深空近红外激光通信技术将助力人类太空探索 - 蓝星光域｜成为激光通信领域TOP1，打造全光网络生态 & HiStarlink.Com

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在科技的浩瀚宇宙中，追求更快、更稳定的通信方式一直是深空激光通信领域的永恒课题。然而，长久以来，射频通信系统作为主要通信手段，虽然在近地轨道和绕月任务中表现优异，但在更遥远的深空环境下，却逐渐显露出一些限制。近日，美国航空航天局（NASA）正在积极探索近红外深空激光通信技术的应用，以取代现有的射频系统，实现深空通信的重大突破。

此项新技术将于10月5日在Psyche任务中接受测试。据悉，Psyche任务是探索一个名为Psyche的小行星，评估这颗小行星的表面、磁场、重力和内部结构，探讨商业开采的可能性。若此次测试成功，深空近红外激光通信技术有望成为未来火星任务的宽带通信工具，提高与火星之间的通信速度和效率。

使用近红外光的深空激光通信飞行收发器

NASA一直专注于研究激光或光通信技术。与其在过去半个世纪所依赖的无线电波相比，激光通信有望提供更高的数据传输带宽。近红外光能将数据压缩成更紧密的波，这使得在同一时间段内能传送更多数据，地面接收站能在给定的时间里接收到更丰富的信息。

深空光通信（DSOC）飞行收发器位于Psyche航天器上的一个大型管状遮阳罩和望远镜内部，如图1所示。

图1 深空光通信飞行收发器图片来源：NASA/JPL-Caltech

美国南加州NASA的喷气推进实验室（JPL）的DSOC项目技术专家Abi Biswas表示：“DSOC的设计目标是使其在数据返回能力上达到现今空间中使用的最先进的无线电系统的10到100倍。虽然近地轨道和绕月卫星的高带宽激光通信技术已经得到验证，但在更远的深空环境中使用这种技术仍然面临着一些新的挑战和问题。”

搭载在Psyche飞船上的收发器融合了多项新技术，其中包括一款新型光子计数相机，与此相机相连的是飞船侧面突出的一个孔径为22 cm的望远镜。该收发器能够自动搜索并精准“锁定”JPL的Table Mountain设备上的光学通信望远镜实验室所发射的高功率近红外激光上行链路。不仅如此，激光上行链路还能够实现向收发器发送控制指令的功能。

当收发器成功锁定上行链路激光后，其会自动对准加州理工学院帕洛玛（Palomar）天文台的5.1 m Hale望远镜。Hale望远镜配备了一种新型超导探测器，其能够有效地接收DSOC飞行收发器的高速下行数据链路，如图2所示。接着，该收发器将使用其近红外激光，高速地向天文台传送数据。由于飞船在运行中可能会有振动，这种振动有可能导致激光信号偏离目标。为了避免这种情况，Psyche飞船上采用了尖端支架技术连接收发器，这些支架能够有效地减少振动，确保激光精确对准目标。

图2 帕洛玛天文台的Hale望远镜图片来源：加州理工学院为了接收DSOC收发器的高速下行激光，Hale望远镜配备了一款新型超导纳米线单光子探测器组件。该组件通过低温冷却，从而能够精确检测到单一的入射激光光子（即光的量子粒子）并记录其到达时间。

挑战与展望：延迟补偿与微弱信号提取

激光以脉冲序列的形式传输，跨越了长达3亿公里的距离，这也是飞船在此次技术演示中的最远距离。激光必须经过这么长的距离，才能对其微弱的信号进行检测和处理以提取信息。

距离问题也带来了另一个挑战：Psyche飞船离地球越远，其发送的激光信号到达地球所需的时间就越长，所以可能会有数十分钟的延迟。在激光信号传输的过程中，由于地球和航天器都在移动，其相对位置会发生变化。为了确保接收到的信息是准确且有用的，需要补偿这种由于时间滞后和位置变化所引起的偏差。

DSOC在NASA的Psyche任务发射后将运行近两年，并于2026年飞往火星。虽然DSOC收发器将由Psyche航天器托管，但技术演示并不涉及处理、发送或接收与Psyche任务相关的实际数据。二者的表现和结果将分别进行评估。

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