空间多用户多制式卫星激光通信系统和方法

摘要

本发明提供了一种空间多用户多制式卫星激光通信系统和方法，该系统包括依次连接的多载波生成子系统、多制式调制匹配子系统、光学相控阵天线子系统，多载波生成子系统包括聚光器、泵浦腔、偏振分束器，泵浦腔位于聚光器和偏振分束器之间，多制式调制匹配子系统包括调制器阵列、偏振合束器、波分复用器，偏振合束器位于调制器阵列和波分复用器之间，光学相控阵天线子系统包括精瞄偏转控制镜和粗瞄偏转控制镜，粗瞄偏转控制镜位于精瞄偏转控制镜的侧面。本发明满足多用户多体制空间激光通信应用需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星激光通信系统和方法，具体地，涉及一种空间多用户多制式卫星激光通信系统和方法。

背景技术

卫星激光通信的发展趋势是迈向空间高速组网和“星地/星间”超大速率骨干传输，当前的天线技术和载波生成手段都无法匹配此发展目标，必须研究适应于网络化发展的激光通信载荷技术，包括多波生成，多制式调制和多点通信天线技术等。因此，我国未来卫星光通信终端的技术发展方向是从当前仅支持“一对一”的光通信终端技术发展为可同时面向多个地面或天基用户通信的“一对多”或天基网络节点之间的“多对多”通信的光通信终端技术。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种空间多用户多制式卫星激光通信系统和方法，其满足多用户多体制空间激光通信应用需求。

根据本发明的一个方面，提供一种空间多用户多制式卫星激光通信系统，其特征在于，其包括依次连接的多载波生成子系统、多制式调制匹配子系统、光学相控阵天线子系统，多载波生成子系统包括聚光器、泵浦腔、偏振分束器，泵浦腔位于聚光器和偏振分束器之间，多制式调制匹配子系统包括调制器阵列、偏振合束器、波分复用器，偏振合束器位于调制器阵列和波分复用器之间，光学相控阵天线子系统包括精瞄偏转控制镜和粗瞄偏转控制镜，粗瞄偏转控制镜位于精瞄偏转控制镜的侧面。

优选地，所述多载波生成子系统是一个基于阳光泵浦的多载波生成系统。

优选地，所述多制式调制匹配子系统的功能是将载波生成子系统中的多路激光载波进行调制处理，形成波分复用。

本发明提供一种空间多用户多制式卫星激光通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，聚光器将聚集的阳光辐射传递到泵浦腔内，泵浦腔可放置N个激光晶体，每种晶体的输出基频载波频率不同；输出的N路激光载波再进入PBS分束为左旋和右旋两种同频的激光载波，最终输出2N路激光载波，N是自然数；

步骤二，2N路激光载波输入到调制器阵列分别进行信息加载，调制后进入偏振合束器将光束重新聚合，最后经过波分复用器将所有的发射光束进行二次合束作用，形成具有高信息容量的待发射激光光束；

步骤三，将波分复用器输出的聚合光束依次经过精瞄偏转控制镜和粗瞄偏转控制镜，完成发射前的光束瞄准偏转控制，实现多用户多制式的多载波光通信发射功能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明利用太阳光泵浦多激光载波，利用多制式调制系统将信息调制到不同载波中，再利用光学相控阵天线实现空间多路激光链路的发射和接收。多波长阳光泵浦代价低，便于波分复用，利于多址通信，是资源受限的空间装备中解决一对多、多对多通信激光载波生成的极佳选择。体制兼容的多制式调制技术能够带来组网灵活，鲁棒性强(针对波长失效)等优点，是解决空间激光通信网络一对多双向全双工通信的有效手段。光学相控阵天线技术具有无转动惯量、非机械扫描、一对多建链快，易于扩展等优点，因此多载波生成技术、多波调制解调技术、光学相控阵天线技术三位一体，可满足多用户多体制空间激光通信应用需求。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是多载波生成子系统的方案框图。

图2是多制式调制匹配子系统方案框图。

图3是光学相控阵天线子系统工作方式框图。

图4是光学相控阵天线子系统工作流程图。

图5是本发明空间多用户多制式卫星激光通信系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图5所示，本发明空间多用户多制式卫星激光通信系统包括依次连接的多载波生成子系统、多制式调制匹配子系统、光学相控阵天线子系统，多载波生成子系统包括聚光器1、泵浦腔2、偏振分束器3，泵浦腔2位于聚光器1和偏振分束器3之间，多制式调制匹配子系统包括调制器阵列4、偏振合束器5、波分复用器6，偏振合束器5位于调制器阵列4和波分复用器6之间，光学相控阵天线子系统包括精瞄偏转控制镜7和粗瞄偏转控制镜8，粗瞄偏转控制镜8位于精瞄偏转控制镜7的侧面。

多载波生成子系统是一个基于阳光泵浦的多载波生成系统，其多载波是利用多种(如3种，钕Nd，铬Cr，铈Ce等掺杂YAG晶体)激光工作晶体同时谐振，可产生N路(如三路)基频激光。对每一路基频激光进行偏振光分离(偏振分束器)可得到2N路激光载波，即N路左旋基频激光载波和N路右旋基频激光载波。此2N路激光载波可用于后续通信系统的调制解调等处理。多制式调制匹配子系统的功能是将载波生成子系统中的多路激光载波进行调制处理，形成波分复用。基于阳光泵浦激光器的高速光通信系统拟采用波分复用与偏振复用相结合的方案予以实现。每路输出光通过偏振分束器(PBS)后分为两路正交偏振光，利用电光调制器对每路光信号进行调制。对于QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)和DQPSK(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，四相相对相移键控)，利用IQ调制器可实现单路20Gbit/s的调制速率。对于BPSK和DPSK调制，每种体制需要分配多个(如2个)光载波频点以实现不同调制体制数据的并发传输，利用MZM调制器实现单路10Gbit/s的调制速率。对于IM/DD调制，需要分配多个光载波频点(如2～5个)实现10Gbit/s的调制速率。多路信号光经过WDM复用器后放大并准直输出。接收端接收到的空间光信号经过滤光后耦合进单模光纤，经过低噪声光功率放大后由WDM解复用器分解成多路光信号。对于QPSK和DQPSK，利用PBS对每路偏振态光信号进行分束，与本振光对应偏振量在90°光混频器混频后进行平衡探测解调，最后利用并串转换实现40Gbit/s数据输出。对于BPSK和DPSK调制，多路信号光各自经PBS分束后，与本振光对应的偏振分量在90°光混频器混频后进行平衡探测和解调，最后利用并串转换实现40Gbit/s数据输出。对于IM/DD调制，多路信号光各自经PBS分束后，经强度探测器实现光电转换和解调，并利用并串转换实现10Gbit/s数据输出。

本发明兼容IM/DD、BPSK、DPSK、QPSK和PM-DQPSK体制，通过调制速率的切换以及频点的控制实现通信速率的分档可调。光学相控阵天线子系统原理框图如图3所示，工作流程图如图4所示。薄液晶偏振光栅级联在精偏转液晶光学相控阵之后形成粗、精两级偏转，可实现两维方向上±40°的光束偏转，偏转精度为1.25°，可达到近100％的衍射效率，全系统透过率高达87％。

本发明空间多用户多制式卫星激光通信方法包括如下步骤：

步骤一，聚光器将聚集的阳光辐射传递到泵浦腔内，泵浦腔可放置N个激光晶体，每种晶体的输出基频载波频率不同；输出的N路(如三路)激光载波再进入PBS分束为左旋和右旋两种同频的激光载波，最终输出2N路激光载波，N是自然数；

步骤二，如图2所示，2N路激光载波输入到调制器阵列分别进行信息加载，调制后进入偏振合束器将光束重新聚合，最后经过波分复用器将所有的发射光束进行二次合束作用，形成具有高信息容量的待发射激光光束；

步骤三，将波分复用器输出的聚合光束依次经过精瞄偏转控制镜和粗瞄偏转控制镜，完成发射前的光束瞄准偏转控制，实现多用户多制式的多载波光通信发射功能。

本发明利用太阳光直接光光转换提供作为光通信的能源，泵浦多路用于空间光通信的不同频激光载波；利用偏振复用、调制器阵列系统、波分复用系统实现多载波的多制式信息调制，提高多载波的使用效能，为多用户信息发送和接收提供实现基础；利用新型的光学相控阵天线技术对多用户多载波激光束进行天基建链；此外，该系统还具有扩展性好，通信容量大等优势。这种基于阳光泵浦的多用户多制式光通信系统可以应用于高、中、低轨的各类空间飞行器和探测器中，也可以应用于具有类似要求其他深空探测的飞行器。本发明涉及一种空间“一对多”或“多对多”的卫星光通信技术及载荷系统设计，该系统利用阳光泵浦激光生成技术产生多载波，利用星上多维调制系统设计实现不同光束质量载波调制；利用光学相控阵天线技术实现一对多卫星双向光通信建链及通信。这种系统设计可以应用到卫星光通信系统中，具有可同时对多颗卫星或地面光终端双工通信、通信速率分档可调等优点。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。