CN115085807B - 一种小型激光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型激光通信系统，包括用户终端和高轨端，两个端口均设有激光通信终端，所述激光通信终端包括激光发射部分、激光接收部分、收发光学系统、管理控制模块；用户终端与高轨端实现激光通信；本发明与现有技术相比的优点在于：本发明小型激光通信系统用于实现卫星的小型化和轻型化设计，为了实现小型化设计，将ATP子系统的功能由整星实现，传输手段灵活的激光集成通信网络，实现重量功耗更低，抗电磁干扰更好，多频段多体制兼容，并具备组件可集成、功能可重构的星载激光通信终端技术。

Description

一种小型激光通信系统
技术领域
本发明涉及激光、通信等技术领域，具体是指一种小型激光通信系统。
背景技术
21世纪全民进入信息时代，信息的准确、实时、快速、大容量传输对个人日常生活、军队、乃至国家显得举足轻重，如何实现这一目标成为全社会人类新的挑战与机遇。为满足人类对信息容量和数据传输速率日益增长的需求，世界各国发射越来越多的人造卫星，急需建立更多的通信路径实现大容量高速率的信息传输。而各行各业对于宽带的需求己经越来越紧迫，作为信息传输重要手段的卫星空间通信技术也迎来了巨大挑战。近年来空间遥感技术发展非常迅速，各种传感器空间、光谱等分辨率大幅提高，其对数据传输速率的要求也将大幅增加，空间遥感业务对卫星传输速率的需求已由百兆比特每秒向吉比特每秒发展。而传统的微波通信技术己陷入发展瓶颈，很难满足对地观测吉比特每秒的传输速率需求。
同时在深空探测领域微波通信技术遇到的挑战更大。通信波束随着通信距离成平方发散，随着深空通信距离的增加，通信难度也将呈二次方增长。在深空探测任务中，为获得足够的天线增益，航天器的通信天线体积过大，已经很难放入整流罩中；太阳能产生的能量也无法满足微波通信系统全时段的功耗；观测仪器的空间、光谱等分辨率都受到通信能力的极大限制。以火星探测为例，目前微波通信在火星距离上的通信速度仅能达到几十到几百kbps，受限的通信能力导致美国火星全球勘探任务在整个任务阶段仅能以高分辨率绘制0.3％的火星表面。因此，亟待研究一种小型激光通信系统来解决上述提出的问题。
因此空间激光通信在全球通信中的作用日渐明显，空间激光通信，是利用激光单色性好、方向性强及功率密度大等良好的光束特性，实现以激光光波为载体、在空间(包括近地的大气空间、临近空间、LEO/GEO、星际空间、深空等)信道之间进行信息交换的通信方式。激光通信具有以下4个方面的优点：数据传输率高，通信容量大。星间光通信的载波频率为1013～1015Hz，比微波通信高出几个数量级，单通道就可提供高达10Gbps量级以上的数据传输率，远大于目前微波通信百Mbps的数据传输率。通过波分复用，数据传输率可以达到数百Gbps以上。较小的发射功率需求。由于光束发散角远小于微波通信的波束发散角，所以星间光通信的天线增益远远大于微波通信且有较小的收发射天线和系统结构。光通信的工作波长比微波通信工作波长小3-5个量级，其系统的质量和体积相对更小。高保密性和抗干扰能力。与射频通信不同，激光通信采用了点对点的通信模式，因而其具有高保密、抗干扰性强、抗截获能力强的特点，在军事领域中起到了越来越重要的作用。尽管将激光通信应用于军事领域会受到一定的限制(大气、全天候、战场环境等)，但将激光通信和射频通信进行复合模式工作，已经成为未来通信的趋势。
空间激光通信经过多年探索，取得了突破性进展，已成为解决微波通信速率瓶颈、构建天基宽带网、实现对地观测海量数据实时传输的有效手段。激光通信系统具有体积小、质量轻以及功耗低等特点，非常适合作为卫星有效载荷，能够满足未来航天的发展需求。近几年星载激光通信技术发展迅速，关键技术不断被攻破，纵观国内外星载激光通信终端的研究进展，呈现以下发展趋势:
一是高速率。经过几十年的发展，高灵敏度探测技术逐渐成熟，误码率越来越低，可使速率从最初的百Mbps量级提高到Gbps量级，甚至达几百Gbps量级；
二是星载激光通信呈现组网化趋势。最初的星载激光通信方式基本上均为点对点通信，但近几年各个国家不断开展星载数据中继卫星计划，组网化已经成为未来的主要发展趋势。
三是星载端机小型化。轻量化、小型化、低功率的终端越来越受到国内外激光通信项目的青睐，小型化的终端一般发射到低轨轨道上，例如日本的SOTA终端，美国的立方卫星AeroCube-7B和AeroCube-7C和欧洲的OPTEL-μ微小卫星。
四是星载激光通信深空化研究。美国已于2017年又开展了深空光通信计划DSOC，用于实现木星、火星探测信息传输。而欧洲航天局也已经开展了名为AIM的深空探测任务，用于记录小行星的轨道信息，防止小行星与地球发生碰撞。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种结构简单，实用性强，使用效果好的一种小型激光通信系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种小型激光通信系统，包括用户终端和高轨端，两个端口均设有激光通信终端，所述激光通信终端包括激光发射部分、激光接收部分、收发光学系统、管理控制模块；
用户终端与高轨端实现激光通信；
星载激光通信终端可分为三大部分：激光收发子系统，捕获跟踪瞄准(ATP)子系统，光学平台子系统；所述光学平台子系统包括激光准直系统、光学天线、中继光学系统；
卫星光通信系统由激光发射系统和激光接收系统构成，在激光发射信道中，星载激光通信终端使用两个不同的激光器产生信号光和信标光，发射激光由准直系统校正准直后，具有合适的发散角，再经合束镜、预瞄准装置、分色镜和光学天线后，将激光束射向目标卫星终端。
在激光接收信道中，目标卫星发射过来的激光束由激光接收机的光学天线收集，经分色镜后信号光和信标光被分开，信标光入射到粗瞄准探测器；信号光经过分束镜后被分为两部分，一部分聚焦到第一精瞄准探测器上，另一部分聚焦到第二通信探测器上；
所述捕获跟踪瞄准(ATP)子系统功能集成在整星上。
进一步的，所述激光发射部分包括激光器、光放大器。
进一步的，激光器选择1550nm，调谐频率在100K-10G；
光放大器：采用掺铒光纤放大器，置于光接收机或者光电探测器前端，用于调高光电探测器的灵敏度，采用两级放大结构，采用低噪声掺铒光纤、基于纯模拟的泵浦激光器驱动；实时显示有输入、输出光功率，泵浦激光器工作电流、工作温度、制冷电流参数。
进一步的，所述激光接收部分包括激光接收电路、信号处理电路。
进一步的，激光接收电路主要包含接收探测器及其放外围电路，其功能将接收的光信号转换未标准的电信号，送至激光处理单元；激光接收电路采用光探测模块采用高增益、快速响应、低暗电流的光电二极管，内部集成了低噪声宽带跨阻放大器、升压以及温度补偿电路，具有高增益、高灵敏度特点；模块供电为正12V，输入光接口空间入射；电信号由SMA端口输出；
信号处理电路由FPGA及其外围器件组成；功能为：与整星通讯，将激光通信终端的遥测发送至星载激光通信终端；对数据进行编码送至激光发射模块；接收数据并解码；对通信状态进行判断；计算误码率；采集自身的状态控制激光发射的速率。
进一步的，所述收发光学系统由两部分组成，分别是通信激光接收模块和通信激光发射模块，两个模块各为独立光路，互不影响，分别采用波长为1535.82nm和1546.92nm的激光作为通信光。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明小型激光通信系统用于实现卫星的小型化和轻型化设计，为了实现小型化设计，将ATP子系统的功能由整星实现，传输手段灵活的激光集成通信网络，实现重量功耗更低，抗电磁干扰更好，多频段多体制兼容，并具备组件可集成、功能可重构的星载激光通信终端技术。
附图说明
图1是本发明激光通信系统整体示意图。
图2是本发明星载激光通信终端组成示意图。
图3是本发明激光终端的组成示意图。
图4是本发明收发系统光路示意图
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
星载激光通信的全系统的组成原理如图1所示，星载激光通信终端由多个子系统构成，是高精度光机电一体化系统，光学系统比较复杂，所以总体设计难度较大。激光通信技术涵盖了光机电等多个领域，系统中每个元件都发挥着不可替代的作用。终端系统组成原理框图如图2所示，可分为三大部分：激光收发子系统；捕获跟踪瞄准(ATP)子系统；光学平台子系统。光学平台子系统包括激光准直系统、光学天线、中继光学系统等。
卫星光通信系统主要由激光发射系统和激光接收系统构成，其功能实现原理可通过收发信道所完成任务来解释。在激光发射信道中，星载激光通信终端使用两个不同的激光器产生信号光和信标光，发射激光由准直系统校正准直后，具有合适的发散角，再经合束镜、预瞄准装置、分色镜和光学天线后，将激光束射向目标卫星终端。
在激光接收信道中，目标卫星发射过来的激光束由激光接收机的光学天线收集，经分色镜后信号光和信标光被分开，信标光入射到粗瞄准探测器；信号光经过分束镜后被分为两部分，一部分聚焦到第一精瞄准探测器上，另一部分聚焦到第二通信探测器上。
本发明主要A实现卫星的小型化和轻型化设计。为了实现小型化设计，将ATP子系统的功能由整星实现，传输手段灵活的激光集成通信网络，实现重量功耗更低，抗电磁干扰更好，多频段多体制兼容，并具备组件可集成、功能可重构的星载激光通信终端技术。
由于重量的约束，本系统的瞄准跟踪功能只能有整星来完成，由于整星的跟踪能力较弱，就要求激光的发射束射角尽量大，因此要求系统的光学天线焦距尽量长，而在接收系统中由于接收的探测器的灵敏度和感光面是一定的，因此要求接收光学天线焦距要与探测器匹配，因此在光学方案选择上不采用收发一体的方案而采用发射和接收的光学系统分离的方案。
激光通信载荷由两套完全相同的激光通信终端组成，如图3所示。激光通信终端主要有激光发射部分、激光接收部分、收发光学系统、管理控制模块组成。
a.激光器
激光器选择1550nm,调谐频率在100K-10G；
b.光放大器
掺铒光纤放大器是专门用于小信号放大的一款光纤放大器，一般置于光接收机或者光电探测器前端，用于调高光电探测器的灵敏度。采用两级放大结构，采用低噪声掺铒光纤、基于纯模拟的泵浦激光器驱动电路保证了其高增益、低噪声系数的优良特性；可以实时显示输入、输出光功率，泵浦激光器工作电流、工作温度、制冷电流等参数，
c.激光接收电路
激光接收电路主要包含接收探测器及其放外围电路，其功能将接收的光信号转换未标准的电信号，送至激光处理单元。激光接收电路采用光探测模块采用高增益、快速响应、低暗电流的APD雪崩光电二极管，内部集成了低噪声宽带跨阻放大器、升压以及温度补偿电路，具有高增益、高灵敏度特点。模块供电为正12V，输入光接口空间入射；电信号由SMA端口输出。
d.信号处理电路
信号处理电路目前暂定由一片FPGA及其外围器件组成。功能为：与整星通讯，将激光通信终端的遥测发送至星载激光通信终端；对数据进行编码送至激光发射模块；接收数据并解码；对通信状态进行判断；计算误码率；采集自身的状态控制激光发射的速率
e.收发光学系统
收发光学系统主要由两部分组成，如图4所示，分别是通信激光接收模块和通信激光发射模块，两个模块各为独立光路，互不影响，分别采用波长为1535.82nm和1546.92nm的激光作为通信光。
本方案能够达到的技术指标如下：
a.激光的发射的束射角不小于±1°；
b.电源接口，为12V±1％，功耗小于10W；
c.通讯接口采用422接口；
d.通信距离不小于1000米；
e.通信速率，小于500MHZ；
f.重量小于3kg。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，具体实施方式中所示的也只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种小型激光通信系统，其特征在于，包括用户终端和高轨端，两个端口均设有激光通信终端，所述激光通信终端包括激光发射部分、激光接收部分、收发光学系统、管理控制模块；
用户终端与高轨端能够实现激光通信；
星载激光通信终端可分为三大部分：激光收发子系统，捕获跟踪瞄准(ATP)子系统，光学平台子系统；所述光学平台子系统包括激光准直系统、光学天线、中继光学系统；
卫星光通信系统由激光发射系统和激光接收系统构成，在激光发射信道中，星载激光通信终端使用两个不同的激光器产生信号光和信标光，发射激光由准直系统校正准直后，具有合适的发散角，再经合束镜、预瞄准装置、分色镜和光学天线后，将激光束射向目标卫星终端，
在激光接收信道中，目标卫星发射过来的激光束由激光接收机的光学天线收集，经分色镜后信号光和信标光被分开，信标光入射到粗瞄准探测器；信号光经过分束镜后被分为两部分，一部分聚焦到第一精瞄准探测器上，另一部分聚焦到第二通信探测器上；
所述捕获跟踪瞄准(ATP)子系统功能集成在整星上，
所述激光接收部分包括激光接收电路、信号处理电路；
激光接收电路主要包含接收探测器及其放外围电路，其功能将接收的光信号转换未标准的电信号，送至激光处理单元；激光接收电路采用光探测模块采用高增益、快速响应、低暗电流的光电二极管，内部集成了低噪声宽带跨阻放大器、升压以及温度补偿电路，具有高增益、高灵敏度特点；模块供电为正12V，输入光接口空间入射；电信号由SMA端口输出；
信号处理电路由FPGA及其外围器件组成；目前功能为：与整星通讯，将激光通信终端的遥测发送至星载激光通信终端；对数据进行编码送至激光发射模块；接收数据并解码；对通信状态进行判断；计算误码率；采集自身的状态控制激光发射的速率。
2.根据权利要求1所述的一种小型激光通信系统，其特征在于，所述激光发射部分包括激光器、光放大器。
3.根据权利要求2所述的一种小型激光通信系统，其特征在于，激光器选择1550nm，调谐频率在100K-10G；
光放大器：采用掺铒光纤放大器，置于光接收机或者光电探测器前端，用于调高光电探测器的灵敏度，采用两级放大结构，采用低噪声掺铒光纤、基于纯模拟的泵浦激光器驱动；实时显示有输入、输出光功率，泵浦激光器工作电流、工作温度、制冷电流参数。
4.根据权利要求1所述的一种小型激光通信系统，其特征在于，所述收发光学系统由两部分组成，分别是通信激光接收模块和通信激光发射模块，两个模块各为独立光路，互不影响，分别采用波长为1535.82nm和1546.92nm的激光作为通信光。
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