曾　飛，高世杰，傘曉剛，張　鑫

(1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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機(jī)載激光通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

曾飛1,2*，高世杰1，傘曉剛1，張?chǎng)?

(1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；

2.中國(guó)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(shuō)明機(jī)載激光通信技術(shù)的先進(jìn)性和重要性。然后闡明了機(jī)載激光通信系統(tǒng)的工作原理，說(shuō)明進(jìn)行機(jī)載激光通信研究的可行性。接著簡(jiǎn)要敘述了機(jī)載激光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)對(duì)其性能指標(biāo)和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，提出了機(jī)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(shì)。在不久的未來(lái)，機(jī)載激光通信將會(huì)成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)必不可少的通信手段。

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

Development status and trend of airborne laser

communication terminals

1引言

自由空間激光通信在近年來(lái)受到國(guó)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(jìn)行了50 Mbps的單向激光通信[4]。2008年，德國(guó)的TerraSAR-X衛(wèi)星和美國(guó)的NFIRE衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了5.625 Gbps的雙向激光通信[5]。2013年，美國(guó)的月基激光通信終端LLST與地基激光通信終端LLGT進(jìn)行了622 Mbps的超遠(yuǎn)距離通信[6]。

作為激光通信發(fā)展的一個(gè)重要方向，機(jī)載激光通信也同樣受到了充分重視。美國(guó)的空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始就開(kāi)始進(jìn)行機(jī)載激光通信技術(shù)的研究[7]。經(jīng)過(guò)多年的研究，AFRL證明了機(jī)載激光通信的可能性，并且研制了多個(gè)激光通信終端。此外，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)[8]、林肯實(shí)驗(yàn)室[9]、德國(guó)宇航局(DLR)[10]、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)[11]也對(duì)機(jī)載激光通信技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

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

相對(duì)于空間和地面平臺(tái)，機(jī)載平臺(tái)具有移動(dòng)速度快、振動(dòng)大、環(huán)境惡劣、大氣影響嚴(yán)重等特點(diǎn)，并且對(duì)載荷有嚴(yán)格的尺寸、重量和功耗要求，因此，機(jī)載激光通信系統(tǒng)的研制具有較大難度[13]。隨著人們對(duì)激光通信技術(shù)認(rèn)識(shí)的逐漸深入，研制實(shí)用的機(jī)載平臺(tái)激光通信系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，對(duì)機(jī)載激光通信系統(tǒng)的需求也在逐漸提升。本文將簡(jiǎn)要介紹機(jī)載激光通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以幾個(gè)典型的實(shí)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(lái)的發(fā)展方向。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)載激光通信系統(tǒng)一般由激光收發(fā)系統(tǒng)、跟蹤瞄準(zhǔn)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(hào)光和信標(biāo)光發(fā)射系統(tǒng)；激光接收系統(tǒng)包括信號(hào)光接收和信標(biāo)光接收系統(tǒng)；跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)包括粗精跟蹤探測(cè)單元和伺服系統(tǒng)。通信分系統(tǒng)包括信號(hào)編碼、調(diào)制、解調(diào)和存儲(chǔ)等單元。在三個(gè)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(jìn)行高速激光通信時(shí)，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(huì)聚到探測(cè)器上，要求系統(tǒng)的像質(zhì)接近衍射極限。同時(shí)，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(dá)到秒級(jí)。要在移動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)激光通信，對(duì)于機(jī)載系統(tǒng)的跟蹤性能提出了很高的要求。

機(jī)載激光通信系統(tǒng)一般有3種安裝方式：吊艙安裝[11]、機(jī)艙安裝[7,9]和機(jī)身安裝[10]。吊艙安裝方式一般包括一個(gè)具有粗跟蹤伺服的光電吊艙，可以隔離機(jī)身振動(dòng)和完成粗跟蹤功能。機(jī)艙安裝方式中激光通信系統(tǒng)放置在機(jī)艙內(nèi)部，通過(guò)機(jī)艙門(mén)、機(jī)艙開(kāi)孔或光學(xué)窗口對(duì)外界進(jìn)行通信。機(jī)身安裝方式則將激光通信系統(tǒng)集成到飛機(jī)的前部或腹部，僅露出一小部分在飛機(jī)的外部。其中，機(jī)艙安裝方式對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。機(jī)身安裝方式通常難以隔離飛機(jī)本事的振動(dòng)，降低了系統(tǒng)的跟蹤精度。因此，大部分的機(jī)載激光通信研究都集中在吊艙安裝方式，僅有小部分機(jī)構(gòu)研究機(jī)身安裝方式。

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

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(diǎn)，而機(jī)載平臺(tái)則是擴(kuò)展其應(yīng)用空間的一個(gè)優(yōu)良載體[14]。為此，美國(guó)從激光器發(fā)明就開(kāi)始研究機(jī)載激光通信[15]，歐洲和日本在21世紀(jì)初也開(kāi)始研究如何在飛機(jī)、無(wú)人機(jī)及空中平臺(tái)上應(yīng)用激光通信[16-17]。下面以幾個(gè)有代表性的例子說(shuō)明國(guó)內(nèi)外機(jī)載激光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程。

3.1　國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1機(jī)載飛行試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)，獲得AFRL支持開(kāi)始研制空間飛行測(cè)試系統(tǒng)(Spaceborne Flight Test System,SFTS)。后來(lái)由于支持資金大幅減少，空間系統(tǒng)變?yōu)榱藱C(jī)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(jī)等設(shè)備，并于1980年在白沙靶場(chǎng)搭載KC-135飛機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，第一次成功演示了機(jī)載對(duì)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(yuǎn)鏡、粗精捕獲與跟蹤相機(jī)、跟蹤光束控制鏡、提前/對(duì)準(zhǔn)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(zhǎng)532 nm，上傳波長(zhǎng)1 064 nm。整個(gè)系統(tǒng)放置在機(jī)艙內(nèi)部，透過(guò)76.2 cm的光學(xué)窗口與地面站進(jìn)行通信。光電組件通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)與機(jī)身進(jìn)行被動(dòng)隔震，并放置在一個(gè)獨(dú)立的空間內(nèi)進(jìn)行溫度和環(huán)境控制。AFTS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了兩輪試驗(yàn)，最終試驗(yàn)在1980年8月至12月間進(jìn)行，觀測(cè)方式為60 km斜程。通過(guò)對(duì)前一輪試驗(yàn)的改進(jìn)，最終達(dá)到了開(kāi)環(huán)跟蹤精度±2°，閉環(huán)跟蹤精度9~12 μrad。通過(guò)脈沖間隔調(diào)制(PIM)，實(shí)現(xiàn)了20 kbps信標(biāo)通信，平均誤碼率<10-6。而在高速通信試驗(yàn)中，由于未考慮視線(xiàn)移動(dòng)的原因，自動(dòng)增益控制(AGC)帶寬的設(shè)計(jì)值1 kHz低于實(shí)際值12 kHz。改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷之后，20 km距離試驗(yàn)測(cè)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(jì)90年代，彈道導(dǎo)彈防御組織(Ballistic Missile Defense Organization，BMDO)支持了多個(gè)項(xiàng)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(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具備150 km距離1.13 Gbps雙向通信的能力。從1995年開(kāi)始，AFRL開(kāi)始支持ThermoTrex公司研發(fā)新一代機(jī)載激光通信系統(tǒng)RILC(Recce-Intel Cross Link)[18]。系統(tǒng)的目標(biāo)是在12 km高空，實(shí)現(xiàn)距離50~500 km飛機(jī)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(jī)、可見(jiàn)監(jiān)測(cè)相機(jī)、通信探測(cè)器、通信激光器、信標(biāo)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(zhǎng)為810 nm，信標(biāo)光波長(zhǎng)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(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，包括帶寬0.02 nm的原子線(xiàn)濾光片、左旋/右旋偏振復(fù)用、光機(jī)一體化設(shè)計(jì)等。

然而，由于管理及技術(shù)原因，RILC的研發(fā)遇到問(wèn)題而陷入停滯，只是在2004~2005年之間進(jìn)行了部分實(shí)驗(yàn)。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(gè)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(gè)原因是體積重量問(wèn)題，RILC僅球形轉(zhuǎn)塔就重達(dá)68 kg，于是在2005年該項(xiàng)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(jī)載激光通信光學(xué)端機(jī)(FALCON)

為了避免像RILC一樣出現(xiàn)器件過(guò)時(shí)的情況，從2003年AFRL開(kāi)始了一個(gè)全新的項(xiàng)目ESTER(EO Sensor Technology & Evaluation Research)[19]。這個(gè)項(xiàng)目的目的是盡量利用商用技術(shù)和貨架產(chǎn)品來(lái)研發(fā)機(jī)載激光通信端機(jī)。這個(gè)項(xiàng)目的端機(jī)被稱(chēng)為FALCON(Fast Airborne Laser Communications Optical Node)。該項(xiàng)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(jìn)行2.5 Gbps雙工通信。

FALCON由ITT(現(xiàn)Exelis)公司負(fù)責(zé)研制，研發(fā)基于大視場(chǎng)接收。為了保證更多的能量進(jìn)入探測(cè)器，采用100 μm的多模光纖作為接收光纖。它采用了自動(dòng)增益控制來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入探測(cè)器的能量，將探測(cè)器的靈敏度提高到-42 dBm。使用兩根光纖將信標(biāo)光切換耦合進(jìn)入粗精信標(biāo)發(fā)射系統(tǒng)，信標(biāo)光為10 W 1 470 nm人眼安全激光。信標(biāo)光是調(diào)制的信號(hào)，可以屏蔽直流背景信號(hào)和不同頻率信號(hào)的干擾。信號(hào)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?dāng)_。

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(biāo)光的發(fā)散角分別為7 mrad和0.7 mrad，信號(hào)光的發(fā)散角為250 μrad。跟蹤探測(cè)器采用視場(chǎng)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(yàn)中最遠(yuǎn)保持通信距離達(dá)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(mǎn)足機(jī)載激光通信的要求。

3.1.4自由空間光學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)(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(gè)新興企業(yè)，AOptix公司第一個(gè)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(jìn)行了147 km激光通信試驗(yàn)，成功進(jìn)行了2.5/10/40 Gbps多項(xiàng)試驗(yàn)。由于這兩次試驗(yàn)的成功，促成了自由空間光學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)(Free space Optical Experimental Network Experiment，F(xiàn)OENEX)項(xiàng)目的開(kāi)展[20]。該項(xiàng)目的目標(biāo)是：使用口徑10 cm帶AO的系統(tǒng)，以10 Gbps的速率進(jìn)行50 km空-地和200 km空-空激光通信組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究。FOENEX項(xiàng)目由AOptix公司和約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(JHU APL)共同研發(fā)，AOptix公司負(fù)責(zé)光學(xué)端機(jī)的研制，JHU APL負(fù)責(zé)通信系統(tǒng)的研制。通過(guò)2008年7月的IRONT2和2009年的ORCA試驗(yàn)，F(xiàn)OENEX項(xiàng)目在各方面對(duì)系統(tǒng)的通信性能進(jìn)行了優(yōu)化。AOptix的R3.1 AO系統(tǒng)能以1 kHz的速率進(jìn)行閉環(huán)波前校正，通信系統(tǒng)引入自動(dòng)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(guò)強(qiáng)強(qiáng)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(wèn)題。2012年，在中國(guó)湖的最終試驗(yàn)中，該系統(tǒng)在空-地和空-空通信中均表現(xiàn)出時(shí)斷時(shí)續(xù)的不穩(wěn)定性。

FOENEX項(xiàng)目證明AO可以校正銳利距離以?xún)?nèi)的像差，包括氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)和大氣湍流造成的像差。同時(shí)證明了發(fā)射系統(tǒng)使用AO可以提高對(duì)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(dòng)的平臺(tái)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(shí)驗(yàn)激光終端(FELT)

歐空局從2003年開(kāi)始進(jìn)行CAPANINA(Communications from Aerial Platform Networks delivering Broadband Communications for All)實(shí)驗(yàn)，旨在通過(guò)高空平臺(tái)為60 km之內(nèi)的用戶(hù)提供高達(dá)120 Mbps的無(wú)線(xiàn)通信速率。2005年8月30日，在氣球?qū)嶒?yàn)中，第一次從高度20 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(shí)驗(yàn)使用的終端稱(chēng)為FELT (Free-Space Experimental Laser Terminal)，它是一個(gè)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(gè)口徑為22 mm、焦距為75 mm、視場(chǎng)角為4°的跟蹤相機(jī)以及3個(gè)小口徑的激光發(fā)射系統(tǒng)(雙信標(biāo)冗余設(shè)計(jì))。收發(fā)在空間上是分離的，但是共用一個(gè)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(dá)54°/s，普通的轉(zhuǎn)塔和萬(wàn)向節(jié)無(wú)法滿(mǎn)足高速旋轉(zhuǎn)的要求，因而使用了兩軸潛望鏡跟蹤機(jī)構(gòu)。潛望鏡轉(zhuǎn)速240 °/s，分辨率8.72 μrad，兩軸均無(wú)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(jìn)行被動(dòng)隔熱，當(dāng)腔體外部溫度為-65 ℃時(shí)，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(jī)質(zhì)量?jī)H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(jìn)型MLT(Micro Laser Terminal)，德國(guó)宇航局(DLR)的研究人員進(jìn)行了兩次機(jī)載試驗(yàn)。2008年11月，在第一次低速試驗(yàn)(100 m/s)中，僅使用粗跟蹤就成功達(dá)到了40 km通信和85 km跟蹤。光路總直徑為30 mm，跟蹤視場(chǎng)為52 mrad，平均跟蹤誤差為226 μrad。MLT激光的發(fā)散角達(dá)到2 mrad，因而可以保證進(jìn)行穩(wěn)定通信。2013年11月，在快速(0.7馬赫)機(jī)載試驗(yàn)中，加入了精跟蹤光路進(jìn)行了1.25 Gbps對(duì)地通信，跟蹤距離達(dá)到79 km，通信距離達(dá)到50 km。

3.1.6海軍試驗(yàn)室微型雙模光學(xué)詢(xún)問(wèn)器(μDMOI)

1998年，海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)開(kāi)始進(jìn)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(shí)現(xiàn)了7 km距離、45 Mbps的單向通信。由于MRR具有大視場(chǎng)并且不需要激光器，具有質(zhì)量輕體積小的優(yōu)勢(shì)，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(xún)問(wèn)器(Dual Mode Optical Interrogator，DMOI)，但DMOI本身不具備裝載在無(wú)人機(jī)上的條件。因此NRL從2012年開(kāi)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(tái)為載體，該平臺(tái)的體積和質(zhì)量小，十分適合于進(jìn)行無(wú)人機(jī)使用。

機(jī)載μDMOI可以與地面DMOI進(jìn)行25 km、155 Mbps的通信，還可以與MRR進(jìn)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(chǎng)都較大，只使用粗跟蹤就可以進(jìn)行通信。這種簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)，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(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)進(jìn)行激光通信研究的單位主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、武漢大學(xué)、中電34所、上海光機(jī)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(zhǎng)春理工大學(xué)側(cè)重于機(jī)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(jī)所則研究水下激光通信。長(zhǎng)春理工大學(xué)在2011年完成了兩直升機(jī)17.5 km、1.5 Gbps的通信；2013年完成了兩運(yùn)12飛機(jī)144 km 2.5 Gbps通信。其它單位未見(jiàn)有機(jī)載激光通信的實(shí)驗(yàn)報(bào)道[24]。因此，目前國(guó)內(nèi)機(jī)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(guò)機(jī)載激光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以看出，機(jī)載激光通信系統(tǒng)的研制歷程十分漫長(zhǎng)，但是其性能尚不能完全滿(mǎn)足實(shí)用要求。這主要是由大氣信道和飛機(jī)環(huán)境的復(fù)雜性決定的[13]。大氣信道具有隨機(jī)性，它對(duì)激光的干擾成為制約遠(yuǎn)距離大氣激光通信的瓶頸。對(duì)于機(jī)載激光通信，還面臨著飛機(jī)振動(dòng)、溫度變化、氣壓變化，以及飛行中的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)[25]。為了解決上述問(wèn)題，需要針對(duì)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(duì)激光有嚴(yán)重的干擾作用，主要表現(xiàn)在造成激光光強(qiáng)隨機(jī)起伏、相位隨機(jī)變化和光斑質(zhì)心漂移。針對(duì)光強(qiáng)隨機(jī)起伏，使用快速光學(xué)/電學(xué)自動(dòng)增益控制是提高系統(tǒng)誤碼性能的有效方法。針對(duì)波前相位的隨機(jī)變化，可以使用自適應(yīng)光學(xué)進(jìn)行校正。針對(duì)光斑質(zhì)心漂移，可以使用大視場(chǎng)接收和快反校正兩種方法。然而，航空平臺(tái)的大氣信道特性和地面具有很大的差別。特別是飛機(jī)飛行中大氣動(dòng)態(tài)特性，與地面的靜止?fàn)顟B(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(duì)地面大氣信道特性的研究已經(jīng)非常完善，但是對(duì)機(jī)載大氣信道特性的研究卻很少報(bào)道，在機(jī)載平臺(tái)上應(yīng)用上述校正方法也存在困難。因此，要在機(jī)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(shí)踐。

4.2　精確定位和跟蹤技術(shù)研究

機(jī)載平臺(tái)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，但是在動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤十分具有挑戰(zhàn)性。飛機(jī)的速度較快，要在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行捕獲，對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求較高。精確跟蹤不但受到飛機(jī)振動(dòng)的影響，還會(huì)受到背景雜光和大氣湍流的影響。背景雜光會(huì)造成假目標(biāo)，造成目標(biāo)獲取失敗或跟蹤失敗。大氣湍流引起的相位變化，會(huì)使信標(biāo)光光斑形狀隨機(jī)變化，從而影響跟蹤精度。大氣湍流造成信標(biāo)光閃爍和漂移，會(huì)造成跟蹤的不連續(xù)和不穩(wěn)定。對(duì)于高馬赫數(shù)的飛機(jī)，還需要考慮氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)于跟蹤的影響。對(duì)大氣湍流特性的研究有助于解決與大氣有關(guān)的跟蹤問(wèn)題，快反鏡的應(yīng)用有助于提高機(jī)載平臺(tái)的跟蹤精度，而大氣背景雜光則可以通過(guò)超窄帶濾光片減弱或消除。充分研究大氣及平臺(tái)特性，提出具有較強(qiáng)針對(duì)性和適應(yīng)性的跟蹤方案，可以保證在高速機(jī)動(dòng)平臺(tái)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(jī)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(jī)飛行的過(guò)程中溫度壓力變化較大，并且長(zhǎng)時(shí)間受到振動(dòng)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(dòng)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(duì)于機(jī)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(duì)飛行試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述而很少對(duì)其進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析相對(duì)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(guò)程中，要將重點(diǎn)放在惡劣環(huán)境對(duì)系統(tǒng)光學(xué)特性的影響上，開(kāi)發(fā)出適合機(jī)載平臺(tái)的高可靠性的光學(xué)系統(tǒng)[26]。

4.4　系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)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(jì)，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(dòng)機(jī)載激光通信系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。在機(jī)載系統(tǒng)向無(wú)人機(jī)、高空平臺(tái)及衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展的過(guò)程中，面臨著體積、重量和功耗的苛刻限制。為了滿(mǎn)足使用條件，可以選擇性的降低某些系統(tǒng)指標(biāo)甚至省去某些系統(tǒng)功能。例如，在VSOTA項(xiàng)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(jì)的過(guò)程中，可以提高地面設(shè)備的探測(cè)能力，從而降低對(duì)機(jī)載設(shè)備的要求。這種不對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)可以極大的降低機(jī)載系統(tǒng)的體積重量，從而滿(mǎn)足機(jī)載平臺(tái)的使用要求。當(dāng)系統(tǒng)功能完善以后，可以進(jìn)行光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)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(wú)人機(jī)、高空平臺(tái)等新應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)載激光通信系統(tǒng)面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。新的平臺(tái)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(jìn)以適應(yīng)新平臺(tái)。機(jī)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(dòng)著機(jī)載激光通信不斷向前發(fā)展。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)于信息需求的不斷發(fā)展，機(jī)載激光通信將會(huì)獲得更多的關(guān)注和重視，逐漸進(jìn)入更多的領(lǐng)域。因此準(zhǔn)確把握機(jī)載激光通信的發(fā)展方向，掌握應(yīng)用機(jī)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(huì)成為機(jī)載激光通信未來(lái)發(fā)展的有效手段。

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了機(jī)載激光通信系統(tǒng)的基本原理，綜合國(guó)內(nèi)外機(jī)載激光通信的發(fā)展情況，闡述了機(jī)載激光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。雖然國(guó)外機(jī)載激光通信發(fā)展了40多年，完成了一些端機(jī)及系統(tǒng)試驗(yàn)，但是距實(shí)用還有一定距離。而國(guó)內(nèi)的機(jī)載激光通信由于發(fā)展時(shí)間短，在系統(tǒng)指標(biāo)和單元技術(shù)方面都與國(guó)外存在較大差距，要趕上國(guó)外水平還有許多工作要做?？梢葬槍?duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)攻關(guān)，逐步開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)用系統(tǒng)。

隨著機(jī)載激光通信系統(tǒng)研究的逐步深入，未來(lái)的應(yīng)用前景將會(huì)不斷擴(kuò)展。機(jī)載激光通信正在從軍事應(yīng)用(如區(qū)域監(jiān)視、戰(zhàn)場(chǎng)偵察和態(tài)勢(shì)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(jī)載平臺(tái)也出現(xiàn)多樣化，向無(wú)人機(jī)、高空氣球、臨近空間飛行器等方向發(fā)展。機(jī)載通信的場(chǎng)景從空-地、空-空向空-海、空-天擴(kuò)展[28]。為了適應(yīng)新的使用條件和未來(lái)激光組網(wǎng)的要求，機(jī)載激光通信系統(tǒng)將會(huì)向小型化、集成化、多元化發(fā)展。在未來(lái)的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，機(jī)載激光通信將會(huì)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(jì)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(jiǎn)介：

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20160901.0065

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11403064) 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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

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