CN105207714B - 载荷无源的空间激光通信系统 - Google Patents

Abstract

一种载荷无源的空间激光通信系统，该系统包括地面站和空间载荷；其中地面站包括：一激光器；一光放大器的输入端与激光器的输出端连接；一下自对准光收发器接收光放大器的信号；一光电探测器的输入端与下自对准光收发器的输出端连接；一解调制和MCU处理器，其输入端与光电探测器的输出端连接；空间载荷包括：一上自对准光收发器；一光耦合隔离器与上自对准光收发器双向连接；一调制器的输入端口1接收光耦合隔离器激光光束，输出端3与光耦合隔离器的输入端3相连接；一中央处理器的输出端与调制器的输入端口2连接；一探测设备的输出端与中央处理器的输入端连接。本发明侧重于无源载荷的空间载荷与地面之间的高速通信。

Description

载荷无源的空间激光通信系统

技术领域

本发明属于高速激光器空间通信领域，尤其是涉及解决一种载荷无源的空间激光通信系统。

技术背景

随着今年国家的各项政策决议，飞行器航拍、遥感市场将在未来几年迎来跨越式发展的新契机。而像无人机等空间载荷具有快速机动、离地、广阔视野以及去人化等优势，能够克服人的因素所造成的困难。如无人机航拍，以前航拍时需要将摄影师送入直升机中进行拍摄，其成本高、拍摄难度大，难以进入危险区域拍摄(如火山口，海啸等)等问题，而无人机均可解决这类问题，且重复使用性好。而低端航拍无人机的应用，远不止航空拍摄、航空摄影这几点，比如固定翼航拍的森林防火、地震调查、核辐射探测、边境巡逻、应急救灾、农作物估产、管道巡检、保护野生动物检测、军事侦察、搭载航拍电子设备进行科研实验、海事侦查等等方面，都有无人机航拍探测应用。本发明首先提出了采用激光器对无人机等飞行载体进行通讯，其主要原理是通过地面发射激光器，经放大对准后，向飞行载体接收端发射，激光器进入空间载荷后，由光耦合隔离器转入调制器中，在调制器中加载高频信号，再由光耦合隔离器转回载体发射设备，在与地面接收器对准后发射具有高频信号的激光，在地面对激光进行解析，从而得到航拍、探测的实时图像、视频和数据。本发明提出的技术能够在现有的载体基础上提升空间载荷与地面通信之间的速率5-10倍，将大部分发射和解析设备放于地面，空间中仅仅放置几个无源的光器件和一个加载信号的调制器，大大降低了载体在通信方面的功耗，而激光器的准直性又能很好的保证数据的安全，无论在军用还是民用方面都具有不错的发展前景。

发明内容

本发明旨在提供一种载荷无源的空间激光通信系统，尤其侧重于无源载荷的空间载荷与地面之间的高速通信，以解决市场对于更高速率通信的要求。

为了达到上述目的，本发明提供一种载荷无源的空间激光通信系统，该系统由地面站、空间载荷两部分组成，该地面站和空间载荷通过激光光束连通并上下通信；

其中地面站包括：

一激光器，用于产生光载波；

一光放大器，该光放大器的输入端与激光器的输出端连接，用于对光载波的放大；

一下自对准光收发器，用于对发射光的平行扩束发射和对接收光的聚焦耦合，该下自对准光收发器接收光放大器的信号；

一光电探测器，用于对光信息的探测、接收和处理，该光电探测器的输入端与下自对准光收发器的输出端连接；

一解调制和MCU处理器，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于解调和处理接收到的光信号；

空间载荷包括：

一上自对准光收发器，用于对接收光的聚焦耦合和发射光的平行扩束，且用于对地面天线的动态跟踪与瞄准；

一光耦合隔离器，其与上自对准光收发器双向连接；

一调制器，用于空间信号的加载，其输入端口1接收光耦合隔离器激光光束，输出端3与光耦合隔离器的输入端3相连接；

一中央处理器，用于将调制后的信号返回给地面站，该中央处理器的输出端与调制器的输入端口2连接；

一探测设备，用于采集地面所需的信号，并将此信号加载到调制器上，该探测设备的输出端与中央处理器的输入端连接。

本发明提供了一种载荷无源的空间激光通信系统，该系统其设备连接关系及原理为：

1.激光器发射一束激光，进入光放大器(EDFA)放大；

2.经过光放大器放大后的激光进入光学天线中，再由定位模块向跟踪瞄准控制系统提供空间载荷的大致位置后，由跟踪瞄准控制系统自行瞄准，激光经光学天线耦合放大后射入空间载荷中；

3.空间载荷中的接收机收到激光后，将激光直接接入光耦合隔离器1端口，并在光耦合隔离器中无差损地进入2端口，由光耦合隔离器2端口出射激光；

4.探测器采集到图像视频或者数模信号后，经过中央处理器处理，将信号转换成代码流；

5.光耦合隔离器2端口与调制器相连，激光进入调制器中，中央处理器将代码流通过调制器加载到激光上；

6.调制器输出端口与光耦合隔离器3端口相连，将携带高频信号的激光引入光耦合隔离器中；

7.激光在光耦合隔离器中无差损的由1端口出射，进入光学天线中。跟踪瞄准控制系统根据定位模块，大致确定地面接收机的位置，自动对准跟随地面接收机，将携带有高频信号的激光射入地面接收机中；

8.进入地面的激光信号，经由光电探测器(PD)转换成电信号。将电信号引入中央处理器中进行解调制和图像视频记录。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种载荷无源的空间激光通信系统，从根本上解决了微波传输中2.4GBit/s的速率上限，将这一传输速率提到了5-10倍，能够实现超高清立体空间的图像和视频传播对于数据高速传输的要求。

2.本发明提供了一种载荷无源的空间激光通信系统，由于使用的是激光作为信号的载体，它从技术上能够解决数据的安全性问题。当前空间通信大多采用微波传输，长波长的微波在空气中传输衍射，易被别人截获，而激光具有准直性和方向性，能够很好的保证数据的安全，在军用航拍和国家地质拍摄及探测等涉密方面具有天然的优势。

3.本发明提供了一种载荷无源的空间激光通信系统，该系统要求将大部分激光器发射和接受装置安放于地面，在空间载荷中仅仅放置几个无源的光器件和一个加载信号的调制器，大大降低了设备对于飞行载体载荷以及功耗的要求。更少的器件置于空间中，可以大大提高飞行器系统中的稳定性，克服各种恶劣的自然条件，满足飞行器在恶劣条件下的拍摄和探测要求。

4.本发明提供了一种载荷无源的空间激光通信系统，本发明技术原理简单，即激光器发射激光，经过光放大后进入调制器加载信号，再由光电探测器转换光信号，最后解调出有用的高频信号。并且本发明技术成熟，在地面各个网络基站之间已有广泛的应用，激光器的快速精准捕获、跟踪和瞄准技术也相对成熟，因此本发明所提供的技术，其产品实现能力强。

5.本发明提供了一种载荷无源的空间激光通信系统，本系统将激光作为信号的载体，通过调制器加载高频信号进行空中与地面的通信，其侧重于地对低空以及低空对地之间的高速通信，因此其应用不局限于图像、视频拍摄和数据采集，也适用于各种其他挂载的需要通信的设备。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明中载荷无源的空间激光通信系统实现原理图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种载荷无源的空间激光通信系统，该系统由地面站10、空间载荷20两部分组成，该地面站10和空间载荷20通过激光光束连接通讯，

其中地面站10包括：

一激光器11，用于产生光载波，所述地面站10所包含的激光器11是光纤激光器、半导体激光器或是窄线宽激光器，其波长选择在大气窗口范围之内；

一光放大器12，该光放大器12的输入端与激光器11的输出端连接，用于对光载波的放大，所述地面站10所包含的光放大器12是半导体光放大器或是光纤光放大器；

一下自对准光收发器13，用于对发射光的平行扩束发射和对接收光的聚焦耦合，该下自对准光收发器13接收光放大器12的信号，所述下自对准光收发器13包括一GPS定位模块131、光学天线、跟踪瞄准控制系统、光接收机和光发射机。其中GPS定位模块131向上自对准光收发器21发射信号，提供下自对准光收发器13的位置坐标，跟踪瞄准控制系统根据上自对准光收发器21中的GPS定位模块211确定上自对准光收发器21的位置，由此来进行对准的粗调整和细调整，光学天线用于对发射光的平行扩束发射和对接收光的聚焦耦合，光接收机和光发射机用于发射和接收激光信号；

一光电探测器14，用于对光信息的探测、接收和处理，该光电探测器14的输入端与下自对准光收发器13的输出端连接；

一解调制和MCU处理器15，其输入端与光电探测器14的输出端连接，用于解调和处理接收到的光信号；

空间载荷20包括：

一上自对准光收发器21，用于对接收光的聚焦耦合和发射光的平行扩束，且用于对地面天线的动态跟踪与瞄准，所述空间载荷20上自对准光收发器21包括一GPS定位模块211、光学天线、跟踪瞄准控制系统、光接收机和光发射机。其中GPS定位模块211向下自对准光收发器13发射信号，提供上自对准光收发器21的位置坐标，跟踪瞄准控制系统根据下自对准光收发器13中的GPS定位模块131确定下自对准光收发器13的位置，由此来进行对准的粗调整和细调整，光学天线用于对发射光的平行扩束发射和对接收光的聚焦耦合，光接收机和光发射机用于发射和接收激光信号；

一光耦合隔离器22，其与上自对准光收发器21双向连接；

一调制器23，用于空间信号的加载，其输入端口1接收光耦合隔离器22激光光束，输出端3与光耦合隔离器22的输入端3相连接，所述空间载荷20包含的调制器23是相干调制器，或强度调制器；

一中央处理器24，用于将调制后的信号返回给地面站10，该中央处理器24的输出端与调制器23的输入端口2连接；

一探测设备25，用于采集地面所需的信号，并将此信号加载到调制器上，该探测设备25的输出端与中央处理器24的输入端连接，所述空间载荷20包含的探测设备25是摄像头、温度仪温度仪、地质探测器、气压气流探测器或大气成分探测器。

上述方案，所述的一种载荷无源的空间激光通信系统，其中激光器的选择要求激光需要有极高的相干性和穿透性，能够减小长距离传输中，大气对于激光的影响。

上述方案，所述的一种载荷无源的空间激光通信系统，其中空间载荷中的光学天线和接收机，其受限制于空间载荷的最大重量以及挂载空间限制，因此，它应该挂载到可360°旋转的机械臂上，并且此机械臂可根据定位模块来调整俯仰角。而作为地面对接的光学天线和接收机，具有大广角超大视野，以减少大气对通信的干扰以及定位模块精度所带来的对准难度。

上述方案，所述的一种载荷无源的空间激光通信系统，其中空间载荷中处理器需要满足高精度高速处理能力、10GBit/s以上处理速率、GPS或北斗定位识别和对准跟踪锁定控制要求，因此需采用多路arm芯片并行处理结构，以增加处理器的处理和运算速率。

上述方案，所述的一种载荷无源的空间激光通信系统，其中光电探测器与激光器波长匹配，且满足高速探测要求。如1550nm激光器，10GBit/s传输速率要求，则光电探测器应该选用1550波段且带宽在15GHz左右的器件。

以上所述的具体实施方法对于本发明的目的、技术方案和技术效果进行了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所叙述的仅对于本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种载荷无源的空间激光通信系统，该系统由地面站、空间载荷两部分组成，该地面站和空间载荷通过激光光束连通并上下通信；

其中地面站包括：

一激光器，用于产生光载波；

一光放大器，该光放大器的输入端与激光器的输出端连接，用于对光载波的放大；

一下自对准光收发器，用于对发射光的平行扩束发射和对接收光的聚焦耦合，该下自对准光收发器接收光放大器的信号；

一光电探测器，用于对光信息的探测、接收和处理，该光电探测器的输入端与下自对准光收发器的输出端连接；

一解调制和MCU处理器，其输入端与光电探测器的输出端连接，用于解调和处理接收到的光信号；

空间载荷包括：

一上自对准光收发器，用于对接收光的聚焦耦合和发射光的平行扩束，且用于对地面天线的动态跟踪与瞄准；

一光耦合隔离器，其与上自对准光收发器双向连接；

一调制器，用于空间信号的加载，其输入端口1接收光耦合隔离器激光光束，输出端3与光耦合隔离器的输入端3相连接；

一中央处理器，用于将调制后的信号返回给地面站，该中央处理器的输出端与调制器的输入端口2连接；

一探测设备，用于采集地面所需的信号，并将此信号加载到调制器上，该探测设备的输出端与中央处理器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的载荷无源的空间激光通信系统，其中下自对准光收发器包括一GPS定位模块、光学天线、跟踪瞄准控制系统、光接收机和光发射机。

3.根据权利要求1所述的载荷无源的空间激光通信系统，其中地面站所包含的激光器是光纤激光器、半导体激光器或是窄线宽激光器，其波长选择在大气窗口范围之内。

4.根据权利要求1所述的载荷无源的空间激光通信系统，其中地面站所包含的光放大器是半导体光放大器或是光纤光放大器。

5.根据权利要求1所述的载荷无源的空间激光通信系统，其中空间载荷上自对准光收发器包括一GPS定位模块、光学天线、跟踪瞄准控制系统、光接收机和光发射机。

6.根据权利要求1所述的载荷无源的空间激光通信系统，其中空间载荷包含的调制器是相干调制器，或强度调制器。

7.根据权利要求1所述的载荷无源的空间激光通信系统，其中空间载荷包含的探测设备是摄像头、温度仪、地质探测器、气压气流探测器或大气成分探测器。