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技术文章
新型光学地面站实现白天卫星激光通信探测器
点击次数:1057 发布时间:2026/2/26 18:09:44
技术挑战:日光背景噪声对空间激光通信的制约
随着低轨卫星星座技术的快速发展,空间激光通信因其高速率、大带宽、频段自由等优势成为构建天地一体化信息网络的关键技术。然而,传统自由空间光通信系统在白天工作时,强烈的太阳背景噪声会严重恶化信噪比,制约通信链路可用性和信标光探测精度。韩国**科学研究所(Agency for Defense Development)的研究团队通过系统评估日光背景噪声特性,成功开发出全自由空间光学地面站(Agency for Defense Development’s Optical Ground Station,ADD-OGS),结合多重滤波的噪声抑制机制,实现了在强日光背景噪声环境下的空间激光高可靠传输,并通过7 km的地面等效传输距离和2.5 Gbps的传输速率,验证了方案在高速卫星激光通信的巨大潜力。相关研究成果以“Evaluation of daylight background noise for satellite-to-ground free-space optical communication during daytime operation”为题发表于Photonics Research 2025年第9期,被遴选为封面文章。
创新设计:全自由空间光学地面站的系统架构
研究团队设计的ADD-OGS光学地面站采用多项创新技术来抑制太阳背景噪声。如图1所示,该系统基于Ritchey-Chrétien望远镜(RC700)构建,焦距8.4 m,采用全自由空间光路设计避免光纤耦合损耗。系统工作于1550 nm波段,相比800 nm波段可降低97%的背景噪声;通过设置不同的发射(1536 nm)和接收(1553 nm)波长实现光谱隔离;结合空间滤波(使用针孔和筒结构)、光谱滤波(窄带光学滤光片和太阳波段抑制滤光片)和电子滤波(抑制高频噪声)构建三重噪声抑制机制,从而降低太阳背景噪声对系统性能的影响。

图1 ADD-OGS光学地面站系统示意图
噪声特性:时空变化的背景噪声分析
时间依赖性分析显示(图2),在保持与太阳固定角度下,背景噪声在下午3点达到峰值;空间依赖性测量则发现噪声分布受周围地形影响显著。这些发现表明,在部署地面站时需要预先评估当地背景噪声分布。

图2 卫星跟踪和太阳噪声测量测试
图3进一步展示了详细的噪声测量结果。时间依赖性数据显示,在8月30日的12小时观测中,太阳噪声在下午3点出现峰值,这与周围地形反射增强有关。空间分布图显示,噪声在四象限光电探测器视场角内达到饱和,且受周围地形反射影响显著。

图3 太阳噪声的时空变化测量
性能验证:7 km地面链路实验验证
研究团队通过7 km地面链路实验验证系统性能。在能见度18 km、平均折射率结构常数3×10?¹? m?²/³的大气条件下,系统实现了2.5 Gbps的通信速率,误码率达到5.85×10jQuery36007151918987111114_1772100581373,接收功率为-36 dBm。
图4则展示了详细的性能分析结果。噪声分析表明,在雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)和四象限光电二极管(Quadrant Photodiode,QPD)中,背景辐射与信号或背景辐射自身之间的拍频噪声是主要噪声源。信标检测分析显示需要-42 dBm的光功率才能实现40 μm的误差方差,满足APD孔径的聚焦要求。实验结果表明,在接收功率为-36 dBm时,系统能够实现2.5 Gbps的高速数据传输,误码率优于10??。

图4 噪声、信噪比和通信性能分析
应用前景:推动全天候空间激光通信发展
这项研究系统量化了白天卫星激光通信中的背景噪声特性,为光学地面站的优化设计提供了重要依据。研究成果不仅适用于星地链路,还可推广到地面、空地、无人机-卫星以及水下激光通信等多种场景。
未来,团队计划开展与实际在轨卫星的通信测试,并开发可运输的新一代光学地面站,通过站点分集接收,提高在各种天气条件下的通信可靠性。这一突破为构建全球光学通信空间网络奠定了关键技术基础,将显著提升空间信息传输的可用性和可靠性。
参考文献: 中国光学期刊网

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