空间激光通信技术作为一种新的无线通信传输方式，其优异的传输速度和安全性优势，为卫星通信和航天领域应用带来广阔前景。今天我们为大家介绍一下空间激光通信关键技术！
空间激光通信中的高质量光学系统设计主要面临以下几个关键技术挑战。近衍射极限光学系统设计，这是实现高质量光束传输的基础。关键是如何采用非球面光学元件和多级光学系统，将激光束散角压缩到近衍射极限水平，同时保证光束质量。多光轴一致性控制，空间激光通信系统通常需要同时传输多个光束，这就需要保证多光轴在发射和接收时的高精度对准。关键技术包括多光轴平行度检测、分离和复合。轻型和紧凑的光学基台设计，光学系统需要装载在有限空间内，同时考虑各种光学和机电元件以及环境适应能力。关键是通过叠层结构设计和轻质材料，实现紧凑结构并满足静力 学、热力学等性能要求。光学系统动态控制，由于空间环境的影响，需要考虑光学系统在工作过程中的动态控制，包括对准和跟踪技术以及光轴环境适应能力。高可靠性设计，光学系统长期工作在恶劣的空间环境中，需要重视可靠性设计以保证长期稳定工作。高精度捕获对准跟踪是空间激光通信系统的核心技术之一。首先是捕获粗跟踪阶段，主要难点在于捕获区域大、束散角小，增加了捕获难度。关键技术是采用精密测姿与 指向技术，如恒星传感器等，快速定位捕获区域。同时采用光栅螺旋扫描技术，提高捕获概率和效率。此外，采用激光器输出功率和光束质量控制，补偿运动平台振动影响，扩大捕获范围。其次是对准精跟踪阶段，主要困难来自于光束束散角小，平台振动和相对运动影响大。关键技术是采用高速压电陶瓷振镜，实现毫弧秒级高频率跟踪。同时采用高感度高速相机和亚像元细分检测算法，提高探测精度。此外，采用数字控制技术，对光束输出和振镜驱动进行闭环精细调节，增强跟踪鲁棒性。关键还在于两次跟踪之间的衔接。需要采用预测算法，根据运动状态快速完成粗跟踪到精 跟踪的平滑切换。还需采用智能控制策略，例如深度学习等，实时学习和识别环境干扰，实现自适应和优化跟踪性能。通过双向光束交互传输动态信息，实现动态跟踪误差校正，进一步提高整体系统跟踪精度。空间激光通信中，大气信道的影响是很大的技术障碍。大气吸收和散射会导致激光能量衰减，大气湍流会影响激光质量，严重影响通信质量和距离。补偿大气信道影响是空间激光通信的关键。针对激光能量衰减问题，关键技术是采用液晶光强调节器实现宽范围激光光强稳定。液晶光强调节器可以实时调节激光光强，补偿能量损失。通过采集 多点大气参数，建立数值模拟大气传播模型，预测光强变化规律。然后利用自适应控制算法，根据预测结果，实时调节光强补偿。这可以有效抑制大动态范围内的光强闪烁，保证高信噪比。针对激光质量问题，关键是采用哈特曼多孔径波面探测技术和可调节补偿镜。哈特曼传感器可以实时获取多点波前信息，重构整个波面变化情况。然后通过可调节补偿镜，对波面进行动态校正。此外，还需要采集陀螺仪和加速计等数据，与光学数据结合，提高探测准确度。例如可以识别出由平台运动引起的波面变化，从而提高补偿效率。除此之外，还需要采用深度学习等数字信号处理技术， 建立大气 光学模型。通过大量历史数据训练，实现对未来光场变化的预测。从而提前进行补偿，提高补偿效率。此外，采用主从式双向光束交互也有利于实现动态优化校正。只有全面应用这些关键技术，才能最大限度地减轻大气影响，实现高质量的空间激光通信。空间激光通信系统要求发射激光源具有高速率、高功率和窄线宽的特性，这对激光发射技术提出了很高的要求。对于内调制发射技术，关键是如何从低功率的种子源，通过高效放大，实现高速率高功率输出的同时保证窄线宽。主要路径是研发性能优异的种子源，如半导体纳米棒 激光可以提供高光功率密度输出。此外，采用多级串联放大结构，每个级间使用高增益固体或光纤放光放大器放大，可以实现高放大倍数。同时，需要在每个级间加入光谱过滤，精确控制放大带宽，以满足窄线宽要求。外调制发射技术的难点在于电光调制晶体的工作点易受温度影响，高功率时半波电压过高。为解决这些问题，可以采取以下方法：一是在调制晶体两端增加温控电路，实时监测和补偿工作点的温度漂移 二是采用光程折叠设计或多次横向泵浦，有效增加光程而不增加半波电压 三是采用多点侧面并联泵浦设计，每个泵浦功率相对降低 四是使用高性能的高电压驱 动电路，提高调制深度效率。只有综合运用内外调制技术的各个关键技术方案，如采用高性能种子源、多级串联高效放大、光谱过滤、温度补偿、光程设计优化等，才能实现空间激光通信系统同时满足高速率、高功率和窄线宽的需求。
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