信息网络空间激光通信新技术研究

所属栏目:通信论文 发布日期:2020-08-04 10:06 热度:

 

  在现阶段,网络信息输送量呈直线上升趋势,传统的网络通信满足不了信息网络的发展要求,因此为满足通信业务要求,需对通信手段进行更新;从空间网络运行角度上来看,空中太阳光是非常重要的,其具有较为广阔的分布区域,且属于自然资源,充分使用空中太阳光,能有效解决能源紧缺问题。

信息网络空间激光通信新技术研究

  1天地一体化信息网络概述

  天地一体化信息网络的载体为空间平台,实时获取各类信息,并能对信息进行传输及处理。对于一个国家来说,该网络是非常重要的,其是国家信息化设施的重要基础,在一定程度上,能对国家安全发挥积极作用,是实现高速传输信息及信息覆盖全世界的必然趋势。现如今,网络信息输送量呈直线上升趋势,传统的网络通信满足不了信息网络的发展要求,比如信息网络要求传输效率更高、传输距离更远、传输容量更大等,由此,基于一体化信息网络,为满足通信业务要求,需对通信手段进行更新。相对于微波通信而言,空间激光通信具备以下优点:信息传输具备较高的安全性;能以较快速度传输信息;在信息传输的过程中,对电磁的抵抗能力较强;不需要频率就能对信号进行传输;其在运行的过程中,功耗率较低等,由此空间激光通信技术成为一体化信息网络的重要部分。在目前阶段,天地一体化信息网络的发展离不开空间激光通信,对空间激光通信需求较为迫切,在这样的形势下,空间激光通信技术得以发展,并受到世界各国的高度重视。在一体化信息网络不断发展的背景下,以及相关业务量逐渐增多,现有的空间激光通信技术难以满足信息网络(天地一体化)的发展,比如空间激光通信容量出现饱和,及其通信效率达到极限,仍不满足实际发展需求,在这样的情况下,研发新型激光通信技术是非常必要的。除了较为成熟的空间激光通信技术以外,世界各国更加注重新型激光通信技术,比如太阳光泵浦激光通信技术、相控阵激光组网通信技术以及基于模式分集接收的激光通信技术等,本文接下来将主要从这几方面进行分析,以供参考。

  2基于模式分集接收的激光通信技术

  对于激光大气传输信道来说,影响其传输性能的因素有很多,其中最为主要的因素是大气湍流,这一点在相干激光通信系统中得以充分体现,为满足混频的要求,空间光须被耦合至光纤。在耦合过程中,由于受到大气湍流的影响,耦合效果并不是很理想,以至于功率出现抖动的现象,其抖动幅度较大。为解决这一现象,可以通过提高相干的灵敏度,及对大气湍流进行补偿得以实现,在这样的情况下,不仅能提高耦合效率,也能接受到更高的端光功率。对于大气湍流的补偿技术而言,其中最为主要的是自适应光学技术,该技术的作用原理是:通过对波前相位进行探测,并向波前反馈光信号,进而补偿波前畸变现象。该技术主要使用于弱湍流,在中强湍流中不常使用,因为在湍流程度过强的情况下,补偿效果并不明显。另一方面,为提高耦合效率,可以采用天线分集接收的方式,但是在使用该方法的过程中,所需天线数量较多,由此增加了建设成本费用。基于模式分集的概念,将空间光与光子灯笼(模式耦合器件)进行耦合,借助于光子灯笼,能将不同阶级的模式(高阶模式以及低价模式)转化为基模,并将基模传输至光纤,进而达到模式分集的目的。通过模式分集的作用,能提高光效率,一般而言,能在原来基础之上提高至6dB。日本有关方面研究人员基于大气环境,采用少模光纤与空间光进行耦合,为缓解大气衰落概率,采用了合并计算方法(最大比),达到320m大气中每秒10GbBPSK体制的相干通信,实验系统框图如图1所示。实验结果显示,通过采用合并计算方法及少模光纤,能将耦合效率提升6.5dB。

  3相控阵激光组网通信技术

  天地一体化信息网络的目标是实现节点之间高速组网通信,主要以“一对多”的形式体现出来。如今,对于通信终端控制方式而言,常使用机械式光束形式,该控制方式具有以下不足:接入系统所耗用的时间较长、光束的指定方向是同一个方向,在通信链路时,只能达到点对点的程度,不能同时进行多个终端的动作,比如接入及组网等,达不到高效组网的需求。为对光束的方向及其形状进行改变,基于光学相控阵,使用电子可编程方式,进而对相位分布进行控制,以此促使光速波互相干涉,能对波束角度进行随机调整,其具有以下优点:能以极快速度对角度进行变换,并具备较高的分辨率等,该通信技术在应用市场上具有较大的潜力。针对光相控阵项目,美国某公司采用多个液晶光学相控阵拼接方式,进而有效控制口径较大的光束偏转情况,由此证明了子孔径可进行拼接,图2是该公司研制的液晶光学相控阵(数量为7个)。

  4太阳光泵浦激光通信技术

  针对于一体化信息网络而言,影响通信能力及组网能力的因素较多,其中最主要的因素为能源,这一影响在天基网络中得以充分体现。从空间网络运行角度上来看,空中太阳光是非常重要的,其具有较为广阔的分布区域,且属于自然资源,充分使用空中太阳光,能有效解决能源紧缺问题,这点必然成为一体化信息技术的研究趋势。当激光器出现不久之后,国外就研制出了太阳光泵浦固体激光器,由此将太阳光转化为激光源,为太阳光泵浦激光通信技术的长远发展,打下了坚实的基础。虽然该种技术得到有效证明,实际要投入至工程化应用方面,还需进一步的发展。为更好地利用太阳光,促使该技术能符合工程应用要求,需要对功率放大器进行设计,以提高转换效率,由此达到放大光纤光效率的目的,或者放大固体光功率。通过查阅相关资料得知,已经有相关人员对其放大器进行研究。

  5如何促进我国空间激光通信技术跨越式发展

  5.1加强新型空间激光通信研究,提升技术研发创新力

  现如今,我国面临的信息网络建设问题主要包括如何提升信息传输量、如何提高组网能力以及如何提高激光通信的可行性等。先进技术的出现有助于一体化信息网络的建设,比如模式分集接收技术以及激光组网通信技术等,这些先进技术为信息网络建设灌输新的思路及新的方法。基于目前形势,我国需加强研发激光通信新技术,并提高有关方面的创新能力。

  5.2有效评估新器件在空间环境中的适应性,提升通信系统运行的稳定性

  对于激光通信系统而言,其包含多种类型的器件,比如电子学及半导体等器件,这些新型器件是否适应空间环境,将直接决定通信系统的性能,及其使用年限。通常查阅相关资料得知,在开始研制新技术时,应注重研究新型器件对空间环境的适应性,由此可以选取军用级器件为实验材料,进行在轨搭载实验,并将实验结果进行验证,在实验后期应对器件进行测试及评估,为开展高级别新型器件的研制,提供有力的数据支持,及参考经验。

  5.3巩固新技术在轨验证,提高新技术的工程化水平

  相比于西方发达国家,我国在激光通信方面的研究历程较为短暂,为快速提升我国激光通信工程化水平,基于卫星激光通信,应逐步进行各类在轨实验验证。另一方面,要充分结合我国激光通信链路实验(比如星空及星间等),及有关技术验证,以此实现我国激光通信技术跨越式发展,为将来建设激光通信网络积累宝贵经验。

  6结论

  通过以上的分析可以得知,通过提高相干的灵敏度,并对大气湍流进行补偿,不仅能提高耦合效率,也能接受到更高的端光功率。相控阵激光组网通信技术能以极快速度对角度进行变换,并具备较高的分辨率。为更好地利用太阳光,促使太阳光泵浦激光通信技术能符合工程应用要求,需提高功率放大器的转换效率。为快速提升我国激光通信工程化水平,应逐步进行各类在轨实验验证,应充分结合我国激光通信链路实验,及有关技术验证。通过空间激光通信新技术,不仅能提高网络传输效率及组网能力,也能提高信息安全性。

  参考文献

  [1]刘向南,李春才,李晓亮,等.天地一体化信息网络空间激光通信新技术[J].遥测遥控,2019,40(1):1-7.

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  [3]孙建锋.天地一体化信息网络激光通信系统发展设想[J].电信科学,2017,33(12):18-23.

  [4]陈新龙,陈大可.天地一体化网络空间信息抗干扰技术[J].中兴通讯技术,2018,22(4):49-52.

  《信息网络空间激光通信新技术研究》来源:《通讯世界》,作者:蔡凤福

文章标题:信息网络空间激光通信新技术研究

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