空间目标成像、测距与通信一体化技术研究

《Journal of Imaging》：Research on Integrated Technologies for Space Target Imaging, Ranging, and Communication

　　

随着激光载波信息传输技术的不断发展，激光载波技术已广泛应用于空间信息传输任务中。为卫星或飞机等平台配备激光通信、测距和成像系统等激光载波技术，可实现大范围观测、高精度测量和通信能力。激光通信（Laser Communication）是指利用激光作为载波传输语音、图像和数据等信息的技术。经过多年的探索，空间激光通信近年来取得了突破性进展。与射频（RF，Radio Frequency）通信相比，激光通信的工作频率高出四到五个数量级，这使其具有通信容量大、系统体积小、带宽宽、能量高度集中以及传输功率相对较低等显著优势。作为解决微波通信高速瓶颈的有效手段，激光通信在军事和民用领域都展现出巨大潜力，被视为卫星间、地空间、飞机与地面等各种平台之间高速数据传输的最佳方案。激光测距技术是利用激光精确测量目标距离的技术，是军事领域中最早、最广泛应用的激光技术之一。按测距方式可分为脉冲激光测距和连续波激光测距两类。随着激光通信和激光测距技术的稳步发展，将激光通信、激光测距和成像功能进行一体化设计，可使卫星、飞机和地面站等多种平台获得激光通信、测距和成像等多样化能力。

一体化激光通信、测距和成像系统主要由激光通信、激光测距和成像三部分组成。激光通信具有信息容量大、带宽宽、抗电磁干扰能力强和保密性好等特点；激光测距具有功率高、稳定性好和精度高等特点；跟踪成像技术具有对目标稳定跟踪和成像的优势。将三者功能结合形成一体化系统装置，可装载于飞机、卫星、车辆和舰船等多种平台。因此，一体化激光通信、测距和成像系统具有广阔的应用前景和巨大的实用价值。

由于空间探测系统对自身重量和载荷能力存在一定要求，系统必须实现高集成化和多功能化。国内外为此做出了大量努力。典型例子是美国X2000飞行终端，可实现双向通信、双向激光测距和科学成像等功能。在喷气推进实验室的综合激光通信与空间成像（ACLAIM，Integrated Laser Communication and Space Imaging）计划中，激光通信天线和空间相机共用前端望远镜，采用探测器阵列作为捕获跟踪系统并同时作为成像接收器。2005年，John J. Degnan提出了SLR2000卫星激光测距站的改造方案，将激光测距和激光通信相结合，利用SLR2000激光测距仪的测距光作为激光通信的信标光实现跟踪瞄准，充分体现了激光测量与通信一体化的思想。2010年，航天科技集团504所采用了异步应答机激光测距通信技术。2011年，Jiang Huilin等人提出了一种可同时实现激光测距、多维成像和激光通信的多功能光学系统，并在此基础上设计了用于空间碎片探测的测距、成像和通信一体化系统，采用折反射混合卡塞格林系统实现测距、成像和通信功能。2015年，德国建立了车载自适应光通信地面站，实现了车载自适应激光通信终端与低轨卫星之间5.625 Gb/s的高速传输，同时与地球同步卫星Alpha sat的激光通信终端实现了2.8125 Gb/s带宽、1.8 Gb/s有效速率的双向激光通信。2021年3月，ASTROSCALE计划发射其首个主动清除轨道碎片的任务，有效载荷名为"Servicer"。2025年，长春理工大学进行的短距离大气激光通信实验表明，类艾里超几何高斯光束在弱湍流和中湍流环境中表现最佳，受湍流影响小于其他光束，而贝塞尔-高斯光束在强湍流中效果更好。同年，江苏国际氮化镓光电集成联合实验室提出了一种有利于推动低成本、高速率和长距离可见光通信系统的激光通信系统。同样在2025年，中科院长春人造卫星观测站原有1 m激光通信望远镜系统进行了改造，增加了空间碎片目标的测距能力，实测数据显示有效数据最大精度优于1 m。对于空间碎片探测的光学设计，主镜和次镜共用的多光谱探测（可见光、中波红外MWIR、长波红外LWIR）折反射光学系统已在空间温度环境下验证了优异的成像性能，为天基碎片探测载荷的设计提供了重要的光学结构参考。2026年，长春理工大学提出了基于铌酸锂晶体电光效应和双极化并行结构IQ调制器的多普勒频移链路仿真方案。

尽管取得了这些进展，现有的大多数一体化光电终端主要通过共用望远镜口径或在系统层面组合若干独立模块来实现功能共存。激光测距、信标跟踪、通信和成像的光源、光路、接收链路和时序控制单元仍然通常是分开配置的。这导致光学元件重复、对准复杂度增加、尺寸重量和功耗上升，不利于对尺寸、重量和功耗（SWaP，Size, Weight and Power）有严格约束的天基或机动平台。此外，以往研究主要集中于单一功能性能验证，如激光通信速率、测距精度或成像质量，而统一光学架构下成像、测距和通信的协同运行尚未得到充分验证。在复杂的近地面和空间目标观测场景中，大气雾霾、湍流和背景散射会进一步降低光学成像质量并削弱目标-背景可分离性。近期关于雾霾识别与缓解的研究表明，雾霾引起的退化是影响光学和遥感图像可靠解译的重要因素。因此，有必要将偏振成像引入一体化光电终端，以在低对比度大气条件下提供额外的目标-背景判别信息。

针对这些局限性，本研究提出了一种基于光纤相控阵分束耦合的成像、测距和通信一体化架构。该架构在光源层面集成了测距激光、通信信标和信号光源，并通过共用的卡塞格林光学系统和分束结构将激光测距、可见光偏振成像和高速相干通信通道相结合。本项工作的主要贡献不仅在于三种功能的组合，还在于多功功能协同的光路设计以及地基实验验证，包括雾霾条件下的可见光偏振成像、基于无人机的动态测距和20 Gbps相干自由空间激光通信。

本研究的主要贡献总结如下：第一，引入了光纤相控阵分束耦合架构用于光源集成。该架构实现了测距光、通信信标光和通信信号光的协调使用，从而减少了对分离光源模块的依赖，提高了光电终端的紧凑性。第二，设计了具有分束配置的共用卡塞格林光学系统，将可见光偏振成像、脉冲激光测距和相干激光通信集成于统一的光学架构内。该设计减少了重复的光学通道，提高了在SWaP约束平台条件下多功能集成的可行性。第三，将可见光偏振成像纳入一体化系统，以增强雾霾和低对比度环境下的目标-背景可分离性。与传统强度成像相比，偏振通道为复杂大气条件下的目标探测和成像提供了互补信息。第四，建立了地基实验验证框架以评估一体化系统的协同运行能力。实验包括千米级距离的偏振成像、基于无人机的动态测距和20 Gbps QPSK相干自由空间激光通信，为评估所提出架构对空间目标观测任务的适用性提供了实验支持。

本研究提出的一体化激光成像、测距和通信系统采用模块化设计理念，由四个功能耦合的子系统组成：激光测距与通信信标子系统、信息成像与通信传输子系统、激光探测与信标及信号光源子系统、目标捕获指向与跟踪（APT，Acquisition, Pointing and Tracking）子系统。其中，激光通信信标与激光测距子系统由信标和测距发射子系统以及信标和测距接收子系统组成。激光测距和通信信标子系统共用一套光学系统；信息成像和通信传输子系统共用另一套光学系统；激光测距和信标子系统与信号光源共用同一激光光源。

激光测距与通信信标接收子系统由光纤放大器、调制器、传输光纤、准直扩束器和1064 nm光纤激光器组成。光纤相控阵光源可通过耦合器分束并由多通道放大，不仅实现了高功率激光输出，还为通信和测距系统的相干接收提供作为本振光的参考光。经驱动和调制后，光纤相控阵光源通过光学系统的准直扩束发射激光脉冲，用于测距和成像。

通信子系统的设计采用高阶QPSK/M-QAM调制技术和相干探测方案，通过EDFA（Erbium-Doped Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器）放大和自适应光学系统确保信号质量，实现了最高20 Gbps的通信速率和不超过1×10^?7的误码率（BER，Bit Error Rate）。在1 km地面验证实验中，系统评估了近地面自由空间路径下的高速相干通信能力，并结合链路预算分析为更长距离光通信提供了可行性参考。测距子系统采用1064 nm脉冲激光测距方案、高精度时序系统和距离门控技术，在动态场景中要求实现不超过2 m的测距精度。系统在等效地面环境中的最大工作距离不小于10 km，依托高功率光纤激光和大口径接收光学系统，可支持合作目标和非合作目标的多模测距，满足轨道精化和近程预警需求。

信息成像和通信传输子系统由激光通信发射系统、激光通信接收系统和成像系统组成，包括卡塞格林望远镜光学系统、分束器、振镜、成像CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）、通信CCD、通信激光光源、APT处理系统和转台。为同时满足成像、通信和测距的远距离工作要求，必须采用大口径光学系统以收集足够的光信号。卡塞格林光学系统具有长焦距、小体积、像差校正和偏振成像集成等优势。对于光学系统的分辨率提升，二元相位滤波技术能有效缩小点扩散函数（PSF，Point Spread Function）核心以实现横向超分辨率，其对应的斯特列尔比（Strehl Ratio）极限可为成像系统的分辨率和图像质量平衡设计提供重要理论依据。转台、APT系统和卡塞格林光学系统用于通信光的发射和接收，成像系统通过分束方式安装在激光通信卡塞格林望远镜光学系统中。虽然这减小了成像视场，但转台和APT系统的跟踪稳定功能可更好地实现对运动目标的快速捕获和稳定跟踪，实现了激光通信和成像子系统的结合。

在数学模型方面，研究建立了可见光偏振成像模型、测距能量模型和激光通信能量模型。偏振成像采用斯托克斯向量（S0, S1, S2, S3）^T或（I, Q, U, V）^T描述光的偏振状态，其中I表示总光强，Q和U表示不同角度的线偏振分量，V表示圆偏振分量。偏振度（DOP，Degree of Polarization）定义为偏振光分量与总光波分量之比。研究采用焦平面分割偏振检测方法，将偏振元件集成到焦平面上，每四个像素为一组，分别对不同方向的偏振矢量敏感。通过计算斯托克斯向量完成偏振成像计算，该方法可同时获取不同方向入射光的偏振分量或偏振状态，适用于静态和动态场景成像，且结构紧凑、体积小。

在测距能量模型中，基于能量等效原理建立了地面实验到空间应用的理论映射模型。地面距离L处的性能等效于无大气自由空间中距离r_eq处的性能，其中考虑了湍流等效衰减因子和大气透射率函数。激光照射漫反射小目标进入光学系统前的衰减方程中，接收脉冲能量与发射脉冲峰值能量、激光束发散角、工作距离、接收光学天线孔径面积、目标散射截面、目标反射率、探测器量子效率以及发射和接收光学系统透射率相关。对于随机光子通量，探测概率遵循泊松分布。

在激光通信能量模型中，激光通信方程由电磁波传播方程变换而来。在衍射受限条件下，接收功率与发射功率、发射光学天线增益、发射光学单元效率、自由空间链路衰减、信道功率损耗、APT指向失配功率损耗、接收光学天线增益和接收光学系统效率相关。真空激光通信传播方程进一步考虑了发射功率、激光波长、收发光学效率、天线增益和传输距离等因素。通过功率预算分析，等效通信距离可优于10 km。在20 Gbps通信速率下，采用半导体外调制技术和EDFA高功率放大（3 W），设计中预留超过3 dB的裕量以进一步提高信道适应性。APD（Avalanche Photodiode，雪崩光电二极管）极限灵敏度在BER=10^?7和20 Gbps条件下为?20 dBm。

在地基实验验证方面，研究开发了空间目标成像-测距-通信一体化实验装置，除激光测距和激光通信功能外，还集成了可见光偏振成像模块。可见光偏振成像实验在千米级距离下进行，以评估一体化平台在复杂近地面大气条件下的探测和成像能力。研究采用1:10等效缩放比例构建低轨目标角度和距离测量硬件在环仿真系统，用于跟踪和成像5 km外无人机携带的5 cm目标。当成像距离不超过5 km时，大气波动对光学系统成像影响较小，地面演示可为角尺寸关系、目标捕获和成像可行性提供缩放验证。根据MODTRAN 5大气传输模拟软件分析，在晴朗天气下5 km探测距离内光学系统的大气透射率大于90%。

偏振成像实验结果表明，在5 km处对吉林电视塔的观测中，强度图像中黄色框内高楼的对比度为1.65%，融合图像中提升至2.74%；红色框内电视塔的对比度从2.89%提升至4.41%。在3 km雾霾条件下对烟囱的成像中，强度图像中烟的对比度为5.4%，偏振图像中提升至58%。夏季雾霾环境中1.5 km处建筑物的玻璃窗户对比度从11%提升至51%，冬季同条件下从5%提升至49%。这些结果表明，偏振衍生信息能够在雾霾和低能见度条件下提供互补的目标-背景对比度。

动态测距实验采用无人机携带合作目标进行。无人机飞行参数为：高度H=50–500 m，水平速度v=1–10 m/s，最近斜距L≈500 m。在这些条件下，目标相对于系统的最大实测角速度为20 mrad/s，显著高于系统设计指标7.85 mrad/s，但系统仍成功完成了连续跟踪和测距。通过控制无人机与一体化演示装置的距离、速度和位置关系，模拟低轨目标相对于激光测距系统的相对角速度。

激光通信实验在长春理工大学校园内两栋建筑之间进行，传输距离1 km。实验采用20 Gbps高速QPSK光调制，发射端位于A点，使用带宽23 GHz的实时数字示波器（Tektronix OM4006D）测量发射信号；B点接收端平均接收光功率为9 dBm。正常情况下传输衰减为21 dB，主要由自由空间和光纤器件耦合以及大气传输衰减造成。接收端使用0.8 nm带宽的窄带滤波器去除噪声。相干检测系统采用100 kHz线宽可调谐分布反馈半导体激光器作为本振，通过90度光混频器和两个平衡探测器接收混频光。光电检测后的电信号经低噪声前置放大器放大后，输入带宽20 GHz、采样率100 GS/s的四通道宽带实时数字示波器（Tektronix DPO72004C），采用离线算法进行信号分析。背靠背星座图的均方误差矢量幅度为23.2%，经低衰减空间光传输后增加至25.8%，相位波纹增加2.6%。在接收功率波动约4 dB时，误码率基本保持线性。实验实现了误码率量级为10^?7的20 Gbps QPSK信号传输。

研究在讨论部分指出，地面实验旨在验证所提出一体化成像、测距和通信架构的功能可行性，而非完全复现所有空间目标观测条件。缩放光学等效分析为比较可控近地面大气路径下的角尺寸、目标捕获、光学通量和跟踪可行性提供了基础。然而，近地面大气、湍流分布、背景照度、目标反射率和相对运动特性与天基或空间-目标场景并不完全相同。因此，实验结果应解释为系统级功能验证和可行性证据，而非对所有空间条件的完整鉴定。对于偏振成像，由于实验在自然雾霾和光照条件下进行，结果展示了偏振通道的对比度增强潜力，但仍需在可控能见度、光照和重复试验条件下进行更系统的测量。对于动态测距，无人机实验验证了移动合作目标的捕获、跟踪和测距，但完整的统计误差分布需要更大的样本量和独立的参考测量。对于激光通信，链路预算分析和1 km相干QPSK实验对应不同的验证层次，未来工作将进一步整合接收机特定的链路预算验证、远距离动态通信试验以及更受控大气条件下的严格场试。

本研究对激光成像、测距和通信一体化技术进行了深入研究，提出了基于模块化设计的系统方案，并通过一系列实验验证了其可行性和有效性。系统由激光测距与通信信标子系统、信息成像与通信传输子系统、激光探测与信标信号光源以及目标捕获对准跟踪子系统组成，实现了激光通信、测距和成像功能的高效集成。通过采用光纤相控阵分束耦合技术，系统实现了多波长、高功率和高稳定性光源的集成，提高了系统的紧凑性和集成水平。

可见光偏振成像实验表明，偏振衍生信息能够在雾霾和低对比度大气条件下为目标观测提供互补对比度。代表性野外结果显示，在3 km雾霾实验中，目标对比度从强度图像的5.4%提升至偏振图像的58%；在1.5 km夏季和冬季场景中，对比度分别从11%和5%提升至51%和49%。这些结果支持了偏振成像通道在 degraded 能见度条件下改善目标-背景可分离性的有效性。

基于无人机的动态测距实验验证了在测试场条件下，一体化系统能够对移动合作目标进行捕获、跟踪和测距。测量结果与设计的米级测距精度要求一致。由于野外试验主要设计用于功能验证，未来工作将使用更大的样本量和独立的参考测量对动态测距误差进行完整的统计表征。

通信实验验证了所提出通信模块的高速相干传输能力。在1 km地面自由空间链路中，实现了误码率量级为10^?7的20 Gbps QPSK信号传输。链路预算分析表明，在假设的接收条件下，所提出的光学配置可为10 km级链路提供正的功率裕度。然而，在将结论扩展到实际天基链路之前，仍需要进一步的远距离实验和接收机特定的链路预算验证。

总体而言，本项工作的主要贡献是在统一的光电终端架构内，对可见光偏振成像、脉冲激光测距和相干激光通信进行了协同集成和实验验证。与展示独立的单一功能性能不同，本研究通过地基实验验证了三个功能通道的协同运行，包括千米级偏振成像、基于无人机的动态测距和20 Gbps相干自由空间通信。这些结果为SWaP约束平台条件下的紧凑型多功能光电终端提供了设计参考，而未来工作中仍有必要进行更系统的空间等效验证。