...研发名为\"自由空间光学通讯\"的红外激光系统-美军研发红外激光通...
侯亚萍
摘 要：随着现代通讯信息技术的不断发展，空间激光通信技术的研究和发展对我国建设具有抗衡干扰作用的一体化天地空高速运行的通讯信息网络系统具有重大意义。将双光楔配合扩束镜共同使用，利用扩束镜的广角镜头收集来自不同方向的光信号，同时利用多组双光楔对这些不同方向的光信号进行实时的动态监控，从而形成一种全新的空间激光通信组网技术的研究方案。并结合已有光学原理的理论知识，完成一点对多点的空间激光通信光学系统和技术的研究和分析。
关键词：扩束镜、双光楔、空间激光、通信技术、光信号
1、概述
进入二十一世纪以来世界各国对空间激光通信技术的研究已经有了大量的理论和实践成果。经研究发现，利用空间激光进行信息通讯时具有简易轻便、抗干扰性好、抗拦截能力强、速率高等特点，如能将其广泛运用到信息传输中，那么空间激光的通信技术将得到更大的发展、发挥更大保障信息安全的价值。然而，在现阶段，利用空间激光进行通讯信息的传输还处于向工程化发展方向靠拢的初级应用阶段。在这一阶段，空间激光的通信形式只能完成点对点的通信，且因为空间激光通信所发出的光信号的光束散角的角度较小，这也在某种程度上限制了空间激光技术的推广应用。例如在卫星的信息传输过程中，低轨卫星不能直接将信息传输回地面的控制中心，而要借助中继通信卫星作为传输中介。这就是现阶段能广泛使用的一对一空间激光通信技术。如果要实现多个低轨卫星同时传输数据的话，就要求高轨中继卫星在通信技术上个拥有一对多的空间激光通信技术。但是在当前的卫星传输中一对多的空间激光通讯技术的应用还不完成成熟，故研究一对多空间激光通信技术对通信传输领域的影响和作用是非常重大的。如美国和日本在本世纪初就有对一对多的空间激光通讯技术的研究和运用，并取得了一定的成绩。借鉴他们的发展经验和研究成果，结合空间激光通讯网络技术的未来发展方向及其发展空间，根据一对多激光通讯技术相关研究，提出以空间激光通信组网为主要研究方向的一种全新空间激光通信计划。
2、一对多空间激光通信技术设计理念
为完成一对一空间激光通信技术向一对多空间激光通信技术的改革和转变，需要有借助光学原理的理论知识以及扩束镜与双光楔的实践成果。因此，一对多的空间激光通信技术的设计理念分为两个方面，即一方面利用光学原理中的光学天线原理以及扩束镜对光的扩散作用来推动实现一对多的空间激光通信技术；另一方面是利用双光楔中的旋转双光楔能够对光的进行跟踪的作用推动一对多空间激光通信技术的运用和实践。
第一，借助光学理论知识推动空间激光通信技术的改革。一对多空间激光通信技术的实现要求现行的空间激光通信技术端拥有同时收发来自不同方向光信号的能力，这就需要空间激光通信技术端的天线必须拥有较广的视场角。而扩束镜的广角镜头在扩大光学天线的视场角上能发挥其重要作用。因为广角镜头式的扩束镜可以将前后组物镜的两焦点完成重合在一起，这就可以使其入射光线与出射光线都为平行光线，从而增加空间激光通信技术端光学天线的视场角，使得空间激光通信技术端可以同时多个来自不同方向的光信号，这在一定程度上可以推进了一对多空间激光通信技术的实现。
第二，借助旋转型双光楔跟踪作用捕捉来自不同方向的光信号。旋转双光楔之所以拥有跟踪功能是因其由两个可以独自绕相同的光轴自由旋转的，一模一样的折射式楔形棱镜经过排列组合而成的。其能对光信号进行跟踪的工作原理是：平行于双光楔旋转光轴的入射光线进入双光楔系统后，旋转双光楔通过变化其折射式楔形棱镜的旋转角度，使得出射光线在其可控范围中可以指向任何方向，从而达到跟踪光信号和实现对光信号的具体指向的效果。
3、一对多空间激光通信技术的系统实施方案
一对多空间激光通信技术的实施方案分为系统总实施方案和系统具体实施方案。系统总实施方案主要是将广角式镜头的扩束镜和旋转式双光楔相结合，且相互互补：广角式镜头的扩束镜可以扩大光学天线的视场角、收发来自不同方向的光信号，但不能对移动中的光信号进行捕捉；而旋转式双光楔正好可以弥补这个缺陷：能够对移动的光信号目标进行动态追踪，从而真正实现一对一空间激光通信技术向一对多空间激光通信技术的跨越。
一对多空间激光通信技术的具体实施方案光学系统的具体实施方案以及对通信光信号的捕捉、追踪、校准和收发。首先是光学系统的具体实施方案，在这个实施方案中又包括四种子实施方案：第一是对光学天线的收发。即使用投射式的广角型扩束镜，360°全方位无死角的接收来自不同方向的光信号，再经过光学系统以平行光的形式从不同的角度出射，并在光学天线的出瞳口重合在一起。第二是旋转双光楔对光信号的进行追踪。对位于扩束镜出瞳口的旋转双光楔可以对扩束镜发出的多个平行光进行粗跟踪，并在其稳定后，将跟踪到的各个光信号经旋转轴向后传送到后续光学系统。第三是利用中继光学分系统的的中介作用对从双光楔发出的光信号进行收缩，从而达到便利后续工作的作用。第四是利用收发分光的分系统对需要后续处理的光信号进行必要隔离，从而使得光信号可以被稳定且准确的跟踪。其工作原理是使用粗细跟踪型相机为旋转双光楔的工作提供脱靶信息，从而使粗细跟踪闭环，最终达到能对光信号进行稳定准确的追踪。其次是对通信光信号的捕捉、追踪、校准和收发。其次，是对通信光信号的捕捉、追踪、校准和收发。要真正将空间激光运用于通信系统中，不仅需要双光楔的对光信号追踪，还需要运用GPS进行具体精确定位，再经过光标对光信号进行捕捉、校准以及追踪后，待精追踪真正稳定下来后才能进行通信。通信在发射时主要结合中继光光分系统与双光楔先对光束进行处理后经不同探测器发出。接受时则是先运用广角型扩束镜对光束进行收集，后通过双光楔的处理，经中继光光分系统处理后利用不同探测器进行接受，以实现真正的一对多空间激光通信。
4、总结
利用广角型擴束镜与旋转双光楔组合的形式，在可以对多个来自不同方向的光束进行追踪和接受的基础上可实现一对多空间激光通信技术的实践运用。在以中继光光分系统作为接受光束的媒介，确保了一对多空间激光通信技术具有很强的可行性，因此一对多空间激光通信技术将来必会广泛的运用于飞机、卫星通讯等领域。
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