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第9章 星际激光通信

  99卫星激光通信 卫星激光通信—— ——优势的结合 优势的结合 卫星激光通信 卫星激光通信—— ——优势的结合 优势的结合 利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量 利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量 利用光波波长短的优点可减小天线口径,提高卫星有效载荷利用光波波长短的优点可减小天线口径,提高卫星有效载荷 利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性 卫星光通信链路分类 卫星光通信链路分类 GEOGEO LEO LEO 地球 地面 ISLIOL 同步轨道 低轨道 GEOGEO LEO LEO 地球 地面 ISLIOL 同步轨道 低轨道 GEOGEO LEO LEO 地球 地面 ISLIOL 同步轨道 低轨道 GEOGEO LEO LEO 地球 地面 ISLIOL 同步轨道 低轨道 9.3.19.3.1 主要问题 主要问题 共性问题 衰减/湍流损耗 损耗 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 星间距离通常在数千到数万公里 自由空间损耗在250dB以上 lg10 光学天线----解决损耗问题光学天线----解决损耗问题 工作波长为1550nm时,20cm口径的天线dB以上的 增益 lg[10 发散角问题发散角问题 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 rad PAT子系统----解决对准问题PAT子系统----解决对准问题 瞄准、捕获和跟踪(PAT)子系统 跟踪----吸收卫星机械振动引起的光束偏移广谱宇宙噪声 广谱宇宙噪声 0.6 0.4 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 20 40 60 80 100 Si Ge InGaAsP 波长(m) 几种常用光电检测器的波长响应特性光学滤波器----解决背噪问题 光学滤波器----解决背噪问题 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 光学滤波技术成熟,大量应用于DWDM系统 光纤光栅型多普勒频移 多普勒频移 光载波频移大小: IOL链路存在此问题影响 GEO-LEO链路中,多普勒频移量接近9GHz,对应的波长 变化范围约0.08nm 光源观察者 光源运动方向 大气信道大气信道 闪烁选择工作波长 选择工作波长 1.2 2.0 3.0 4.0 5.0 60,2 天顶角=0 大气质量比=1 70.5,3 波长(m) 2040 60 80 100 1.64.5 0.30.5 0.7 0.9 1.1 1.3 能见度极佳(

  31km)对大气质量比等于1时 2040 60 80 100 0.30.5 0.7 0.9 1.1 1.3 能见度极佳(

  31km)对大气质量比等于1时 2040 60 80 100 避开大气高损耗波长 AO----部分解决大气湍流问题 AO----部分解决大气湍流问题 自适应光学(AO)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 AO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 9.3.2 9.3.2 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 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 光波调制解调子系统光学天线子系统 光学天线子系统 星间激光通信中,光学天线的作用十分重要,主要表现在 两方面: 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 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 光学天线类型 光学天线类型 常见类型 折反射组合式天线几种双反射面光学天线 卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面,内侧焦点与主镜焦点重合,成像于主镜后方的外侧焦点处 格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面,近侧焦点与主镜焦点重合,成像于主镜后方的远侧焦点处 牛顿式 卡塞格伦天线----常见选择优点 F1F2 馈源 2b 2a PAT子系统 PAT子系统 光学 天线 发送光束 接收光束 光发送机 光束 方向 驱动 功能 单元 光接收机 开环瞄准功能单元 跟踪功能单元 捕获功能单元 信标 光源 PAT工作流程 PAT工作流程 开环瞄准 捕获 天线方向调整跟踪 光束方向微调扫描方式 扫描方式 单方扫描(Stare—Scan) FOV扫描双方扫描(Scan—Scan) 扫描过程 扫描过程 主动方按完善的扫描策略计算出若干扫描点,确保在某扫描点上发送光束一定可以覆盖被动方; 在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的FOV中(因为被动方有 足够大的FOV,因此在其未实现天线精确对准的情况下,也能在FOV 中捕获到主动方投射来的发送光束); 在主动方于该扫描点上驻留的时间内,被动方卫星根据FOV中主动方 出现的位置计算出对准误差,并进一步计算出纠正数据,驱动本方天线 实现精确接收对准,同时也实现了本方发送光束到主动方的对准; 被动方出现在主动方的接收FOV中,主动方计算出对准误差和纠正数 据并驱动天线实现精确对准,停止扫描。扫描过程完成。 扫描策略 扫描策略 误差检测部件 4QD光束方向调整部件 目前:快速调整跟踪以吸收卫星振动 跟踪以吸收卫星振动 10-2 10 10-4 10 -1 10 LANDSAT连续振动SILEX振动模型 OLYMPUS振动模型 频率(Hz) 10-2 10 10-4 10 -1 10 LANDSAT连续振动SILEX振动模型 OLYMPUS振动模型 频率(Hz) PAT典型光路PAT典型光路 反射镜天线方向 驱动系统 CCD 信标 光源 光学天线误差计算 开环瞄准 卫星状态信息 扫描控制 跟踪 反射镜 跟踪 驱动 误差 计算 QD 光学滤波片 捕获 跟踪 控制 APD 光束 LD跟踪残差 跟踪残差 -200200 -3030 -6080 AO子系统 AO子系统 波前误差 传感器 CPU失真波前 校正后的光束波前 控制信号 波前误差 信息 变形镜 光学接收天线波前探测器 波前探测器 单个透镜成像H-S波前传感器 AO对接收性能的改善 AO对接收性能的改善 0.0 1.0 时间(秒) -10-20 -30 -40 -10有AO 调制/解调子系统 调制/解调子系统 光强调制/直接检测(IM/DD 为提高传输通道抗干扰能力,可采用脉冲位置调制(PPM) 多脉冲PPM9.3.3 9.3.3 SILEX SILEX SILEX:Semiconductor-laserInter-satellite Link EXperiment,半导体激光星间链路实验 2001年7月12日GEO卫星发射 2001年11月22日实现星间激光通信 SILEX示意图 SILEX示意图 ARTEMIS (GEO) GEO LEO (SPOT4) 激光IOL 上行50Mbps 下行2Mbps 激光ISL 地球 微波 对地链路 SILEX工作参数 SILEX工作参数 发送端光源使用GaAlAs半导体激光器,GEO发送波长819nm,LEO发送波长847nm,平均输出功率60mW 光学天线cm,压缩后光束发散角为8rad,接收端接收视场约75rad 开环瞄准精度8mrad,粗瞄时光学天线平台整体转动,精瞄依靠FSM倾斜,捕获时间小于240s,跟踪定位精度