机载激光通信特点与应用简介

硅谷网8月2日消息 《硅谷》杂志2012年第12期刊文称,机载激光通信由于平台特性，受到外部环境约束较多，需要攻克的技术难题也较复杂，但作为未来自由空间光网络的重要节点，机载平台地位越来越重要，得到普遍关注。总结机载激光通信的特点，重点介绍三项关键技术，最后简要展望机载激光通信的应用前景。
　　20世纪60年代，随着世界上第一台红宝石固态激光器的出现，激光的众多优点立即推动多项科学技术取得突破性进展，其中就包括激光通信技术。激光通信是一种以激光光束为载体实现信息传输的通信方式。激光通信分为有线传输和无线传输两种形式，其中有线激光通信即光纤通信，依赖的传输媒质是光纤，在光纤问世后的二三十年中迅速成为地面通信的重要手段；无线激光通信，又称为自由空间光通信（FreeSpaceOpticalCommunication，FSO），结合了无线通信的便捷性和光纤通信高速率、大容量的优点，成为空间和大气光通信的首选。
　　根据传输介质的不同，无线激光通信主要可以分为：空间激光通信、大气激光通信和水下激光通信。早期的激光大气通信由于器件技术、系统技术以及大气光学信道等技术瓶颈，一直在理论研究中难以实用，无线激光通信转而运用于空间通信领域。随着空间激光通信技术的完善、成熟，以及对大气激光通信的深入研究，激光通信技术应用到其它运动载体上得到了更多技术保障。近年来随着机载平台的重要性迅速凸显，机载平台激光通信系统及链路研究也迅速展开，成为研究热点。
　　1机载激光通信的特点
　　机载平台包括飞机、卫星和飞艇这类在空间进行运动的平台，与地面激光通信相比较，具有独特的优势：平台位置高，客服了地面上有形障碍物的影响，使通信建立的机动性更强，便于实现机动部队的快速接入，建立通信网络或计算机网络，或者在移动通信网络的建立中可当作转接站。
　　由于激光通信的波长远小于微波通信，频谱特性决定了激光通信具有良好的抗电磁干扰性，目前为止还没有实用化的针对激光通信的干扰措施；还可以提供新的较宽的通信频带，缓解目前无线电频率资源紧张、频率拥挤的状况。激光通信的发射和接收天线一般为光学透镜，设备轻小型化，具有较好的电磁兼容性，不会对其它电子设备造成干扰，在狭小平台应用的潜力较大；激光的单色性、相干性和方向性决定了激光传输的发散角小，为毫弧度量级，激光通信基本上是点对点通信，接收机只有落在激光束的光斑范围内才能接收到信号，因此难以被截获，传输的保密性好。
　　另外，激光通信还具有通信速率高、通信容量大以及功耗低等突出优点，非常适合应用于机载平台。围绕着机载平台，可以开展空-空、空-地、空-星、空-潜等链路通信。例如，星-地激光通信会受到大气和云层的影响，其中地面向卫星通信传输受到的影响是在激光进行的开始段，影响更为严重。利用飞机接收地面站信号，然后再飞到云层外，在飞机与卫星之间进行激光通信，这种方法可以有效的解决大气和云层对激光通信的影响，极大地满足通信组网的需求，机载平台已经成为未来空间光通信组网的重要节点和枢纽。
　　但同时，由于机载平台的特殊性，激光通信仍然存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确对准和保持难度大等问题，此外还需要重点考虑飞机平台强振动和扰动特性、强天空背景光以及高动态等因素[1]。
　　2机载激光通信的发展现状和关键技术
　　机载激光通信涉及到的关键技术很多，这里仅详细介绍其中的几种相对重要的技术和理论。
　　1）捕获、瞄准、跟踪技术（Acquisition，Pointing，TrackingAPT）
　　从理论角度，激光通信的大气传输光学线路非常简单，即用发射机将经过光学调制的激光束发射到接收机即可。但在实际的大气传输中激光束对准确接收的要求很高，入射光必须对准接收机的检测器，同时接收机的检测器也必须能自动、快速调制方向，以便跟踪发射场。激光的波束非常窄，对于两个高速运动的目标来说，想要直接对准并准确接收很难，另外平台的振动或抖动很容易使对准发生偏离。因此一个典型的激光通信系统除了光源子系统、发射与接收子系统、信号调制解调探测子系统外，还应增加一个核心单元----捕获、瞄准、跟踪（APT）子系统，各子系统之间的结构关系如图1所示。光束捕获、瞄准和跟踪是机载激光通信链路建立和通信质量的前提和保证。机载平台间建立激光通信之前先要完成目标的捕获、瞄准与跟踪，采用发散角稍大些的信标光来完成通信双方点对点的锁定，缺点是容易暴露载机平台和通信终端。
　　
　　
　　图1激光通信系统终端构成
　　捕获是开环捕获过程，通信终端需要通过位置和姿态传感器获得相应的参数，配合相应的有效的扫描方式探测入射光，使对方信标光落入接收方视场。从目前国外报道的激光通信技术看，星载激光通信可以通过星历表和轨道预测判断对方的位置，而且卫星平台的姿态扰动很小，姿态测量精度较高，可以实现高概率、快速捕获。但飞机的位置不确定，需要进行实时定位，而且姿态扰动也较大，所以存在较大的开环捕获不确定区域。目前多通过INS/GPS捷联导航获得相应参数[2-3]。
　　在捕获信标光并建立通信后，需要抑制干扰并实施动态瞄准，实时调整天线位置保证光斑在探测面一定的中心范围内，这就是跟踪。机载平台的跟踪预测性能决定了通信的成败，对于空-空链路和空-地链路，由于链路距离较短，平台间的激光通信常具有较大的相对运动角速度，会引起角度的动态滞后误差，使动态跟踪精度降低。同时还需要对机载平台的位置进行预测。长期以来，扩展卡尔曼滤波及各种改进算法是解决信标光跟踪问题的经典算法，但仅仅是近似算法，对于机载平台跟踪预测的实际问题精度不高。重庆理工大学的曹阳等首先提出了一种改进的粒子滤波算法，将算法的实时性大大提高[4]。
　　APT系统通常采用嵌套伺服控制机构，复合使用粗、精跟踪两个伺服环实现高精度动态跟踪[5-6]，低带宽的粗跟踪环具有较大视场，主要完成扫描、快速捕获、对准和稳定粗跟踪；精跟踪环具有较小的动态范围、较高的伺服带宽和高跟踪精度，对宽功率谱振动具有很强的抑制能力，以保证快速和高精度对准和跟踪。
　　对于机载激光通信系统，视轴稳定是实现高概率、快速捕获和高精度跟踪的根本要求，长春理工大学对机载平台跟瞄系统进行了研究，采用了主被动抑制措施对视轴进行稳定，达到动态跟踪要求[1]；研制了飞机-地面间激光通信天线的初始对准系统，确定了捕获不确定区域为35mrad，为以后飞机-地面间激光通信的实际建立打下了理论基础[7]。
　　2）大气信道特性与规律研究
　　大气对机载激光通信的干扰是制约高速率通信链路实现的重要因素，目前国内外激光通信主要向临近空间悬浮平台及无人机方向发展，对大气信道的环境情况进行研究迫切而任务繁重。
　　大气信道问题主要包括激光在大气中传输时受到的大气衰减、天气现象和大气湍流的干扰。
　　大气气体分子和气溶胶会对传输信号光产生吸收、散射造成信号光能量损耗，影响系统接收性能和通信质量。减小大气衰减的办法是尽量选择位于大气窗口频段的激光波长。
　　地球所有的天气现象都集中在对流层，晴、阴、风、雨、雾、霾等都会对光信号产生影响，其中雾粒的粒径和棱镜作用使激光迅速衰减，是制约大气激光通信距离的最大障碍，因此必须采取措施来克服这些天气现象对激光通信的影响。比如改进信道编码方式，以获得较大的编码增益，以优越的纠错能力来抑制雾的影响；还可以采用增加天线口径、增大发射功率、多孔径发射、多波长光通信和地面站选址等方法。另外，对于这些天气现象微波传输可以不受影响，比如毫米波在雾中具有很好的穿透力。将微波通信系统作为激光通信系统的备份手段和补充系统，可以推出全天候大气激光通信系统。
　　大气湍流是由于大气的湍流运动造成大气折射率在时间和空间上随机变化，使得在其中传输的信号光束发生弯曲、漂移、扩展、畸变、相干性降低、相位和幅度起伏等，影响光束质量和光能量强度，最终结果是造成接收机端难以正确判别和持续接收，降低通信距离和可靠性。与天气现象的影响一样，大气湍流对机载激光通信的影响也主要集中在对流层，并随平台高度增加影响程度降低[8]。
　　国内外相关单位一直在进行有关大气信道特性和对激光通信链路的影响问题的理论和实验研究，并取得了一定的成果[9]。比如美国JPL实验室使用角加速度计和建立适合小天顶角传输的模型来研究强度衰落[10]。近几年来，随着掺铒光纤放大器、波分复用，特别是自适应光学技术的大力发展并运用到大气激光通信领域，大气湍流的干扰在某些条件下得到了一定程度的改善，但仍没有做到完全掌握和克服，大气湍流抑制或缓解技术突破对于光、通信和大气科学等多学科来说仍然是不小的挑战。
　　3）背景光干扰的解决
　　机载激光通信系统的噪声来源之一是来自日光在地表附近散射形成的强背景光，当受到强天空背景光干扰，系统的光接收部件接收灵敏度将下降，同时探测视场受限，影响捕获概论和通信误码率。对强背景光进行抑制，解决办法是在天线上加装滤波镜片和镜筒鸭舌缘，还有根据不同接收单元的具体要求使用窄带滤光技术、优选积分时间等。
　　此外，机载激光通信还涉及到一些关键技术，比如自适应光学补偿技术、连续波大功率激光器技术、光信号发射/接收技术、光源稳频技术、信号压缩编码技术、光学器件设计制作工艺等等。
　　3机载激光通信的应用
　　在当今电磁频谱复杂、电子干扰日益强烈的战场环境中，无线激光通信已经成为一种具有极强竞争力和广阔应用前景的新兴军事通信技术。机载激光通信系统将主要应用于：
　　1）无人机侦察平台。可将在空间侦察到的海量原始数据实时向中继卫星或地面站传输。
　　2）空中力量作战指挥。目前美军的高性能战斗机上都装有激光-卫星通信系统，以便在强电磁干扰的情况下快速建立并保证通信畅通，确保实现战术指控中心与各作战单元的战术指挥。
　　3）构建军用通信系统。未来的信息化战争，需要实现高速、安全的军用通信链路，将光通信与现有的射频通信有机结合起来，共同组成宽带、高速、安全的军用通信系统。（原文载于《硅谷》杂志2012年第12期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载）