技術(shù)挑戰(zhàn)：日光背景噪聲對空間激光通信的制約

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      隨著低軌衛(wèi)星星座技術(shù)的快速發(fā)展，空間激光通信因其高速率、大帶寬、頻段自由等優(yōu)勢成為構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)自由空間光通信系統(tǒng)在白天工作時(shí)，強(qiáng)烈的太陽背景噪聲會嚴(yán)重惡化信噪比，制約通信鏈路可用性和信標(biāo)光探測精度。韓國**科學(xué)研究所（Agency for Defense Development）的研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)評估日光背景噪聲特性，成功開發(fā)出全自由空間光學(xué)地面站（Agency for Defense Development’s Optical Ground Station，ADD-OGS），結(jié)合多重濾波的噪聲機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)日光背景噪聲環(huán)境下的空間激光高可靠傳輸，并通過7 km的地面等效傳輸距離和2.5 Gbps的傳輸速率，驗(yàn)證了方案在高速衛(wèi)星激光通信的巨大潛力。相關(guān)研究成果以“Evaluation of daylight background noise for satellite-to-ground free-space optical communication during daytime operation”為題發(fā)表于Photonics Research 2025年第9期，被遴選為封面文章。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：全自由空間光學(xué)地面站的系統(tǒng)架構(gòu)

      研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的ADD-OGS光學(xué)地面站采用多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)來太陽背景噪聲。如圖1所示，該系統(tǒng)基于Ritchey-Chrétien望遠(yuǎn)鏡（RC700）構(gòu)建，焦距8.4 m，采用全自由空間光路設(shè)計(jì)避免光纖耦合損耗。系統(tǒng)工作于1550 nm波段，相比800 nm波段可降低97%的背景噪聲；通過設(shè)置不同的發(fā)射（1536 nm）和接收（1553 nm）波長實(shí)現(xiàn)光譜隔離；結(jié)合空間濾波（使用針孔和筒結(jié)構(gòu)）、光譜濾波（窄帶光學(xué)濾光片和太陽波段濾光片）和電子濾波（抑制高頻噪聲）構(gòu)建三重噪聲機(jī)制，從而降低太陽背景噪聲對系統(tǒng)性能的影響。

圖1 ADD-OGS光學(xué)地面站系統(tǒng)示意圖

噪聲特性：時(shí)空變化的背景噪聲分析

      時(shí)間依賴性分析顯示（圖2），在保持與太陽固定角度下，背景噪聲在下午3點(diǎn)達(dá)到峰值；空間依賴性測量則發(fā)現(xiàn)噪聲分布受周圍地形影響顯著。這些發(fā)現(xiàn)表明，在部署地面站時(shí)需要預(yù)先評估當(dāng)?shù)乇尘霸肼暦植肌?/p>

圖2 衛(wèi)星跟蹤和太陽噪聲測量測試

      圖3進(jìn)一步展示了詳細(xì)的噪聲測量結(jié)果。時(shí)間依賴性數(shù)據(jù)顯示，在8月30日的12小時(shí)觀測中，太陽噪聲在下午3點(diǎn)出現(xiàn)峰值，這與周圍地形反射增強(qiáng)有關(guān)。空間分布圖顯示，噪聲在四象限光電探測器視場角內(nèi)達(dá)到飽和，且受周圍地形反射影響顯著。

圖3 太陽噪聲的時(shí)空變化測量

性能驗(yàn)證：7 km地面鏈路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      研究團(tuán)隊(duì)通過7 km地面鏈路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)性能。在能見度18 km、平均折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)3×10?1? m?2/3的大氣條件下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2.5 Gbps的通信速率，誤碼率達(dá)到5.85×10??，接收功率為-36 dBm。

      圖4則展示了詳細(xì)的性能分析結(jié)果。噪聲分析表明，在雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）和四象限光電二極管（Quadrant Photodiode，QPD）中，背景輻射與信號或背景輻射自身之間的拍頻噪聲是主要噪聲源。信標(biāo)檢測分析顯示需要-42 dBm的光功率才能實(shí)現(xiàn)40 μm的誤差方差，滿足APD孔徑的聚焦要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接收功率為-36 dBm時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)2.5 Gbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，誤碼率優(yōu)于10??。

圖4 噪聲、信噪比和通信性能分析

應(yīng)用前景：推動全天候空間激光通信發(fā)展

      這項(xiàng)研究首次系統(tǒng)量化了白天衛(wèi)星激光通信中的背景噪聲特性，為光學(xué)地面站的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。研究成果不僅適用于星地鏈路，還可推廣到地面、空地、無人機(jī)-衛(wèi)星以及水下激光通信等多種場景。

      未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開展與實(shí)際在軌衛(wèi)星的通信測試，并開發(fā)可運(yùn)輸?shù)男乱淮鈱W(xué)地面站，通過站點(diǎn)分集接收，提高在各種天氣條件下的通信可靠性。這一突破為構(gòu)建光學(xué)通信空間網(wǎng)絡(luò)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，將顯著提升空間信息傳輸?shù)目捎眯院涂煽啃浴?/p>

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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