隨著低軌衛星星座技術的快速發展，空間激光通信因其高速率、大帶寬、頻段自由等優勢成為構建天地一體化信息網絡的關鍵技術。然而，傳統自由空間光通信系統在白天工作時，強烈的太陽背景噪聲會嚴重惡化信噪比，制約通信鏈路可用性和信標光探測精度。韓國**科學研究所（Agency for Defense Development）的研究團隊通過系統評估日光背景噪聲特性，成功開發出全自由空間光學地面站（Agency for Defense Development’s Optical Ground Station，ADD-OGS），結合多重濾波的噪聲抑制機制，實現了在強日光背景噪聲環境下的空間激光高可靠傳輸，并通過7 km的地面等效傳輸距離和2.5 Gbps的傳輸速率，驗證了方案在高速衛星激光通信的巨大潛力。相關研究成果以“Evaluation of daylight background noise for satellite-to-ground free-space optical communication during daytime operation"為題發表于Photonics Research 2025年第9期，被遴選為封面文章。

       研究團隊設計的ADD-OGS光學地面站采用多項創新技術來抑制太陽背景噪聲。如圖1所示，該系統基于Ritchey-Chrétien望遠鏡（RC700）構建，焦距8.4 m，采用全自由空間光路設計避免光纖耦合損耗。系統工作于1550 nm波段，相比800 nm波段可降低97%的背景噪聲；通過設置不同的發射（1536 nm）和接收（1553 nm）波長實現光譜隔離；結合空間濾波（使用針孔和筒結構）、光譜濾波（窄帶光學濾光片和太陽波段抑制濾光片）和電子濾波（抑制高頻噪聲）構建三重噪聲抑制機制，從而降低太陽背景噪聲對系統性能的影響。

圖1 ADD-OGS光學地面站系統示意圖

       時間依賴性分析顯示（圖2），在保持與太陽固定角度下，背景噪聲在下午3點達到峰值；空間依賴性測量則發現噪聲分布受周圍地形影響顯著。這些發現表明，在部署地面站時需要預先評估當地背景噪聲分布。

圖2 衛星跟蹤和太陽噪聲測量測試

       圖3進一步展示了詳細的噪聲測量結果。時間依賴性數據顯示，在8月30日的12小時觀測中，太陽噪聲在下午3點出現峰值，這與周圍地形反射增強有關。空間分布圖顯示，噪聲在四象限光電探測器視場角內達到飽和，且受周圍地形反射影響顯著。

圖3 太陽噪聲的時空變化測量

       研究團隊通過7 km地面鏈路實驗驗證系統性能。在能見度18 km、平均折射率結構常數3×10?1? m?2/3的大氣條件下，系統實現了2.5 Gbps的通信速率，誤碼率達到5.85×10??，接收功率為-36 dBm。

       圖4則展示了詳細的性能分析結果。噪聲分析表明，在雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）和四象限光電二極管（Quadrant Photodiode，QPD）中，背景輻射與信號或背景輻射自身之間的拍頻噪聲是主要噪聲源。信標檢測分析顯示需要-42 dBm的光功率才能實現40 μm的誤差方差，滿足APD孔徑的聚焦要求。實驗結果表明，在接收功率為-36 dBm時，系統能夠實現2.5 Gbps的高速數據傳輸，誤碼率優于10??。

圖4 噪聲、信噪比和通信性能分析

       這項研究系統量化了白天衛星激光通信中的背景噪聲特性，為光學地面站的優化設計提供了重要依據。研究成果不僅適用于星地鏈路，還可推廣到地面、空地、無人機-衛星以及水下激光通信等多種場景。

       未來，團隊計劃開展與實際在軌衛星的通信測試，并開發可運輸的新一代光學地面站，通過站點分集接收，提高在各種天氣條件下的通信可靠性。這一突破為構建光學通信空間網絡奠定了關鍵技術基礎，將顯著提升空間信息傳輸的可用性和可靠性。

參考文獻： 中國光學期刊網

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