本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)和方法，具體地，涉及一種空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星激光通信的發(fā)展趨勢(shì)是邁向空間高速組網(wǎng)和“星地/星間”超大速率骨干傳輸，當(dāng)前的天線技術(shù)和載波生成手段都無法匹配此發(fā)展目標(biāo)，必須研究適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的激光通信載荷技術(shù)，包括多波生成，多制式調(diào)制和多點(diǎn)通信天線技術(shù)等。因此，我國(guó)未來衛(wèi)星光通信終端的技術(shù)發(fā)展方向是從當(dāng)前僅支持“一對(duì)一”的光通信終端技術(shù)發(fā)展為可同時(shí)面向多個(gè)地面或天基用戶通信的“一對(duì)多”或天基網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的“多對(duì)多”通信的光通信終端技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)和方法，其滿足多用戶多體制空間激光通信應(yīng)用需求。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)，其特征在于，其包括依次連接的多載波生成子系統(tǒng)、多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)、光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)，多載波生成子系統(tǒng)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間，多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)包括調(diào)制器陣列、偏振合束器、波分復(fù)用器，偏振合束器位于調(diào)制器陣列和波分復(fù)用器之間，光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)包括精瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡和粗瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡，粗瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡位于精瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡的側(cè)面。

優(yōu)選地，所述多載波生成子系統(tǒng)是一個(gè)基于陽(yáng)光泵浦的多載波生成系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)的功能是將載波生成子系統(tǒng)中的多路激光載波進(jìn)行調(diào)制處理，形成波分復(fù)用。

本發(fā)明提供一種空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，聚光器將聚集的陽(yáng)光輻射傳遞到泵浦腔內(nèi)，泵浦腔可放置N個(gè)激光晶體，每種晶體的輸出基頻載波頻率不同；輸出的N路激光載波再進(jìn)入PBS分束為左旋和右旋兩種同頻的激光載波，最終輸出2N路激光載波，N是自然數(shù)；

步驟二，2N路激光載波輸入到調(diào)制器陣列分別進(jìn)行信息加載，調(diào)制后進(jìn)入偏振合束器將光束重新聚合，最后經(jīng)過波分復(fù)用器將所有的發(fā)射光束進(jìn)行二次合束作用，形成具有高信息容量的待發(fā)射激光光束；

步驟三，將波分復(fù)用器輸出的聚合光束依次經(jīng)過精瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡和粗瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡，完成發(fā)射前的光束瞄準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)多用戶多制式的多載波光通信發(fā)射功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明利用太陽(yáng)光泵浦多激光載波，利用多制式調(diào)制系統(tǒng)將信息調(diào)制到不同載波中，再利用光學(xué)相控陣天線實(shí)現(xiàn)空間多路激光鏈路的發(fā)射和接收。多波長(zhǎng)陽(yáng)光泵浦代價(jià)低，便于波分復(fù)用，利于多址通信，是資源受限的空間裝備中解決一對(duì)多、多對(duì)多通信激光載波生成的極佳選擇。體制兼容的多制式調(diào)制技術(shù)能夠帶來組網(wǎng)靈活，魯棒性強(qiáng)(針對(duì)波長(zhǎng)失效)等優(yōu)點(diǎn)，是解決空間激光通信網(wǎng)絡(luò)一對(duì)多雙向全雙工通信的有效手段。光學(xué)相控陣天線技術(shù)具有無轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、非機(jī)械掃描、一對(duì)多建鏈快，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，因此多載波生成技術(shù)、多波調(diào)制解調(diào)技術(shù)、光學(xué)相控陣天線技術(shù)三位一體，可滿足多用戶多體制空間激光通信應(yīng)用需求。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是多載波生成子系統(tǒng)的方案框圖。

圖2是多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)方案框圖。

圖3是光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)工作方式框圖。

圖4是光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)工作流程圖。

圖5是本發(fā)明空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1至圖5所示，本發(fā)明空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)包括依次連接的多載波生成子系統(tǒng)、多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)、光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)，多載波生成子系統(tǒng)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之間，多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)包括調(diào)制器陣列4、偏振合束器5、波分復(fù)用器6，偏振合束器5位于調(diào)制器陣列4和波分復(fù)用器6之間，光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)包括精瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡7和粗瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡8，粗瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡8位于精瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡7的側(cè)面。

多載波生成子系統(tǒng)是一個(gè)基于陽(yáng)光泵浦的多載波生成系統(tǒng)，其多載波是利用多種(如3種，釹Nd，鉻Cr，鈰Ce等摻雜YAG晶體)激光工作晶體同時(shí)諧振，可產(chǎn)生N路(如三路)基頻激光。對(duì)每一路基頻激光進(jìn)行偏振光分離(偏振分束器)可得到2N路激光載波，即N路左旋基頻激光載波和N路右旋基頻激光載波。此2N路激光載波可用于后續(xù)通信系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)等處理。多制式調(diào)制匹配子系統(tǒng)的功能是將載波生成子系統(tǒng)中的多路激光載波進(jìn)行調(diào)制處理，形成波分復(fù)用?；陉?yáng)光泵浦激光器的高速光通信系統(tǒng)擬采用波分復(fù)用與偏振復(fù)用相結(jié)合的方案予以實(shí)現(xiàn)。每路輸出光通過偏振分束器(PBS)后分為兩路正交偏振光，利用電光調(diào)制器對(duì)每路光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移鍵控)和DQPSK(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，四相相對(duì)相移鍵控)，利用IQ調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)單路20Gbit/s的調(diào)制速率。對(duì)于BPSK和DPSK調(diào)制，每種體制需要分配多個(gè)(如2個(gè))光載波頻點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制體制數(shù)據(jù)的并發(fā)傳輸，利用MZM調(diào)制器實(shí)現(xiàn)單路10Gbit/s的調(diào)制速率。對(duì)于IM/DD調(diào)制，需要分配多個(gè)光載波頻點(diǎn)(如2～5個(gè))實(shí)現(xiàn)10Gbit/s的調(diào)制速率。多路信號(hào)光經(jīng)過WDM復(fù)用器后放大并準(zhǔn)直輸出。接收端接收到的空間光信號(hào)經(jīng)過濾光后耦合進(jìn)單模光纖，經(jīng)過低噪聲光功率放大后由WDM解復(fù)用器分解成多路光信號(hào)。對(duì)于QPSK和DQPSK，利用PBS對(duì)每路偏振態(tài)光信號(hào)進(jìn)行分束，與本振光對(duì)應(yīng)偏振量在90°光混頻器混頻后進(jìn)行平衡探測(cè)解調(diào)，最后利用并串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)40Gbit/s數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于BPSK和DPSK調(diào)制，多路信號(hào)光各自經(jīng)PBS分束后，與本振光對(duì)應(yīng)的偏振分量在90°光混頻器混頻后進(jìn)行平衡探測(cè)和解調(diào)，最后利用并串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)40Gbit/s數(shù)據(jù)輸出。對(duì)于IM/DD調(diào)制，多路信號(hào)光各自經(jīng)PBS分束后，經(jīng)強(qiáng)度探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和解調(diào)，并利用并串轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)10Gbit/s數(shù)據(jù)輸出。

本發(fā)明兼容IM/DD、BPSK、DPSK、QPSK和PM-DQPSK體制，通過調(diào)制速率的切換以及頻點(diǎn)的控制實(shí)現(xiàn)通信速率的分檔可調(diào)。光學(xué)相控陣天線子系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，工作流程圖如圖4所示。薄液晶偏振光柵級(jí)聯(lián)在精偏轉(zhuǎn)液晶光學(xué)相控陣之后形成粗、精兩級(jí)偏轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩維方向上±40°的光束偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)精度為1.25°，可達(dá)到近100％的衍射效率，全系統(tǒng)透過率高達(dá)87％。

本發(fā)明空間多用戶多制式衛(wèi)星激光通信方法包括如下步驟：

步驟一，聚光器將聚集的陽(yáng)光輻射傳遞到泵浦腔內(nèi)，泵浦腔可放置N個(gè)激光晶體，每種晶體的輸出基頻載波頻率不同；輸出的N路(如三路)激光載波再進(jìn)入PBS分束為左旋和右旋兩種同頻的激光載波，最終輸出2N路激光載波，N是自然數(shù)；

步驟二，如圖2所示，2N路激光載波輸入到調(diào)制器陣列分別進(jìn)行信息加載，調(diào)制后進(jìn)入偏振合束器將光束重新聚合，最后經(jīng)過波分復(fù)用器將所有的發(fā)射光束進(jìn)行二次合束作用，形成具有高信息容量的待發(fā)射激光光束；

步驟三，將波分復(fù)用器輸出的聚合光束依次經(jīng)過精瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡和粗瞄偏轉(zhuǎn)控制鏡，完成發(fā)射前的光束瞄準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)多用戶多制式的多載波光通信發(fā)射功能。

本發(fā)明利用太陽(yáng)光直接光光轉(zhuǎn)換提供作為光通信的能源，泵浦多路用于空間光通信的不同頻激光載波；利用偏振復(fù)用、調(diào)制器陣列系統(tǒng)、波分復(fù)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多載波的多制式信息調(diào)制，提高多載波的使用效能，為多用戶信息發(fā)送和接收提供實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)；利用新型的光學(xué)相控陣天線技術(shù)對(duì)多用戶多載波激光束進(jìn)行天基建鏈；此外，該系統(tǒng)還具有擴(kuò)展性好，通信容量大等優(yōu)勢(shì)。這種基于陽(yáng)光泵浦的多用戶多制式光通信系統(tǒng)可以應(yīng)用于高、中、低軌的各類空間飛行器和探測(cè)器中，也可以應(yīng)用于具有類似要求其他深空探測(cè)的飛行器。本發(fā)明涉及一種空間“一對(duì)多”或“多對(duì)多”的衛(wèi)星光通信技術(shù)及載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)利用陽(yáng)光泵浦激光生成技術(shù)產(chǎn)生多載波，利用星上多維調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同光束質(zhì)量載波調(diào)制；利用光學(xué)相控陣天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多衛(wèi)星雙向光通信建鏈及通信。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以應(yīng)用到衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中，具有可同時(shí)對(duì)多顆衛(wèi)星或地面光終端雙工通信、通信速率分檔可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。