科研

激光在外太空的力量

2022-10-28 15:05| 发布者: | 查看: |

激光器在发明之初,由于找不到用武之地而被称为“寻找问题的解决方案”,但经过科研人员的不懈努力,激光现已成为世界上重要的技术之一,被广泛用于工业、医疗、消费电子以及军事等领域。

不仅如此,从激光发展的早期开始,研究人员就意识到激光在信息速度和密度方面可以完胜无线电,利用激光可以在相同的时间内传输更多信息,且信号更强、保密性极高,若能成功实现,必将成为通信领域的佼佼者。

自由空间激光通信:缘起

激光通信是20世纪60年代初期提出的激光技术的早应用之一,但这一技术的实现却存在着难以解决的问题,即通信系统相关的基本模块技术均不完善,这些模块包括激光源、探测器、高速调制器/解调器、高速电子设备、高精度光束偏转器件、高质量光学器件和高稳定性机械结构等。在那个年代的激光光源一般为气体激光器、闪光灯泵浦固态激光器。这种激光源一般均存在寿命、尺寸、重量和功率等相关的问题,此外,散热问题还在空间方面带来了更多的挑战。

但这些问题未能阻止科研人员前进的步伐。1964年,美国NASA开始萌生了将激光用于飞机通信的想法,这个想法是先将飞行员的声音转换成电脉冲,然后再转换成光束向外发射,后由地面上的接收器进行接收并对这一过程进行逆转。

当然,科研人员对此并不满足,他们将目光转向了遥远的太空。1968年1月20日,美国勘测者7号月球着陆器(Surveyor 7,美国未载人勘测者计划中的第七个也是后一个月球着陆器,该计划将勘测者派去月球表面进行相关探索,后将21,091张图片传输至地球)成功探测到来自亚利桑那州基特峰国家天文台和加利福尼亚州莱特伍德桌山天文台的两道氩激光,自此便拉开了太空空间激光通信的帷幕。

勘测者7号

虚假的繁荣

20世纪70年代末和80年代初期,由于半导体激光技术的不断精进,该技术也开始显示出可应用于自由空间激光通信的广阔前景,相比其他固态激光通信系统,以半导体激光器为光源的光通信系统具有小尺寸、高效率和长寿命的优势。且由于金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)技术的成熟,半导体激光器被更广泛地用于各种光泵浦源和直接辐射源中。

也是在这一时期,麦克唐纳道格拉斯公司(McDonnell Douglas公司,美国一家主要的航空航天制造公司和国防承包商,由麦克唐纳飞机公司和道格拉斯飞机公司于1967年合并而成,并于1997年与波音公司合并,曾生产了多款著名商用和军用飞机,如DC-10客机、F-15鹰式战斗机和F/A-18大黄蜂多用途战斗机)正式提出了激光通信(lasercom)一词,目前在行业中广泛用于指代自由空间激光通信、自由空间光通信等一系列相关领域。

20世纪80年代,由于国防资金的注入,美国和欧洲的激光通信项目数量和资金水平急剧增加。在美国,几乎所有的政府机构都在激光通信的发展中发挥了一定的作用;而在欧洲,其主要资金来源的欧空局(ESA)更是开始了第一个使用激光通信进行卫星到卫星传输的主要研究项目。除了卫星到卫星的激光通信外,lasercom还被提议和资助用于空对空、卫星对潜艇、空对潜艇、空对卫星等领域。

太空光通信网络示意图

虽然在前期政府和机构提供了大量的资金,但由于研发工作始终跟不上营销和业务发展的进度,甚至在实验室取得的微小进步都被业务开发部门拿来出售,这种技术的过度销售成为了lasercom的致命弱点,再加上政治、预算削减和人员变动等问题,使得几乎所有lasercom项目都过早的夭折了。

发展“势不可挡”

到了20世纪90年代初期,美国只有少数几个公司在从事激光通信,而欧洲激光通信的主要研究项目也只剩下SILEX(半导体激光卫星通信)。1992年,欧洲伽利略号探测器成功地单向探测到600万公里外来自地球的激光信号。

与此同时,日本的激光通信技术也在飞快发展。1995年,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA,Japan Aerospace Exploration Agency)在利用激光通信设备(LCE)在工程测试卫星VI(ETS-VI)和信息通信技术研究所(NICT)的光学地面基站之间成功建立了第一个太空激光通信链路,其传输速率达到了1 Mbit/s。

激光通信领域这一可观进展也吸引了来自商业通信卫星的兴趣,美国铱星公司曾一度将激光通信作为卫星间联系的一种选择方案,但由于后续lasercom的终端未能达到目标要求,该公司转而开始支持RF通信的应用。但Teledesic系统依旧很看好lasercom的潜力,并期望可以在卫星间提供远高于1 Gbps的数据速率传输,这一要求也引发了国际激光产品供应商之间的竞争。

自此,lasercom开始进入了飞速发展的阶段。20世纪90年代末,欧洲航天局在SPOT 4 LEO卫星(Satellite Pour l'Observation de la Terre,直译为“地球观测卫星”,SPOT 4于1998年 3月24日发射;LEO,低地球轨道卫星)上成功发射了第一个Silex激光通信终端,后又在Artemis GEO通信卫星(Artemis是用于电信的地球静止轨道卫星,由Alenia Spazio 为欧空局建造;GEO,地球同步轨道卫星)上发射了一个伴随终端,并于2001年11月,正式实现了LEO和GEO卫星之间的准业务连接,建立了世界上第一条星间激光链路。

空间激光通信的基本概述示意图:它与目前采用的射频传输非常相似,只是使用的是激光而不是无线电或微波。

而为标志性的事件还是在2013年9月,NASA将激光通信系统作为LADEE(月球大气和尘埃环境探测器)任务中发射的四种科学仪器之一。并于同年10月,LADEE上的LLCD(月球激光通信演示)设备使用脉冲激光束在月球和地球之间的385,000公里范围内进行数据传输实验,并以“破纪录的每秒622兆比特(Mbps)的下载速率”创下了空间通信的记录,此外还展示了从地球向LADEE的20 Mbit/s无差错数据上传速率。2014年6月,NASA还从国际空间站通过激光通信技术向地面发送一个37秒的高清视频,用时仅3.5秒,其速率比传统的无线电通信快了10~1000倍。

LADEE 的 LLCD 光模块渲染图,LLCD主要分为三个模块:(1)调制解调器模块(MM);(2)光模块(OM),通过10 cm的望远镜发送和接收调制激光束;(3)连接前两者的控制器电子(CE)模块,它还将LLCD与轨道飞行器、LADEE连接起来,并执行排序、稳定、中继命令和遥测等重要任务。

作为一种可能从根本上改变太空通信的技术,激光通信成功吸引了全球科研人员的关注,与其他几个国家相比,我国的空间光通信技术研究起步较晚,但发展速度却非常迅速,目前已经与国外先进水平差距不大。

在激光通信技术的研发过程中,我国还将目光瞄向了太空通信更遥远的未来,即量子通信。2016年,中科院上海技术物理研究所实现了“墨子号”量子卫星-地的激光通信,通信速率为5.12 Gb/s,通信距离达1000 km以上。

洲际量子保密通信网络示意图

百家齐放

在太空激光通信的发展浪潮下,各个国家的航天机构和航天公司都开始逐步建立起自己的航天项目,其中就包括欧洲数据中继系统(EDRS)、WarpHub InterSat、BridgeComm、Cloud Constellation(云星座)、EOS SpaceLink、LeoSat、Starlink等。

(1)欧洲数据中继系统

欧洲数据中继系统是欧洲GEO卫星星座,用于在卫星、航天器、无人机和地面站之间中继信息和数据。该系统是作为ARTES 7(ARTES,电信系统高级研究,是欧洲航天局长期运行的大规模计划,用于支持先进卫星通信产品和服务的开发)计划的一部分开发的,旨在成为一个独立的欧洲卫星系统,以减少大量数据传输的时间延迟。该计划类似于为支持航天飞机而设立的美国跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS),但EDRS使用的是新一代激光通信终端(LCT),它以更大的比特率传输数据:激光终端传输1.8 Gbit/s跨越45,000公里(LEO-GEO链路的距离),而TDRSS在S频段提供600 Mbit/s的地面接收速率,在Ku和Ka频段提供800 Mbit/s的地面接收速率。

EDRS卫星的激光通信终端

(2)WarpHub InterSat

WarpHub InterSat是日本一家私营公司Warpspace开发的一颗中轨道地球卫星,它将使用激光通信与低地球轨道上的其他卫星进行通信,然后将接收到的数据传递给地面站。

Warpspace成立于2016年,是筑波大学的衍生公司。2018年7月,该公司宣布了一项“太空婚礼服务(space bridal service)”,在这项服务中,婚礼纪念牌将被放置在卫星上发送到太空,并从国际空间站(ISS)释放出来,由国际空间站停留的宇航员在卫星部署期间为其拍照。

(3)Cloud Constellation(云星座)

Cloud Constellation公司提出了一项基于太空的全球托管网络和云数据存储服务:SpaceBelt,SpaceBelt绕过了易受攻击的地面网络,大大降低了高价值、高度敏感数据的网络安全风险,该项目由8颗卫星组成的星座来提供高达5 PB的数据存储,并使用卫星之间的激光通信链路来进行不同位置之间的数据传输。2016 年,该组织与 SolarCoin 太阳能加密货币达成协议,将其区块链保险库存储在卫星上,用于与实时交易同步的天基深度冷藏,使SolarCoin成为第一种“轨道货币”。

Cloud Constellation公司的SpaceBelt效果图

虽然现阶段在卫星-卫星、空-卫星和空-空之间的传输还是以无线电为主,但从以上的发展历程中可以看出,激光通信已经可以初步实现超远距离大数据通信的能力,未来在众多科研工作者的努力下,必将克服重重难关,实现真正的太空实时通讯,然而这种技术除了可以造福于太空探索外,在其他领域是否还有用武之地呢?

文章来源:光电汇

科研Content
联系方式Contact
电 话:021-51860819 Q Q :251916717 邮 箱:sales@photroland.com 地 址:上海市宝山区沪太路2999弄上海国际研发总部基地29号305室
 
QQ在线咨询
咨询热线
021-51860819
返回顶部

友情链接:芬创商城 Nicolet红外光谱 LED透镜 激光机配件 万鑫减速电机 小型便携式激光打标 激光叉车AGV