激光通信基础“空间宽带”

耗时3.5秒，175兆比特和37秒的高清视频已成功地从国际空间站传输回地面. 美国国家航空航天局（NASA）最近宣布，将使用激光通信技术从国际空间站传输高清视频. 这是NASA的“激光通信科学光学有效载荷”实验. 在此之前，美国曾进行过从月球探测器到地面的激光通讯，并且地面也完成了一次. NASA与国际空间站之间的激光通信表明，激光传输是可行的，这项技术的发展和成熟可能会迎来人类太空宽带时代.

竞争激光通信领域

使用激光束作为载体将数据信号调制到光学载体上进行传输，这就是空间光通信，也称为激光无线通信或无线光通信. 它包括深空卫星，同步轨道，低轨道和中轨道卫星之间的光通信，以及地面站之间的光通信.

这一次，美国使用极小的激光束来传输数据. 与使用波作为载波的传统波通信相比，由于光波的频率是传统波的数千倍，因此即使从国际空间站到地面的距离达到400公里，也只有耗时3.5秒，相当于传输速率. 如果您使用传统技术进行下载，则速度高达每秒50兆字节，这将花费超过10分钟的时间.

空间空间光通信被称为空间宽带，这是一种可以从根本上改变空间通信的技术. 有关专家指出，激光通信的最大优势首先在于通信能力大，速度快. 激光的频率比微波射频的频率高3-4个数量级. 作为通信的载体，它具有较大的可用频带. 第二是其低功耗. 第三，激光通信设备体积小，重量轻，特别适合于卫星通信. 第四，保密性好，可以有效防止，提高抗干扰能力.

正是由于激光通信的诸多优势，许多主要航空航天国家都进行了相关研究. 美国最早于1960年代中期开始实施空间光通信研究计划，著名的喷气推进实验室，林肯实验室，贝尔实验室等都已加入其中. 日本和欧洲航天局也在1980年始了空间光通信研究. 我国的卫星光通信研究起步较晚，但发展很快，与国外先进水平相差不远. 目前，我国的主要研究机构是哈尔滨工业大学，电子科技大学，清华大学，北京大学等. 2012年3月，我国的“ Ocean-2”卫星进行了中国第一颗首次进行地面激光通信实验，并取得了圆满成功. 卫星和地面激光被链接在一起，形成了一条空间信息高速公路.

突破“空间宽带”瓶颈

这种激光通信技术似乎引爆了通信行业的一场革命，同时也面临着自身的发展瓶颈.

首先，大气具有吸收和散射激光通信信号的作用，并且大气湍流严重影响信号的接收. 尽管激光通信不受电磁干扰，但是大气中接近激光波长的颗粒（例如气体分子，水雾和雾霾）会导致光吸收和散射，从而极大地阻碍和吸收了光的传输波涛，更不用说遇到强烈的空气. 湍流.

第二，瞄准和发射器非常困难. 为了完成长距离卫星之间光信号的发送和接收，空间光通信系统必须捕获并跟踪长距离卫星之间或空间站之间的目标. 前者依赖于激光通信系统，而后者依赖于光学跟踪系统. 目前，激光只能通过机械设备来定向，这对发射和接收设备的稳定性和准确性提出了很高的要求. 据美国国家航空航天局称，由于空对地距离为400公里，且运行速度很高，因此该任务“似乎在9米外，在走路时总是用激光笔瞄准头发的末端”. 但是，从NASA空间站发回的高清视频的结果来看，这项困难的关键技术已经很好地解决了.

第三，发射天线和接收天线的效率将对空间光通信系统的接收光功率产生重要影响. 为了获得最小的斑点，可以将发射天线设计成接近衍射极限，但是同时给精确对准带来了困难. 为了接收更多的能量信号，接收天线的直径越大越好，但这会增加系统的体积，重量和成本. 提高接收灵敏度非常重要.

第四，还需要解决长距离传输的问题. 长距离传输容易产生信号微弱和延迟. 激光通信实验空间站距离地面仅约400公里，而通信卫星通常在36,000公里的轨道上. 因此，激光通信的实际应用仍然面临挑战.

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