新型光学地面站实现白天卫星激光通信探测器

技术挑战：日光背景噪声对空间激光通信的制约

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      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滤光片）和电子滤波（抑制高频噪声）构建三重噪声机制，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5.85×10??，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

      这项研究首次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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