基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统和方法。所述系统包括地面发射终端、地面接收终端和星上反射端，地面发射终端包括激光发射器、脉冲调制器和准直与预瞄准装置，地面接收终端包括汇聚与放大装置和信号解调器，星上反射端包括设置在中继卫星上的角反镜装置以及调节角反镜装置角度的跟瞄装置；激光发射器发射的激光经脉冲调制器调制后，通过准直与预瞄准装置发射至中继卫星上，角反镜装置将激光反射回选定的地面接收终端，汇聚与放大装置接收反射回的信号并传送给信号解调器进行解调，实现空间混沌激光通信。本发明专利技术采用星载角反镜代替现有中继方式，提高了通信的稳定性，降低了系统成本。

Space chaotic laser communication system and method based on Spaceborne angle mirror

The invention discloses a space chaotic laser communication system and method based on a satellite borne angle mirror. The system includes the ground launching terminal, the ground receiving terminal and the upper satellite reflection terminal. The ground transmitting terminal includes a laser transmitter, a pulse modulator and a collimator and a pre aiming device. The ground receiving terminal includes a converging and amplifying device and a signal demodulator. The upper reflection end of the satellite includes an angle reverse mirror device set on a relay satellite. After the laser launcher's laser is modulated by a pulse modulator, the laser is transmitted to the relay satellite by the collimator and the preview device. The angle counter mirror reflects the laser back to the selected ground receiving terminal, the converge and the magnifying device receives the reflected signal and transmits it to the signal demodulation. Demodulator is used to realize space chaotic laser communication. The present invention adopts the satellite borne angle mirror instead of the existing relay mode, which improves the stability of communication and reduces the cost of the system.

【技术实现步骤摘要】
基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统和方法
本专利技术属于激光通信
，特别涉及了基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统和方法。
技术介绍
空间混沌激光通信系统是指以激光作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。其具有通信容量大、终端体积小和保密性好等优点，是未来卫星通信技术的一个重要发展方向。其优势主要体现在：(1)光波频率高，其频率比微波频率高3-4个数量级，作为通信的载波有更宽的利用频带，可实现海量数据实时传输，对于地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等应用意义重大。(2)光波波长短，与微波相比其发射天线口径成倍减小，同时激光发散角小，能量高度集中，功率相对较低，使得通信终端在体积、重量和功耗方面都具有明显优势，该特点使得光通信终端易于搭载多种平台，实用化程度高。(3)激光方向性好，它的发射光束极窄，使得激光通信保证对地观测数据的顺畅传输。(4)空间激光通信经过大气时，通过选择适宜的波长、采用多点布站、自动浮动I值、自适应光学等措施可以有效减少气候及天气的影响。空间混沌激光通信技术其经过多年探索取得了突破性进展，已成为解决微波通信瓶颈、构建天基宽带网、实现对地观测海量数据实时传输的有效手段，具有很大的民用和军用潜力。国外已开展了多次空间混沌激光通信实验，已由强度调制/直接探测通信体制过渡到相位调制/相干解调通信体制，通信速率量级可达Gbps。空间混沌激光通信正向更高通信速率、组网应用、终端小型化、轻量化方向发展。因此，先进的空间混沌激光通信将对信息时代，特别是数据海量传输技术的发展起到极大的促进和支撑作用。空间混沌激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，通信的链路构架比光纤及光缆成本要低，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。目前，各国都很重视空间混沌激光通信组网技术的发展应用。我国自20世纪70年代开始激光通信的研究，若干科研机构开展了空间混沌激光通信方面的学术和实验研究并取得了较满意的结果。现有的空间混沌激光通信系统组网方式主要用于星上数据的下行传输，星上终端体积大、设备造价昂贵、维护方面困难较大。此外，中继端需要实现信号的光-电-光的转换过程，中继端设计复杂。而利用无人机这一移动终端替代地面光纤系统实现激光通信对于长期移动通信的稳定性也有待考量。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术旨在提供基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统和方法，采用星载角反镜代替现有中继方式，提高通信的稳定性，降低系统成本。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，包括地面发射终端、地面接收终端和星上反射端，所述地面发射终端包括激光发射器、脉冲调制器和准直与预瞄准装置，所述地面接收终端包括汇聚与放大装置和信号解调器，所述星上反射端包括设置在中继卫星上的角反镜装置以及调节角反镜装置角度的跟瞄装置；激光发射器发射的激光经脉冲调制器调制后，通过准直与预瞄准装置发射至中继卫星上，角反镜装置将激光反射回选定的地面接收终端，汇聚与放大装置接收反射回的信号并传送给信号解调器进行解调，实现空间混沌激光通信。进一步地，所述角反镜装置包含多个方向的角反镜面。进一步地，每个方向的角反镜面的直径在到达中继卫星的光斑直径的千分之五以下。进一步地，所述汇聚与放大装置包括汇聚透镜组和掺铒光纤放大器。进一步地，所述中继卫星为高轨卫星，高轨卫星为地球同步卫星。基于上述空间混沌激光通信系统的通信方法，包括以下步骤：(1)组建通信网络，该通信网络包含至少一个地面发射终端、至少一个地面接收终端以及至少一颗中继卫星，当多个地面终端同时进行信息传输时，该通信网络自由分配信道；(2)激光发射器发射激光，经脉冲调制器对激光信号进行调制，根据所选中继卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，采用准直与预瞄准装置对调制后的激光信号进行准直和预瞄准处理，使激光到达中继卫星时，角反镜装置正好处于光斑中心附近；(3)根据已经分配的通信链路，跟瞄装置调节角反镜装置的角度，使角反镜装置能够在分配的通信链路中发挥反射作用；(4)反射光反射回选定的地面接收终端，汇聚与放大装置对反射回的信号进行汇聚与放大处理后传送给信号解调器进行解调，实现空间混沌激光通信。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术不需要重新架设星上终端，以星载角反镜替代现有的星上通信子系统，克服了星上终端体积大、设备造价昂贵、维护困难等难题，同时卫星中继时采用的是反射原理而不是光电转换技术，中继端设计简单，且稳定性高于无人机中继通信方式。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是是本专利技术中激光发射、反射示意图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。一种基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，如图1所示。包括地面发射终端、地面接收终端和星上反射端，所述地面发射终端包括激光发射器、脉冲调制器和准直与预瞄准装置，所述地面接收终端包括汇聚与放大装置和信号解调器，所述星上反射端包括设置在中继卫星上的角反镜装置以及调节角反镜装置角度的跟瞄装置。基于上述空间混沌激光通信系统的通信方法，步骤如下。步骤1：组建通信网络，该通信网络包含至少一个地面发射终端、至少一个地面接收终端以及至少一颗中继卫星，当多个地面终端同时进行信息传输时，该通信网络可以自由分配信道，如图2所示。步骤2：激光发射器发射激光，经脉冲调制器对激光信号进行调制，根据所选中继卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，采用准直与预瞄准装置对调制后的激光信号进行准直和预瞄准处理，使激光到达中继卫星时，角反镜装置正好处于光斑中心附近，以保证通信质量。步骤3：根据已经分配的通信链路，跟瞄装置调节角反镜装置的角度，使角反镜装置能够在分配的通信链路中发挥反射作用。步骤4：反射光反射回选定的地面接收终端，汇聚与放大装置对反射回的信号进行汇聚与放大处理后传送给信号解调器进行解调，实现空间混沌激光通信。角反镜装置包含多个方向的角反镜面，例如八面棱柱状角反镜装置，以确保不管激光从哪个方向打到卫星都有光束被反射。并且，为满足现代卫星轻便化、小型化的要求，角反镜的直径应该在到达卫星的光斑直径的千分之五以下，具体可取100mm。高轨卫星为地球同步卫星，由于其相对地面静止，不需要考虑地面卫星运行周期，预瞄准过程相对简单。但是对于低轨卫星，需综合考虑卫星所在轨道高度、卫星运行周期等，计算相对复杂。以高轨卫星为例，其距离地面高度为h＝38000km，发射光束经过准直系统后，假设发散角θ为θ＝30μrad，到达高轨时，光斑直径为D，由于单个方向上角反镜直径仅为0.1m，而到达高轨卫星平面的光斑直径已经发散为1140m，实际接收到的光斑仅为总能量的10-8，故需要设置汇聚与放大装置(透镜组和EDFA)对返回光进行汇聚和放大。实施例仅为说明本专利技术的技术思想，不能以此限定本专利技术的保护范围，凡是按照本专利技术提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本专利技术保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，其特征在于：包括地面发射终端、地面接收终端和星上反射端，所述地面发射终端包括激光发射器、脉冲调制器和准直与预瞄准装置，所述地面接收终端包括汇聚与放大装置和信号解调器，所述星上反射端包括设置在中继卫星上的角反镜装置以及调节角反镜装置角度的跟瞄装置；激光发射器发射的激光经脉冲调制器调制后，通过准直与预瞄准装置发射至中继卫星上，角反镜装置将激光反射回选定的地面接收终端，汇聚与放大装置接收反射回的信号并传送给信号解调器进行解调，实现空间混沌激光通信。

【技术特征摘要】
1.一种基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，其特征在于：包括地面发射终端、地面接收终端和星上反射端，所述地面发射终端包括激光发射器、脉冲调制器和准直与预瞄准装置，所述地面接收终端包括汇聚与放大装置和信号解调器，所述星上反射端包括设置在中继卫星上的角反镜装置以及调节角反镜装置角度的跟瞄装置；激光发射器发射的激光经脉冲调制器调制后，通过准直与预瞄准装置发射至中继卫星上，角反镜装置将激光反射回选定的地面接收终端，汇聚与放大装置接收反射回的信号并传送给信号解调器进行解调，实现空间混沌激光通信。2.根据权利要求1所述基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，其特征在于：所述角反镜装置包含多个方向的角反镜面。3.根据权利要求2所述基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，其特征在于：每个方向的角反镜面的直径在到达中继卫星的光斑直径的千分之五以下。4.根据权利要求1所述基于星载角反镜的空间混沌激光通信系统，其特征在于：所述汇聚与放大装置包括汇聚透镜组...

【专利技术属性】
技术研发人员：李密，陈媛，王苏，孙训，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32