基于轨道角动量的星间激光通信技术.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:栾晓晖赵伟刘吉等.基于轨道角动量的星间激光通信技术.空间电子技术():.():.:./.基于轨道角动量的星间激光通信技术栾晓晖赵 伟刘 吉侴胜男吴 晗(中国空间技术研究院西安分院西安)摘 要:介绍了将轨道角动量()作为新复用维度的星间激光通信系统设计 轨道角动量理论上具有无限种模态且各模态间两两相互正交这意味着基于 复用的通信系统可大幅度提高频谱效率和信道容量 分别对星间激光链路的发射机和接收机的实现架构进行了介绍发端采用无衍射贝塞尔 高斯光束进行编码、调制和 多路复用收端利用具有与发端相反的螺旋相位移除 光束的方位角相位以恢复光束的平面相位波前并通过光电探测器、解调器和译码器来恢复数据 此外还分析了多普勒频率、卫星摆动和背景噪声等因素对于系统的影响 提出的基于 技术的星间激光收发系统设计方案对于未来大容量星间通信系统设计与实现具有重要意义关键词:轨道角动量星间链路激光通信中图分类号:文献标志码:文章编号:()():().:引言 近年来随着卫星通信业务以及互联网技术的快速发展极大地增加了对卫星通信有效性、可靠性以及宽带数据接入能力的需求同时随着系统复 年第 期栾晓晖等:基于轨道角动量的星间激光通信技术杂度及传输规模的提升星间通信对大带宽、高速率传输提出了较高的要求 由于相较于传统微波通信的诸多优势激光通信在卫星星间链路信息传输中得到了广泛的应用 等介绍了深空激光链路应用的发展趋势和关键技术表明激光通信可满足深空通信的未来需求并可提升通信性能 等详细介绍了深空星间激光通信所面临的挑战和相应解决方案 高铎瑞等详细介绍了国内外卫星激光通信的最新研究进展和未来发展规划近年来针对星间激光链路学者们开展了一系列研究 文献提出了一种基于 架构的高速并行解调处理方案可实现星间 以上的激光通信速率 柳青峰等研究了深空环境中采用波分复用的星间激光通信系统模型并分析了深空辐射和温度场对系统性能的影响 文献提出了一种基于全球导航卫星系统的星间激光链路分配算法该算法可在保证网络可靠性的前提下最小化星间的平均传播时延 王玉凡等基于星间链路自跟踪系统提出了一种 点加权平均滑动窗算法解决了角跟踪接收机在低信噪比、高速率下的误差抖动对系统性能的影响 陈昊等针对星间静止通信卫星提出了一种基于正弦波高精度互模糊函数频差的估计方法有效提高了通信卫星系统抗干扰信号的定位精度 文献中在低轨星间链 路 采 用 零 差 传 输 时 数 据 速 率 可 达 而在高数据速率传输中由于 码比 码有更低的解码复杂度和时间复杂度因此 码更为可取同时可变速率的 码可以进一步增加信道容量并提供良好的编码增益目前卫星通信技术通常采用时分、频分、空分、码分等复用方式这些常规的复用技术能在一定程度上缓解通信容量和需求的矛盾但是随着星间组网应用需求的提升对于卫星通信的带宽和传输速率提出了更高的要求因此需要进一步考虑提升卫星通信信道容量和频谱效率以满足星间激光通信链路的现有需求 轨道角动量()作为光波的固有属性可作为卫星间激光通信中的新型复用维度 相比于光波传统的光强、频率及相位调制方式而言携带轨道角动量的光波相位与旋转方位角 和拓扑荷数 指数相关该光波理论上可实现无限高阶的调制且不同拓扑荷数的调制光波间相互正交因此能极大满足星间激光通信链路的大容量和高频谱效率的需求 近来 多路复用星间激光通信链路领域逐渐得到大家的广泛关注 研究者们开始关注星间激光通信系统中 波束能力的利用 刘梅林等介绍了 在卫星激光通信中的应用前景 利用干涉或全息方法 生成和分析不同 模态的可能性使得星间激光通信系统工程化成为可能 等 的研究证明 信道编码技术可以很好地改善基于 星间激光通信系统的性能综上所述考虑到基于 技术的星间激光通信的可实现性、对星间链路性能提升的有效性、在星间通信中的广泛应用前景基于 这一新型自由度的星间激光通信技术具有重要研究意义 现有的基于 激光通信技术的研究主要集中在光束传输理论分析方面通信收发机设计的相关研究较少本文在研究基于 技术的星间通信技术的基础上提出了一种星间激光收发系统设计方案重点解决了收发系统中 复用与解复用的难题对于未来大容量星间通信系统的设计与实现具有重要参考价值 轨道角动量角动量作为经典量子力学中最基本物理量可分为与光子自旋相关的自旋角动量()和与光波螺旋相关的轨道角动量 与光子的极化有关而 则与光子的空间分布有关携带 的波束在空间相位上表现为独特的螺旋前进结构 具有螺旋相位波前的光波中单位光子携带的 其中 表示拓扑荷数 是普朗克常数 除以 携带 的光子只能采用 的两种可能状态而携带有 的光子可采用具有无数种不同拓扑荷数 的状态 同时携带不同模态的 光束之间相互正交从而可通过携带 的多路波束复用获得额外的自由度星间激光链路不同于星地激光链路其不受大气环境中的悬浮气溶胶粒子和湍流介质等的影响因此不会改变涡旋光束的传播特性也不会影响波前螺旋结构同时不会因为螺旋相位的畸变引入 各模态间的串扰即单光子的 特性不会发生改变 因此基于 的星间激光链路能够大幅度提高光波的频谱效率和激光通信系统容量空间电子技术 年第 期 基于 的星间激光通信系统 星间激光链路不受天气条件或湍流介质的影响由于相位相干技术能提供极高的接收机灵敏度且能实现高容量通信链路星间激光通信通常采用零差或外差相位相干技术对于携带 的涡旋光束用以提高星间链路的容量和频谱效率可采用以下五种典型方式:)采用具有不同 特性的多种波束相结合)采用正负拓扑荷数)采用波分复用)采用偏振复用)采用多组同心环进行复用 同时为降低对准、多普勒频移等相关因素对星间激光链路的影响 如图 所示本系统针对发射端和接收端分别展开介绍 发射端采用携带 的无衍射光束接收端采用自适应光学通过波前传感器、波前矫正器等方法对波前畸变相位进行补偿恢复出所携带的信息或采用多入多出技术图 基于 的星间激光通信系统框图.激光通信系统发射端 首次被发现存在于具有螺旋相位的拉盖尔 高斯涡旋光束其波束中心具有相位奇点光强分布为中空的圆环其中心具有较小的功率和较大的相位波动也将这种波束称之为涡旋光束携带 的波束相位分布函数可表示为与旋转方位角 相关为()携带 的光束可通过将相位分布函数叠加到高斯光束形成其表达式为:()()()()其中()表示高斯光束束腰振幅 表示高斯光束中心轴的径向距离高斯光束的强度特性如图 所示星间激光链路中将基带信号调制到携带 的波束上时调制信号可表示为:()()()()()其中()表示基带待调制信号携带 的光束强度特性如图 所示图 高斯光束的强度特性.图 携带 光束的强度特性.将携带 的波束进行多路复用时信号表达式可表示为:()()()()()本系统发射端采用的光束为无衍射涡旋光束相比于衍射光束而言无衍射光束在传播过程中束宽小能量更为集中 贝塞尔光束是一种较为典型的无衍射光束该光束是自由空间标量波动方程的特殊解横截面光场分布具有第一类贝塞尔函数形式 其特点是在传输过程中保持光强分布不变、具有高度局域化强度分布 为了使得贝塞尔光束能量有限易于工程使用 等以高斯函数作为窗口函数提出了贝塞尔高斯()光束可得到 光束的光场函数为:()()()()()其中 为波矢横向分量为 阶贝塞尔函数同时也表示 光束的拓扑荷数 为相位角()为高斯函数在 处的束腰半径如图 所示发射端由激光器、偏振控制器、/调制器、光纤放大器、带通滤波器、生成、空间 年第 期栾晓晖等:基于轨道角动量的星间激光通信技术光调制器和多路复用器组成 将激光器产生的光束进行编码通过 调制器产生调制信号然后将调制信号(对于 进制的码元需要 个不同的 模态与之对应)通过激光分束器产生 个光束将每个光束通过不同数量的单模光纤进行延迟然后使用空 间 光 调 制 器()将光束转换为具有不同模态的 光束(上每个像素的相位都可以利用计算机编程控制因此将 上每个像素相位分布函数满足()即可)之后将 个模态的 光束进行空间复用图 基于 的星间激光链路发射端.激光通信系统接收端对于接收端解复用的 波束使用螺旋方位角的相位倒数()接收机处解复用波束为:()()()()()()如图 所示在接收机侧通过激光分束器将光波信号分为 路 波束解复用使用具有相反拓扑荷数电荷的反螺旋相位掩模来移除 光束的方位角相位项()以恢复光束的平面相位波前 外差检测部分利用光波与本振信号相乘然后利用光电二极管进行检测最后进行模数转换后的信号经过传统解调、译码等数字信号处理后完成星间激光链路信号接收图 基于 的星间激光链路接收端.链路影响因素 在基于 的星间激光通信性能的评估中需要考虑星间激光链路受到诸如收发机对准、多普勒频移、捕获和跟踪、背景辐射和卫星平台稳定性的影响本节对这些影响因素进行分析)提前指向角:星间链路中由于卫星间存在相对运动故要求返回信号相对于发出位置有一定的偏移量从而保证接收信号的卫星能准确接收到信号该对准偏移量称为提前指向角 它取决于两颗卫星之间的相对速度可减少信号在长距离链路上的传输时间 为了提高对准精度常使用链路维护和跟踪算法对发射端及接收端进行校准 如果提前指向角比跟踪方向上的等晕角大得多就会出现提前指向角的非等晕效应 这通常是由于激光束的传播方向与信标路径不匹配导致的 该失配可用角对准误差来表征)多普勒频移:发射端和接收端存在相对运动会导致信号的频率发生变化从而产生多普勒效应多普勒效应会导致接收端出现数据丢失和频率失步从而影响通信系统性能 多普勒频移可表示为:()其中 表示光速 多普勒频移随着卫星轨道高度的增加而降低随着光波波长的增大而增大)卫星摆动:卫星受到各种外部设备干扰如太阳能电池板、推进器等影响同时受到各种噪声源如热噪声、暗电流噪声、散粒噪声等影响会引起卫星激光发射信号波束方向的偏差导致星间出现对准误差降低捕获概率以及增加接收机扫描时间从而引起通信系统性能下降)背景噪声:对于直接检测星间接收机而言主要噪声来源于检测器(暗电流)、接收机和放大器(前置放大器噪声和热噪声)以及信号引起的散粒噪声以及恒星和其他天体的辐射通量引起的背景噪声 接收机处在恒星散粒噪声下得到的背景噪声功率为:(扩散源)(恒星源)(散粒噪声源)()其中分别表示大角度扩散源的背景辐射和点源的辐射能量密度表示固定接收机的视场角表示光接收机的传输损耗表示接收机的空间电子技术 年第 期有效区域 表示接收机中光滤波器的带宽表示太阳常数 结论本文基于星间激光通信链路提出了 这一新自由度用于光波调制和复用技术以提升星间激光链路的传输容量和频谱利用率 本文详细介绍了 的相关技术建立了基于 复用的星间激光通信系统并阐述了该通信链路发射端编码调制复用过程以及接收端的解复用解调和译码过程 此外还介绍了卫星提前指向角、多普勒频移、卫星摆动以及背景噪声等对于 激光通信系统的影响 本文的研究工作对于星间激光通信系统的设计以及提升系统容量方面提供了参考 基于 的星间激光通信技术在未来深空探测等领域拥有巨大的应用空间参考文献:.():./():.:.():.高铎瑞谢壮马榕等.卫星激光通信发展现状与趋势分析(特邀).光子学报():.郭琦康李国通张军等.星间高速激光通信解调器并行结构设计.电子设计工程():.柳青峰李博康冬鹏等.深空辐射条件下 波分复用性能研究.():.张子瑜严志博赵康僆等.一种考虑链路可靠性的 星间激光链路分配算法/中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心.第十二届中国卫星导航年会论文集.南昌:.王玉凡高玉龙吴兆平等.基于 的角跟踪接收机误差信号平滑算法的实现.空间电子技术():.陈昊赵斐.一种基于正弦波高精度互模糊函数的通信卫星干扰定位技术.空间电子技术():.:./:.张继朋.面向星间光链路的高速 码编译码器设计与 实现技术.西安:西安电子科技大学.():.().():.刘梅林李文峰徐实学等.光子轨道角动量技术在卫星上的应用前景展望/年光学技术研讨会暨交叉学科论坛论文集:.():.():.():.().():.()/:.():./:.():.作者简介:栾晓晖()陕西西安人工程师硕士 主要研究方向为卫星通信:.