圖蟲創意

最近我國通信領域發生了一件大事，不知道大家有沒有關注。由中國科學院空天信息創新研究院自主研制的500毫米口徑激光通信地面系統在帕米爾高原正式建成，并進入常態化運行階段。這是我國首個業務化運行的星地激光通信地面站。

對通信不太了解的朋友可能已經一頭霧水了。激光通信是啥？咱不是還在用5G嗎？下一代跳過 6G，直接到激光通信啦？

簡單來說，激光通信是一種利用激光束在兩個點之間傳輸數據的技術。這有點兒像我們小時候玩的“土電話”，只不過“土電話”傳輸數據的方式是機械振動，而激光通信則使用了光波。與之相比，我們日常通信使用的WiFi、蜂窩網絡等等，都是以無線電波作為載體。

和無線電波相比，激光通信使用的是光波，高頻譜非常廣，頻率可達太赫茲（THz）級別，能夠實現極高的傳輸速率，支持海量數據傳輸。點對點、速度快、帶寬又大，這不正是星地通信需要的嘛。

有朋友可能好奇，激光通信這么牛，為啥不用在日常通信上。因為激光通信用的是光波，波長一般在幾百納米到幾微米之間（1納米=十億分之一米）。波長越短，遇到障礙物時越容易被吸收、反射或散射。而我們日常通信所處的環境非常復雜，用激光通信效果反而不如波長更長，信號可以通過衍射、反射或散射繞過障礙物的無線電波。當然啦，從我們日常通信產生的數據量和部署成本來說，把激光通信用于日常通信也不值當。

所以，目前，激光通信主要應用于星地和星際通信。

在帕米爾高原星地激光通信地面站正式建成之前，我國衛星數據接收只能靠微波地面站。微波通信是一種通過微波頻段（通常在300 MHz到300 GHz之間）的電磁波來傳輸信息的通信方式。微波通信是星地之間主要的通信方式。

為什么呢？因為微波能穿透云層、雨雪非常適合星地之間全天候通信。由于覆蓋范圍廣、穿透能力強、抗干擾性好等優點，微波通信被用于各個領域，像我們生活中的衛星電視、衛星導航導航、移動通信、氣象預報都離不開它。

既然微波通信優點這么多，為啥要把激光通信推上位呢？

主要原因是，微波通信的能力慢慢地跟不上衛星通信的需求了。這有點類似咱從3G 升級到4G、5G，因為如果不升級的話，我們刷視頻就會卡。用激光通信替代微波通信，也是同樣的原因。

隨著衛星技術的發展，衛星上的成像傳感器、雷達系統和光譜分析儀等設備的分辨率和精度不斷提高，這就意味著需要傳遞的數據量也越來越大。拿美國國家航空航天局1972 年發射的遙感衛星陸地衛星1號（Landsat 1）來說， 當時衛星上搭載的多光譜掃描儀的空間分辨率為 80 米，空間分辨率是指圖像上可以檢測最小單元的大小，空間分辨率的值越小，圖像中的細節就越多。

陸地衛星1號一次成像大約生成80 KB的圖像文件。每天能捕捉數百幅圖像，總數據量不到幾十兆字節。而2013 年發射的陸地衛星8號（Landsat 8）搭載了陸地成像儀（OLI）和熱紅外傳感器（TIRS），空間分辨率升級為 15 米，每天產生的數據量超過 700****GB。現在，衛星每天生成的數據量一般為幾百GB到數TB。

這個數據量的變化對于微波通信什么概念呢？我們可以簡單算一下。

常用的微波頻段有：X波段（8-12 GHz），帶寬通常為500 MHz左右；Ku波段（12-18 GHz），帶寬可以達到1 GHz；Ka波段（26-40 GHz），帶寬可以高達2-4 GHz。

如果用 X 波段進行數據傳輸，假設傳輸速率為100 Mbps，那么傳輸 50MB的數據大概只需要 4 秒（1 字節（B） = 8 比特（b），50 MB = 50 × 8 = 400 Mb（兆比特），傳輸時間 = 數據量 / 傳輸速率 = 400 Mb / 100 Mbps = 4 秒），足以應對陸地衛星1號的幾十兆的數據。

而現在，即使用傳輸速度為1 Gbps的高頻Ka波段，傳輸陸地衛星8號的 700GB的數據也得花超過一個半小時。考慮到衛星運行和地面通信的時間窗口是有限的，這個時間極大影響了數據傳輸的有效性。

而且，在長距離的星地通信中，微波通信很容易信號衰減，特別是在傳大數據量時，信號衰減更嚴重。當然，也有傳輸速率更快的波段，比如 V 波段（40-75 GHz）以及毫米波段（30-300 GHz），傳輸速率能達到 10 Gbps至20 Gbps，甚至更高。不過，這些波段波長較短，更適合短距離通信。所以說，微波通信已經無法滿足現在衛星通信的需求。激光通信無疑是目前更好的選擇。

為啥？因為微波通信的短板正好是激光通信的長板。

前面我們說了，激光通信使用的是光波，頻率在太赫茲（THz）范圍，頻譜資源非常豐富。這就意味著，和微波通信相比，激光通信的帶寬可以提升數十倍甚至數千倍，足以滿足目前海量數據的星地通信需求。

激光具有高度定向性，在傳播過程中幾乎不會發散，所以信號的強度和質量非常穩定，在進行遠距離數據傳輸時，不需要頻繁中繼或放大信號。另外，由于激光通信使用的頻率遠高于無線電波，所以在這個頻段，電磁環境非常干凈，幾乎沒有其他設備在同一頻段中工作，也就是說，激光通信不容易受到其他電磁波源的干擾，信號更為清晰、穩定。這就好比大馬路上就你一輛車，路況非常簡單。

除此之外，激光通信還有低延遲、可以并行數據傳輸等特性。這些特性讓激光通信在衛星通信、深空探測等需要高速、大數據量傳輸的場景有很大潛力。

當然啦，沒有技術是完美的。激光通信的缺點也很明顯。我們前面也提到了，由于光波的波長非常短，很容易被吸收、反射或散射，所以激光通信很容易受天氣影響，多云、雨、雪以及大氣湍流都會影響激光通信的質量。這也是為什么咱首個星地激光通信地面站會選在帕米爾高原。帕米爾高原地區平均海拔高、氣候干燥，通信站所在的塔格峰區域大氣條件好，視寧度非常好，而且干燥少雨，全年均可開展星地激光通信任務。

為了建成帕米爾高原星地激光通信地面站，咱的科研人員吃了不少苦頭，實現了很多突破。

比如，為了解決激光通信容易受天氣影響的問題，中國科學院空天信息創新研究院開發了自適應光學校正技術，能夠實時修正大氣湍流帶來的信號畸變，從而確保在不良氣象條件下，仍然可以維持高質量的數據傳輸。

中國科學院空天信息創新研究院的科研人員還突破了激光通信“不能見光”的障礙。此前，激光通信一般都是晚上進行，因為，白天太陽光帶來的強背景光會給激光通信造成嚴重干擾，這種光噪聲會顯著降低接收設備的信噪比，導致通信不穩定或中斷。科研人員攻克了這一難題，實現了全天候的通信，將星地激光通信的可用時段延長了近一倍。

除此之外，這些突破代表咱們國家激光通信的技術水平，在全球范圍內，可以毫不心虛地說，處于先進水平。放眼望去，沒有哪個國家敢說，激光通信技術整體實力比咱的強。因為世界各國的激光通信技術雖然各有所長，比如美國國家航空航天局（NASA）的激光通信中繼演示（Laser Communications Relay Demonstration，簡稱LCRD）側重于高容量數據傳輸和數據中繼功能；歐洲的數據中繼系統（EDRS）主要集中于衛星間數據中繼傳輸；但是他們基本上都沒實現全天候通信。由此可見帕米爾高原星地激光通信地面站常態化運行的含金量。

看到這，相信你除了自豪之外，頭上大概還冒出了一個問號：激光通信和我有啥關系？

這么說吧，我們關于未來世界的幻想，很多都和激光通信有關。比如6G 通信。激光通信是 6G 的核心技術之一，通過激光傳輸，6G可以實現超高速的無線網絡，支持超高清視頻流、虛擬現實和增強現實（VR/AR）等新興應用。比如自動駕駛。激光通信能夠為自動駕駛汽車提供更快的反應速度和更安全的通信鏈路，提升智能交通系統的整體效率。

除此之外，智能城市、量子通信、太空移民等等都需要激光通信加持。

雖然目前來說，將激光通信從星地通信全面應用到其他領域還有很多挑戰，但以目前的發展速度來看，我們可以樂觀地憧憬，在不遠的未來，那束激光能從深空照進我們的生活。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品
作者：零一

審核：韓蕾 通信高級工程師

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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