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太空激光:瞄准全球通信的下一个飞跃

太空激光技术正以前所未有的方式改变世界,这不仅仅是科幻小说中的遥远未来,而是今天数据和通信流动的现实写照。从深空探索到地球上的广泛应用,如消费者互联网服务、军事行动和银行交易,它都发挥着关键作用。

激光技术凭借其光速传输的特性,能够在远距离上实现大量数据的快速传输,速度比传统太空传输快达100倍。

光束的极度狭窄的特性,确保了通信的高效性,高度聚焦的光束能够精准地瞄准接收器,从而极大地减少了光束发散和信号损失,同时允许降低功耗。

然而,这种狭窄的激光束也带来了技术上的巨大挑战。在空间激光通信中,由于终端在不同速度和方向上移动,校准远距离的发射器和接收器需要极高的精度,其难度堪比在100英里外精准投进三分球。

为了克服这些挑战,工程师们开发了由极其敏感的传感器控制的快速转向镜(FSM)。这些系统能够精确地将光束保持在卫星对卫星、地面对卫星链路以及深空通信的目标上,极大地推动了全球数据流的增长。

这些技术进步使我们离所谓的“银河互联网”(The Galactic Network)更近了一步。这一富有想象力的概念,最初由J. C. R. Licklider在20世纪60年代初提出,旨在构建一个向所有人开放的数字“网络”,作为政府、机构、企业和个人信息交互的主要媒介。

自由空间光学

在互联网发展的早期,大多数数据通过铜线传输,依赖于无处不在的电话网络。但随着互联网的发展,特别是从文本为主的电子邮件到图像、视频和游戏的转变,标准的56.6波特拨号调制解调器已无法满足需求。为了跟上数据流量的巨大增长,互联网服务提供商和骨干网络急需新的传输方法。

幸运的是,与互联网发展同步,光子学领域也在探索光传输数据的技术。这一方法比铜线传输更快、更远。1960年,第一个连续工作的氦氖气体激光器问世,十年后,康宁玻璃工厂的科学家发明了超透明玻璃,可制成低损耗光纤。1977年,光纤开始在公共电话网络上传输业务,随后在1986年,斯普林特公司部署了第一个全国性的100%数字光纤网络。

光纤的传输速度可达每秒60太比特,比铜线快700多倍,且数据质量优越,不受电磁干扰和射频干扰的影响。1986年,掺铒光纤放大器(EDFA)的发明进一步增加了光信号在不需电子中继器的情况下传输的距离,使光纤成为洲际海底电缆的实用和经济之选。如今,水下光缆承载着全球95%的数据流量,每根光纤的带宽超过1太赫兹,比铜线高出1000倍。

尽管光纤在远距离传输上表现出色,但激光在自由空间光学领域的应用仍然面临挑战。数千公里的距离上获取和保持视线连接十分困难,需要极高的精度来瞄准发射机和接收机。主卫星和航天器在相对于彼此和地面站的不同方向上高速移动,要求系统能够快速平稳地调整。此外,高精度部件必须能够承受航天发射的严格要求和恶劣的空间环境。

为了实现这一目标,快速转向镜依赖于精确的位置数据来快速调整反射镜的位置,通常由电磁音圈驱动。非常灵敏的传感器能够精确测量镜面位置,在亚微米范围内具有极高的分辨率。该系统的设计确保传感器性能不受空间环境中剧烈温度波动的影响,通过采用涡流技术的电子匹配传感器,成对地放置在反射镜枢轴点的两侧,以提供精确的x-y倾斜/尖端位置数据。

面向未来

展望未来,Kaman Precision Products通过其测量业务线,在30多年前就开发了差分位置测量系统。该公司不断完善这些产品的性能,以满足空间和国防市场日益增长的需求。

目前,其产品线包括多款卓越产品,如KD-5100系列,具有超过100克的TID能力和丰富的30年太空遗产,以及DIT5200L,一个低噪音、经济实惠且适用于低轨道的系统。此外,还有新推出的数字KD-5690系统,为未来的空间通信提供了更多可能性。

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