空间激光通信一点对多点光学原理与方法的比较研究

张雅琳,安岩,2,姜会林,2,王超,2,江伦,2,胡源,董科研,战俊彤,韩龙

(1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;2.长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022)

空间激光通信一点对多点光学原理与方法的比较研究

张雅琳1,安岩1,2,姜会林1,2,王超1,2,江伦1,2,胡源1,董科研1,战俊彤1,韩龙1

(1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;2.长春理工大学空间光电技术研究所,吉林长春130022)

一点对多点的激光通信技术是构建天空地一体化信息网络的关键节点,也是实现多卫星间组网链路通信的一个必要前提。将空间激光通信一点对多点光学原理与方法进行了比较和研究,并针对三同心球结构和旋转抛物面结构,在其视场和能量利用率上面进行了分析。分析结果表明:三同心球结构视场可以达到水平和俯仰均为120°,旋转抛物面结构的视场可以达到水平360°,俯仰100°;三同心球结构随着视场的增大,能量利用率迅速下降;而在同等体积情况下,旋转抛物面的能量利用率在80°范围内比三同心球结构更高且更稳定。

光学;激光通信;一点对多点;光学原理

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.024

0 引言

空间激光通信因其带宽大、数据传输速率高、抗干扰保密性好等优点而登上历史的舞台。特别是在军事领域,迫切需要将海量原始数据以高速率从侦察平台直接传输或中继传输至指控终端,而对于大容量、高速率通信技术的需求更是非常强烈。目前激光通信的发展趋势为:一则宽,即带宽越来越宽;二则广,即多点通信组建信息网络。随着空间激光通信系统性能不断提高,空间激光通信逐渐从当前的点对点单一模式,向中继转发和构建空间激光通信网络方向快速发展[1-5]。激光通信组网技术是未来激光通信中重要的发展方向。国际上关于激光通信“一点对多点"(以下简称一对多)的研究主要有:日本关于激光与微波通信的组网研究,美国的TSAT组网,美国朗讯公司和Tearbeam公司分别提出一个关于一对多通信系统的专利。国内长春理工大学提出以旋转抛物面结构以及三同心球结构。本文在通过对国内外通信组网的相关技术调研基础上,对一对多光学原理及方法进行了系统的分类,主要包括原理简捷型组网结构[6-7]、交换分发型组网结构[8-10]、射频激光结合型组网结构、视场扩大型组网结构[11-13]和大视场通信型组网结构[14-16]。

1 空间激光通信一对多光学原理与方法

1.1 原理简捷型组网结构

简捷型空间激光通信组网具体可以分为两种类型:一类为多光端机共基础型,另一类是多分光镜叠加型,由于其原理简单,因此称为原理简捷型。

1.1.1 多光端机共基础型

多光端机共基础型是在单个光端机的基础上发展而来,利用多个光端机组合,实现一对多的激光通信。每个光端机单元均由光学天线、APT系统、通信收发系统组成,其供电系统和环境适应性装置等为共用部分,如图1所示。

每个光端机分别负责对准各自的信号源,即两个光端机的叠加实现了系统的“一对二"通信。然而,每台光端机重量十分大,每多增加一路通信,重量多增加一倍,再加上共用的电子学通信收发系统的重量,总重就已经超过100 kg.由于重量和体积比较大,因此仅可以用于“一对二"或“一对三"中,可用于大平台激光通信,如车载、船载激光通信等。

1.1.2 多分光镜叠加型

多分光镜叠加型只保留一个光端机,并在该光端机光学天线的前部增加多个不同角度的分光镜,通过多个分光镜不同角度的放置,如图2所示,以实现不同方位的空间激光通信组网。

图1 多光端机结构系统示意图Fig.1 Schematic diagram of multiple optical transmitter and receiver

图2 多分光镜结构的系统示意图Fig.2 Schematic diagram of multiple beamsplitter structure

其中,分光镜代替了多光端机,每一个分光镜都是“一对一"的。虽然多分光镜结构的体积、重量相比于多光端机结构均有一定的下降,可使用的通信数量也有一定的增长,但也仅可以用到“一对三"或“一对四",数量再增加,能量的利用和分光镜膜系的镀制都是很难实现的。因此,多分光镜结构可以用于大平台的空间激光通信,但要在卫星上使用仍是十分困难的。

1.2 交换分发型组网结构

空间激光通信非实时方面,可以分为光交换结构和光分发结构,统称为交换分发型。

1.2.1 光交换结构

光交换技术是利用动态路由和波长分配原则,通过光交叉连接器和光分差复用器,实现光路层面上多点的波长转换通信,其本质上是光域内面向连接的电交换。它利用动态路由和波长分配原则,通过波长转换,实现空闲波段的充分利用,避免了波长竞争问题,提高了通信波长的利用率,如图3所示。光交换技术的优点主要有网络可扩展,最优分配资源;其缺点主要是没有捕获、对准和跟踪(APT)、灵活性差。

图3 光交换结构基本单元示意图Fig.3 Basic element of optical conversion structure

1.2.2 光分发结构

光分发技术是采用树型、线型、星型或环型等结构实现主从终端之间的分时、分速率、分流量的多目标通信。如图4所示。光分发技术的优点主要有网络可扩展、时序性管理、可控制性好等;缺点主要有波长独占等。光分发技术可实现组网链路中的非实时通信、“一对多"目标的场景通信。

图4 采用光分发方式的无线光通信网络Fig.4 Schematic diagram of optical communication network with optical distribution

1.3 射频激光结合型

射频激光结合型是将射频微波通信和空间激光通信集合起来,针对不同的通信条件和通信要求,采用相应的通信手段,实现各个领域内的无盲点通信。国际上多个国家已经将其列入研究计划,主要代表是日本和美国。

1.3.1 双层低轨道全球通信组网方案

日本关于激光与微波通信的组网研究中,提出了双层低轨道全球通信组网方案,并具体论证了700 km和2 000 km两套低空卫星系统的可行性。卫星间、卫星与地面站之间,采用上层卫星的空间激光通信进行信息传输;地面站与移动用户(个人移动通信),采用下层卫星的微波通信。日本的双层低轨道全球通信组网方案,双低轨组合优势互补、覆盖范围广、激光和微波手段复合。但是双轨道实施难度较大、结构实施复杂、没有提出技术层面激光多点通信具体方案。

1.3.2 TSAT组网

美国的TSAT组网拟于2016年实施,其目的可以提供面向全球部队提供高带宽的信息通信能力。预计达到的通信速率为10～40 Gbit/s.美国的TSAT组网计划,通信速率快、带宽较高、覆盖范围大、各种通信手段互补。可用于星地通信、星星通信、星船通信等,可提供面向全球部队提供高带宽的信息通信能力。

1.4 视场扩大型

视场扩大型是基于传统光端机视场而言,在反射式结构的基础上,采用了大像面形式实现多点组网通信功能。主要代表结构有两种,一种是光纤阵列结构,另一种是多发多收结构。

1.4.1 光纤阵列结构

美国朗讯公司提出了一种视场扩大型一对多组网结构的概念设计[13],如图5所示。采用R-C望远镜结构形式,在焦平面处放置N×N的光纤阵列,每一个光纤放置在接收望远镜不同的焦面上,实现单个光学望远镜的一对多空间激光通信。这样提供了更大的焦平面,并为发射器和接收器提供自动对准。

1.4.2 多发多收结构

美国Tearbeam公司提出一种自由空间一对多光通信系统[12],如图6所示。当光输入端240耦合到光源210时,光输入端终端241直接指向光源经反射元件表面反射的光,指向反射元件表面的光260被反射到远距离处的用户端设备130,通过调节节点单元250的位置提供了一种追踪移动远距离的技术,并可同时利用光接收机520进行接收,从而实现“一对多"通信组网结构的设计。

视场扩大型中的光纤阵列结构视场虽有所扩大,但由于卡式系统的局限以及光纤数值孔径的限制,视场仍然较小,杂散光较为严重,收发器件排布也较为困难。多发多收结构视场也有所扩大,但是视场扩大仍然有限,APT系统跟踪也较难实现。这两种是关于激光通信组网具体系统初步的构想,可用于小视场范围内的空间激光组网通信,但在应用性和实施性上存在上述难点,有待于进一步去突破与改进。

图5 光纤阵列型结构Fig.5 Fiber-optic array structure

图6 自由空间一对多激光通信示意图Fig.6 Schematic diagram of free space multi-point laser communication

1.5 大视场通信型

大视场通信型包括三同心球结构和旋转抛物面结构。由于二者均有比较大的视场,因此称为大视场通信型。

1.5.1 三同心球结构

基于三同心球结构的透镜式特种光学天线如图7所示,该种天线形式的水平视场角和俯仰方向视场角可做到120°.

天线在系统跟踪轨道像面相应的位置放置单元收发终端,可对多个目标进行通信接收及发射,当目标移出该分系统管辖的区域边缘到达另一区域时,另一区域的分系统滑动至该处“接管"对通信目标的跟踪和瞄准任务。

三同心球结构的装置,省去了复杂的跟踪瞄准的过程。该装置为空间激光通信组网提供了一个简单便捷的方法,可实现规定跟踪像面轨道的多点空间激光通信。三同心球结构结构简单,体积质量轻小型化,适用于短距离,要求灵活机动的激光网络。

图7 三同心球结构示意图Fig.7 Three-concentric sphere structure

1.5.2 旋转抛物面结构

另一种特种天线结构是旋转抛物面结构,是以反射式旋转抛物面为基础面型。如图8所示,通信目标A和通信目标B分别从两个不同的方向指向抛物线曲面焦点入射到特种光学天线上,反射光线平行于旋转抛物面轴线出射,进入后续的子光路中。这种反射式旋转抛物面可以实现水平通信范围360°,俯仰通信范围可以实现100°的通信范围。

图8 旋转抛物面一对多激光通信光学系统简图Fig.8 Schematic diagram of multi-point laser communication system with rotating paraboloid structure

旋转抛物面结构的方案通信范围广,结构简单,可利用口径和能量均比三同心球结构大,通信距离较远,也可以实现多点双工同时通信。可用于飞机、飞艇和卫星平台间激光通信组网,实现“一对多"目标的同时激光通信。

2 比较分析

交换分发型和射频激光结合型均属于通信网络层面。而原理简捷型、视场扩大型和大视场通信型均属于通信物理层面上,由于原理简捷型属于全口径接收,而视场扩大型属于概念型设计,因此本节均不做讨论。本节主要针对大视场通信型重点分析在视场与能量利用率上面的差异。

2.1 视场分析

三同心球系统属于大视场光学系统,对于大视场光学系统,边缘点的光照度为:E＇m≈E＇Acos4ω,当视场角很大时,边缘光照度降低相当严重。当视场增大到ω=60°的时候,光照度已经下降到归一化的0.06了,能量损失严重。边缘能量低是限制三同心球视场的一个因素,另一个因素是由于三同心球系统的像面限制了其视场的大小。根据实际应用,使三同心球系统的视场做到约为2ω=120°,由于三同心球子午面与弧矢面完全对称,因此三同心球方位角与俯仰角均为120°.

对于旋转抛物面系统,设抛物线方程为χ2= 4py,p为抛物线方程系数,则其视场即通信范围如图9所示。

通信范围为

当抛物线方程χ2=4py中p确定时,χ0、χ1为两个定量,可根据上式求出旋转抛物面系统的通信范围角,如图10所示。

图9 抛物面通信范围示意图Fig.9 The communication range of paraboloid

图10 通信角度随p值变化曲线Fig.10 The relationship between communication range and paraboloid coefficient

从图10中可以看出,最大通信角度约为120°,此时p=27.40.根据实际应用,若p值取为较为合理的值,通信范围约为100°左右。因此对于旋转抛物面系统,其通信范围其俯仰方向可以达到100°左右。由于旋转抛物面系统为旋转对称系统,因此方位角可以到达360°.

三同心球系统的视场相对于旋转抛物面系统而言,显得略微有些局限。但如果所需视场不需要过大的情况下,三同心球结构的简捷就会很占优势。旋转抛物面系统的方位角360°是三同心球所不能相比的,但俯仰角却要小一点。

2.2 能量利用率分析

对于三同心球系统,是由3个同心的球面组成的光学系统,孔径光阑位于球心处。如下,系统光阑口径40 mm,视场160°,光学体积为200 mm×360 mm× 200 mm(与后者旋转抛物面型的体积大小相对一致)。不同视场下的光束口径遮拦是影响通信质量的最大因素,可用渐晕系数表征其影响程度。对不同视场下入射光束口径的直径进行采样。如表1所示。

表1 三同心球系统能量率用率Tab.1 Energy efficiency of three-concentric sphere structure

表1中,渐晕系数为子午截面光束宽度与轴向中心光束宽度之比。会聚能量利用率与总能量利用率可由下式得出:

随着视场角的增大,轴外视场的光束口径越来越小,能量利用率越来越低,以至于边缘视场能量利用率非常低。对于旋转抛物面系统,能量利用率的主要影响来自于组成抛物面结构的单个反射镜有效口径。不同视场下对应的有效光束口径面积会不同,视场范围的有效光束口径效率为单片反射镜投影面积Sm与天线总面积Sa的比值,即

在下面实例中,光学天线的口径为φ=200 mm,高度H=200 mm,分m=2层,每层n=9块反射镜,则每块反射镜的宽度为d=πφ/n、高度为h=H/m.代入到上式中可以得出:η=πcos θ/nm.由于反射镜的投影角度不可以成90°或0°,因此设反射镜的投影角度变化范围为10°～80°.其中,由于使用的是反射镜,表面的吸收忽略不计,因此会聚能量利用率约为100%.同时,采用两个反射镜面联合同时对一颗卫星通信的体制,相邻多反射镜协助的方法,即相邻两个反射镜的入射转角相同,入射到后续子光路的光束口径会增大一倍,能量相应增大一倍,能量利用率的计算结果如表2。

表2 旋转抛物面结构能量利用率Tab.2 Energy efficiency of rotating paraboloid structure

总能量利用率=会聚能量利用率×光束口径效率。

可见,相比于同等体积大小的三同心球结构,旋转抛物面的能量利用率更高。在俯仰80°范围内能量利用率都保持在30%左右,虽然能量利用率仍然不高,但是比前者要稳定许多。然而旋转抛物面结构的天线对于APT控制难度非常大,针对这一点,三同心球结构就更胜一筹。

综上所述,三同心球系统在水平方向和俯仰方向的视场可以达到120°左右,但随着视场的增大,能量利用率迅速下降,边缘视场能量利用率较低;旋转抛物面结构的水平视场可以达到360°,俯仰方向100°,相比于三同心球系统,能量利用率更加稳定,而且在同等体积下可以获得更大的接收能量。然而旋转抛物面结构的能量利用率却没有达到一个峰值,因此提高能量利用率仍然是一个重要的问题。二者对比如表3所示。

表3 三同心球结构与旋转抛物面结构比较Tab.3 Differences between three-concentric sphere structure and rotating paraboloid structure

3 总结

本文介绍了目前国内外激光通信“一对多"现状及发展现状,并按不同原理进行了分类,主要包括原理简捷型、交换分发型、射频激光结合型、视场扩大型和大视场通信型。其中重点分析了三同心球结构与旋转抛物面结构的视场及能量利用率。分析结果表明:三同心球结构可以达到水平俯仰均120°左右,但是大视场情况下的有效光束口径变小,能量利用率迅速减小;旋转抛物面结构的水平视场可以达到360°,俯仰方向100°,并且在俯仰方向80°之内能量利用率趋于稳定。然而虽然旋转抛物面结构利用率稳定,但是利用率没有达到最高值,且需要复杂的APT系统,而三同心球系统则不需要复杂的APT系统,在像面位置进行定标,便可以实现多光端机系统的跟踪和捕获。本文中的不同光学系统有各自的优势,为空间激光“一对多"通信原理提供了设计基础理论。

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A Comparative Research on Optical Principles and Methods of One-point-to-multi-point Space Laser Communication

ZHANG Ya-lin1,AN Yan1,2,JIANG Hui-lin1,2,WANG Chao1,2,JIANG Lun1,2,HU Yuan1,DONG Ke-yan1,ZHAN Jun-tong1,HAN Long1
(1.School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,Jilin,China; 2.Space Opto-Electronic Technology Institute,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,Jilin,China)

One-point-to-multi-point laser communication is the key to establish an integrated spaceground information network system,and also is the necessary prerequisite of realizing the inter-satellite communication link.The optical principles and methods of one-point-to-multi-point laser communication are comparied and researched.The fields of view and energy efficiencies of three-concentric sphere structure and rotating parabolic structure are analyzed.The result shows that the horizontal and vertical fields of view of the three-concentric sphere structure are 120°,and the horizontal and vertical fields of view of the rotating parabolic structure are 360°and 100°,respectively.With the increase in the field of view,the energy efficiency of three-concentric sphere structure decreases rapidly.However,the energy efficiency of the rotating parabolic structure is more stable than that of the three-concentric sphere structure in the range of 80°.

optics;laser communication;one-point-to-multi-point;optical principle

TN929.1

A

1000-1093(2016)01-0165-07

2015-03-03

国家自然科学基金项目(91338116);兵器预先研究支撑基金项目(62201070152);长春市科技局计划项目(14DR003)

张雅琳(1987—),女,博士研究生。E-mail:yalinjs@163.com;安岩(1986—),男,讲师,博士。E-mail:anyan_7@163.com;姜会林(1945—),男,教授,博士生导师。E-mail:hljiang@cust.edu.cn