系統(tǒng)指標和單元技術(shù)方面都與國外存在較大差距，要趕上國外水平還有許多工作要做?？梢葬槍Ω黜楆P(guān)鍵技術(shù)展開攻關(guān)，逐步開發(fā)具有競爭力的實用系統(tǒng)。

隨著機載激光通信系統(tǒng)研究的逐步深入，未來的應(yīng)用前景將會不斷擴展。機載激光通信正在從軍事應(yīng)用(如區(qū)域監(jiān)視、戰(zhàn)場偵察和態(tài)勢感知)向民用領(lǐng)域(如空中組網(wǎng)、星地中繼和局域網(wǎng)通信)等方向發(fā)展。機載平臺也出現(xiàn)多樣化，向無人機、高空氣球、臨近空間飛行器等方向發(fā)展。機載通信的場景從空-地、空-空向空-海、空-天擴展[28]。為了適應(yīng)新的使用條件和未來激光組網(wǎng)的要求，機載激光通信系統(tǒng)將會向小型化、集成化、多元化發(fā)展。在未來的信息化戰(zhàn)爭中，機載激光通信將會成為必不可少的通信手段。

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曾飛( 1983—) ，男，湖北孝感人，碩士，助理研究員，2007年于華中科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2010年于清華大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事成像和非成像光學(xué)設(shè)計方面的研究。E-mail:zengfei_008@163.com

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.61271315，No.61171078)

ZENG Fei1,2*, GAO Shi-Jie1, SAN Xiao-Gang1, ZHANG Xin1

( 1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,

ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;

2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

*Correspondingauthor,E-mail:zengfei_008@163.com

Abstract:In this paper, the significant results and important role of laser communication is introduced firstly, and the advantage and importance of airborne laser communication are explained. Then, the principle of airborne laser communication is presented, and the possibility of research on airborne laser communication is clarified. Following this, the development history and research status of airborne laser communication are discussed, and the performance and technology specifications are focused on. Based on the discussion, the enabling technology of airborne laser communication are analyzed, and its application prospect and developing trend are pointed out. In the near future, airborne laser communication will be an essential communication method for information warfare.

Key words:laser communication;airborne laser communication;laser technology;information technology;optical design

作者簡介：

中圖分類號：TN929.12

文獻標識碼:A

doi:10.3788/CO.20160901.0065

文章編號2095-1531(2016)01-0065-09 2095-1531(2016)01-0074-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(No.11403064) 國家自然科學(xué)基金資助項目(No.61271315，No.61171078)

收稿日期:2015-09-11； 2015-09-11；

修訂日期:2015-11-13 2015-11-13

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.11403064)