空间激光通信组网光学原理研究

　　1 引言

　　目前，空间激光通信技术研究基本上都是点对点形式的，然而从应用的角度看，如果实现多点间的空间激光通信，建立起信息传输网络，具有更大的实用价值。近年国际上已经开展相关研究，如美国计划在2016年实施“转型卫星通信系统(TSAT)”全球通信组网计划的构想，拟采用微波通信与激光通信相结合的方式;德国计划建立以GEO为中继，与LEO、地面站和高空探测器等之间的激光通信链路;日本提出激光与微波通信相结合的双层低轨道全球通信组网方案等，但国际上至今还未见激光通信组网的成功应用报道。国内对激光链路组网的研究还处于起步阶段，主要集中在总体设想及网络协议等方面，针对具体激光通信组网系统的深入研究也未见报道。

　　空间激光通信组网的主要难点是由于远距离、高速率、保密安全通信的要求，使得通信用光端机的发射束散角和接收视场角都很小，因此必须提出新的光学原理，才能实现多点间激光通信。本文鉴于当前国内外开展空间激光通信及组网研究的形势和未来发展趋势，对空间激光通信组网原理和方案进行探讨，希望能提供一种有价值的技术途径。

　　2 组网光学原理

　　2.1 光学天线与性能

　　为了实现多目标同时通信，需要尽量增大光学天线的可视范围，可采用抛物面、椭球面、双曲面或者其他形式的自由曲面作为光学天线。分析了多种曲面形式的光学性质之后，本文以旋转抛物面为例进行讨论。

　　如图1所示，假设抛物线方程为y2=4px，P(x0，y。）为抛物线上一点，则y0,=4pc。。过点P的切线为

　　直线PF(F为焦点）的方程为

　　抛物线的对称轴方程为y=0。

　　设切线L与直线PF的锐夹角为01，切线L与对称轴的锐夹角为62，计算可得

　　式中01，02均为锐角，所以01=02。由于L为切线并根据反射定律可知d[=01，因此d[=02。

　　根据上述证明可知：旋转抛物面具有入射光线通过焦点时，反射光线与旋转对称轴平行的光学性质。由此可以考虑，若把旋转抛物面（改造后）作为空间激光通信的一个终端光学天线，则可以实现一点对多点通信，进而实现激光通信链路组网。

　　2.2 光能利用率

　　若采用旋转抛物面作为光学天线，任何方向发来的通信光束（近似被看为平行光），都会有一条光束的方向通过抛物面的焦点，可以平行于对称轴反射并进入后续系统中。但其他光束，因不通过焦点而不具有这样的性质。于是就存在一个问题，若旋转抛物面不经过改造，则其通信光能利用率就太低了（因为只有少数光束能进入后续系统中）。

　　为了提高天线的光能利用率，提出把抛物面改造成为以旋转抛物面为基底的多镜片拼接结构，如图2所示。

　　假设入射到光学天线的通信光束口径为D，若与XOY面夹角为0，该光束在XOZ面上投影为S1，则近似有

　　如果改造后的旋转拋物面在通信中利用的镜片面积为S2，则通信光能利用率〃可表示为

　　如图2所示，设旋转拋物面的口径为4=200mm，上下两层镜片，每层每周镜片数为W，取N=9，则每两块镜片间夹角360。

　　现取上层结构进行计算。旋转抛物面上端周长L=2nR=628mm,考虑到每块镜片近似为梯形，取其腰的宽度为上端的0.85倍。再取抛物面的高度H=<4=200mm,去掉其底部通信盲区后，近似有H*=0.9H=180mm,则每层高度h=90mm,所以每块镜片面积为

　　而入射光全口径面积在取_D=《=200mm，0<30°的情况下，根据（6)式计算可知Si〜35000mm2，所以一块镜片的光能利用率为

　　在系统设计时，应考虑用主反射镜片的相邻镜片“协助，’的办法。假设有一块相邻镜片“协助”，则光能利用率可达到30%。其中“协助”镜片的工作原理如图3所示。

　　1) 假设入射光束方向不变，上图中①为主反射镜片，②为“协助”镜片，当光线入射面与①面垂直时，②应右转40°，使二镜片平行，以起到“协助”反射作用。

　　2) 当入射光束（某卫星飞行带动）以ra的方向与速度转动时，如果在水平方向上转角为仏则镜片①随着转(3角，镜片②向左回转(3角。

　　3) 当入射光束在垂直方向上转角为y，则镜片①和②在垂直方向上同向旋转y/2。如果入射光束在其他方向转动，则用矢量法合成即可计算镜片①和②的转角。

　　3方案

　　3.1系统总体方案

　　旋转抛物面的上述光学性质恰能破解空间激光通信组网中多点同时通信的难题，该结构的光学天

　　线可以同时接收不同轨道、不同方位空间光端机发射来的激光束，也可以同时发出适用于不同轨道、不同方位空间光端机接收的激光束。由于抛物面上总存在一点是由射向焦点的光线与抛物面相交形成的，且该点具有唯一性，只有该点的反射光线平行于对称轴出射，难以满足通信系统对接收光能量的要求。为此，对该抛物面结构进行了改造，将该点扩大成一个镜面，利用多个镜面片拼接出一个旋转抛物面形状，即设计了一种基于旋转抛物面的多反射镜拼接结构的多点激光通信天线。其通信光端机系统总体结构如下图4所示。

　　如图4所示，多点激光通信光端机由光学系统、发射接收与捕获、跟踪和对准（APT)系统构成。其中光学系统由收发光学天线、中继光学系统和分光系统组成；发射接收与APT系统由通信发射组件、通信接收组件和APT组件组成。

　　1.1 光学系统

　　1)收发光学天线：设计成为以抛物面为基底多个反射镜拼接的形式。每块反射镜的法线均垂直于抛物面的切线，根据多点通信的轨道位置及数量，对拼接反射镜的尺寸、外形、数量以及拼接方式进行优化设计。每块镜片通过控制可进行水平、俯仰方向上的运动，使得该天线同时具有一定的光线稳定及偏折功能。通过该收发光学天线能够实现同一时间、水平360°全周、俯仰方向大视场的针对不同方位目标的通信。

　　2) 中继光学系统：由于基于旋转抛物面多反射镜拼接的光学天线出射的光束口径较大，后续的分光元件工艺上难以实现该尺寸，因此需设计中继光学系统。拟采用反射式结构，可以有效地避免多个工作波段引起的色差。该中继系统采用卡塞格林结构，主镜为抛物面，次镜为双曲面，易于实现很高的光学质量，同时有效地减小体积。卡塞格林系统有中心遮拦，但是收发光学天线中心也有部分盲区，设计时需考虑匹配，减小能量损耗。

　　3) 分光系统：采用高效的分光片，将多个波长的收发组件整合到同一口径发射与接收，有利于装置的小型化和轻量化。

　　3.3 发射接收与APT系统

　　1) 通信发射组件：针对不同的通信波长，采用多个通信激光器，每个激光器经光纤耦合并准直后出射，出射端通过压电啕瓷（PZT)控制，在发射光学系统焦面位置进行移动，实现发射视场的选择。

　　2) 通信接收组件：采用多个探测器，对不同轨道的信号光分别进行接收。以接收两路、发射两路为例，如图4所示，不同轨道来的信号光，波长分别为A2和A4，经过以抛物面为基底多反射镜拼接的光学天线后，均以平行光出射，经过中继光学系统缩小了口径，然后经过分光系统被分成不同光路，分别探测接收，从而完成多点通信接收。

　　3) APT组件：即捕获、对准和跟踪分系统。在空间激光通信过程中，首先，借助于GPS、星历表等手段测量出光端机所在空间坐标；然后，利用信标光进行捕获、对准和跟踪；在稳定跟踪的情况下开始通信口。光学天线由多片反射镜拼接而成，APT组件在获得通信方相对位置后，优化选取和快速计算出所需反射镜的片数以及每片反射镜调整的角度，统一控制并完成反射镜的转动，以保证必须的跟踪精度和接收能量的最大化，为可靠通信奠定基础。

　　4结论

　　提出了一种星群间激光通信组网的光学原理和总体方案，即以旋转抛物面为基底的多反射镜拼接结构作为收发共用天线；以卡塞格林光学系统作为中继；以复杂分光系统集成发射、接收与APT组件；针对通信组网的特殊要求，采用视场选择实现一点对多点的通信发射。该方案可进行多颗卫星间同时双工通信，而且有利于系统轻小型化，为空间激光通信组网提供了新途径，具有重要的应用前景。