摘 要 与微波通信相比，空间激光通信系统具有传输速率高、抗干扰和抗截获能力强、轻小型化等突出优点，使其在星际、军事通信领域具有广阔的应用前景根据空间激光通信发展现状和需求分析，对相干激光通信系统的工作原理和特性进行简要介绍，阐述了空间相干激光通信系统中的部分关键技术，系统的设计方法简单可靠，具有很大的推广价值。
关键词 激光通信;抗干扰;多普勒频移
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）21-0101-02
与微波通信相比，空间激光通信系统具有传输速率高、抗干扰和抗截获能力强、轻小型化等突出优点，使其在星际、军事通信领域具有广阔的应用前景。近三十年来，经典的幅度调制/直接探测（IM/DD）空间激光通信系统取得了突飞猛进地发展，并成功开展多个链路地演示验证试验，现正在向工程应用迈进。
1 工作原理
空间相干激光通信系统也需要捕获、跟踪、对准分系统实现快速捕获和精密跟踪，与IM/DD空间激光通信系统不同之处主要体现在通信分系统上：1）发射端采用窄线宽、高稳频激光光源;2）可采用多种调制方式，不仅局限幅度调制;3）接收端需要本振光与信号光耦合;4）需要特殊的信号处理单元。根据本振光频率与信号光频率不等或相等与否，可分为外差检测和零差检测。零差检测技术经光电转换后被直接转换成基带信号，它要求本振光频率与信号光频率严格相同，相位匹配，虽然原理简单但是实现困难;外差检测技术经光电转换后获得的是中频信号，需二次解调才能被转换成基带信号。外差检测不需要频率严格一致，易于实现，但是其检测灵敏度比零差检测低3dB。外差检测根据中频信号的解调方式不同，又分为同步解调和包络解调。同步解调需要比较复杂的平方环或柯斯塔斯环恢复中频微波载波;而异步不需要恢复中频微波载波，仅使用包络检波和低通滤波形成基带信号。与外差同步接收相比，虽然其灵敏度略有下降（0.5dB），但是结构简洁，易于实现。图1为典型的外差异步解调系统框图。
图1 外差异步解调系统框图
2 关键技术及可行性分析
1）关键技术分析。虽然相干激光通信的优点早已被熟知，但是发展比较缓慢，直到现在相干激光通信系统中多项技术瓶颈才得到突破，为相干激光通信快速发展奠定基础。
①激光器高精度稳频、频谱压缩技术：相干激光通信系统对于激光器频率稳定性要求达到载频的10-5以上，同时还需采用注入锁模法或外腔反馈法等频谱压缩技术，以克服半导体激光器调幅和调频噪声对接收机灵敏度的影响;综上所述，目前可应用于相干激光通信的激光器种类有LEC激光器、DFB激光器、DBR激光器或半导体泵浦的Nd：YAG激光器。
②在相干体制下，二进制移相键控（BPSK）信号调制的零差接收理论上具有最高灵敏度，是空间相干激光通信的发展趋势和应用重点。零差接收要求本振激光和信号激光严格相位同步，常用的相位同步技术是光学锁相环（OPLL），现已形成平衡锁相环、柯斯塔斯锁相环、决策驱动锁相环、同步位锁相环和震荡锁相环技术，这些锁相环可适合不同的相干接收机，为高灵敏度相干探测奠定基础。
2）多普勒频移对相干激光通信的影响。对于空间激光通信系统，如果两光端机存在一定的角运动速率，则会产生多普勒频移现象。设光源在方向上以速率运动，而波的传播方向与夹角为，对观察者而言，光波的多普勒频移量为：
（1）
式（1）中，，为光速，为信号光激光波长。
此多普勒平移对于零差和外差相干激光通信系统而言，都需要使本振激光具有精密调谐功能，使其频率与信号光始终一致;另外，此多普勒频移值通常是外差相干激光通信系统中频带宽选择的下限。
3）天空背景光对相干激光通信的影响。对于空间激光通信，强天空背景光是影响IM/DD性能指标的重要因素之一。因为激光通信系统接收的背景光功率与接收视场角、接收口径、窄带滤光片的带宽满足以下表达式：
（2）
其中，为天空背景光亮度谱密度。对于相干激光通信系统，它具有非常强的频率选择特性和空间选择特性。对于外差激光通信系统，如果中频频率为2GHz，通信波长为1.55
，对应的等效带宽为：
（3）
由此可见，相干激光通信的良好的滤波性能与最先进的原子滤波器相当，比最优良的普通滤光片（1 nm）一致背景光光强近60倍;另外，从（3）式可以同时体现相干激光通信在空间上（接收视场角）具有选择性，也可减小背景光的影响。综上所述，空间激光通信甚至具备正对太阳条件下正常通信的
能力。
4）大气湍流引起的波前相位畸变对相干通信影响。大气湍流散射的散斑效应和闪烁效应严重影响空间激光通信性能指标，对于相干激光通信系统也不例外。对于IM/DD激光通信系统，希望采用大接收口径，利用口径平滑效应可有效抑制大气湍流影响。但是对于相干激光通信系统并非如此。当接收直径小于大气相干长度时，其探测灵敏度随接收口径的增机近似线性增加，但是当接收口径超过后，相干接收灵敏度不再增加。其表达式为：
（4）
大气散射使光学波前的分裂达到一定的程度，在空间链路中有用的信号光被限制在相干面积之内，而比相干面积大的光学口径，在外差接收中仅增加附加的背景噪声，不再提高灵敏度。
3 应用前景分析
利用空间相干激光通信所具有的高接收灵敏度、超强天空背景光抑制能力和支持多种调制方式等特点，使其具备了高速率、大容量、远距离信息传输能力，而且保持了空间激光通信所具有的抗干扰能力强、保密性好、轻小型化等特点。
参考文献
[1]Zü rich. Terminal for short range optical intersatellite links： Executive summary. Oerlikon-Contraves Space， 1997.
[2]Shiro Yamakawa， et al. Trade-off between IM/DD and coherent system in high-data-rate optical interorbit links.SPIE[C] Vol. 3615， 1999.
作者简介
吕春雷，男，助理研究员，单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。