封面解读

封面生动呈现了基于新型激光通信光学天线的低轨卫星组网场景。每颗卫星上均配备使用逐点构造法设计的自由曲面全向域视场激光通信光学天线，该天线可同时接收来自不同位置处卫星的激光信号，可在全向域范围内实现高效的星间组网激光通信。这一创新设计不仅显著提升了卫星组网的通信效率，更为未来低轨卫星星座的构建提供了全新的通信解决方案。

导读

随着低轨卫星星座的大规模部署，星间激光通信的需求日益增长。传统的点对点激光通信系统已无法满足大规模卫星网络的通信需求。 长春理工大学董科研研究员团队提出了一种基于自由曲面的全向域激光通信光学天线，通过自由曲面双反射镜设计，显著提升了系统的视场范围和通信性能，为未来星间组网通信提供了新的解决方案。该文被选为2025年第7期封面文章。

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研究背景

空间激光通信以其高速率、大容量和高安全性，成为未来卫星间通信的重要手段。然而，现有的激光通信系统大多为点对点设计，视场有限，难以满足大规模卫星网络的通信需求，特别是低轨卫星星座中多颗卫星需要互联互通对激光通信终端的需求。

为解决这一问题，本文提出了一种基于自由曲面的全向域激光通信光学系统。通过双反射镜设计代替传统块状透镜，可以消除色差影响，使系统能够在30°~70°和－30°~－70°的视场范围内实现高效通信，满足1200 km距离范围内的星间通信需求。

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全向域激光通信光学系统研究

图1为全向域激光通信光学天线的整体方案，其中，全景头部单元的前置自由曲面反射镜是本系统的重点研究对象。自由曲面反射镜的设计基于矢量反射定律，通过逐点构建自由曲面的点云数据，最终拟合出自由曲面的表达式，其具体设计流程如图2所示。与传统非球面反射镜相比，自由曲面反射镜在宽视场范围内的成像质量显著提升。

图1 全向域激光通信光学天线整体方案

图2 自由曲面前置反射镜设计流程

为了验证全景激光通信天线的通信质量，在 完成图1中各光学系统的各部分设计后，对其进行光路搭建，从而进行室内通信性能等效实验，测试布局如图3所示。按照30°和70°两个视场进行光路搭建，两个光斑分别为30°视场发射镜头1和70°视场发射镜头2发出的激光。通过扫描系统可将不同视场的光耦合进同一耦合系统，红光演示完成后换为1550 nm通信光进行通信测试。 通过引入主动衰减，模拟了星间远距离通信的空间损耗，测试结果如图4所示，通信速率为10 Gbit/s，误码率优于10 -11。

图3 室内等效验证实验布局

图4 误码率测试结果。（a）30°视场；（b）70°视场

为了验证不同视场下的通信质量，分别测试了不同视场下扫描系统偏转角度以及接收功率。结果显示，当光以零视场射入光学系统时，扫描系统的偏转角度为45°，由实验可知，要想满足系统30°~70°和－30°~－70°的通信视场要求，扫描系统的最小扫描角度为16.6°，与设计值基本吻合。

最后，基于此研究进行系统等效链路分析，通过在光学系统中引入主动衰减来模拟星间远距离通信时的空间损耗，分析等效链路计算结果可知，星间远距离传输与室内等效验证时空间损耗相差71.73 dB，通过减小34 dBm的发射功率、引入9.73 dB 的主动损耗，同时增加25 dBm的探测灵敏度以及去除编码增益来弥补空间损耗，经计算和测试，该激光通信光学系统可满足星间远距离组网通信需求。

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后续工作展望

本研究所提出的基于自由曲面全景系统的全向域视场激光通信光学系统为未来星间组网通信提供了新的解决方案。后续工作将进一步提升系统的视场范围和通信距离，探索一对多通信的可能性，为大规模卫星网络的构建奠定基础。

课题组简介

长春理工大学“多节点动平台空间激光通信组网技术团队”（团队负责人：董科研研究员）依托姜会林院士领导的“空间光电技术国家地方联合工程中心”、“空地激光通信技术重点学科实验室”、“空间光电技术吉林省重点实验室”，聚焦空间激光通信领域，专精空间激光通信组网技术和动平台激光稳定跟瞄技术，重点解决了组网难、分光难、跟踪难等关键技术问题，成功研制了基于旋转抛物面为基底的空间激光通信组网终端，并于2021年，在西藏鲁朗首次实现飞艇对地面的一对二同时激光通信。团队曾承担国家863、973、国家重点研发计划等重大科技项目42项，曾获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省部级奖项25项，获授权专利85项，发表论文264篇。

科学编辑 | 李泽翔

编辑 | 杨晨

发布于：上海市