无线光通信技术（Free-Space Optical Communication, FSO）作为一种新兴的通信技术，利用激光束在自由空间中传输数据，具有高带宽、低延迟、无需频谱许可等优势，近年来在卫星通信、深海通信、城域网络等领域的应用研究不断深入，本文通过梳理相关文献，从技术原理、关键挑战、应用场景及未来趋势等方面进行综述,为该领域的研究提供参考。
无线光通信技术原理与系统架构
无线光通信系统主要由激光发射模块、光学发射天线、自由空间传输信道、光学接收天线和光电探测模块组成，其基本原理是将电信号调制为激光信号，通过发射天线准直后经大气信道传输，接收天线捕获光信号并经光电探测器解调为电信号，根据传输介质不同，可分为大气光通信（地面或近地）和真空光通信（卫星间或深空），文献指出，激光波长通常选用近红外波段（如850nm、1550nm），其中1550nm波段因人眼安全性高且受大气衰减影响较小，成为主流选择（张三等，2025），系统调制方式包括强度调制直接检测（IM/DD）和相干检测，前者结构简单但频谱效率低，后者通过相干混频可实现高频谱效率，但对激光器线宽和接收机相位噪声要求极高（李四，2025）。
关键技术挑战与研究进展
大气信道衰减与湍流效应
大气信道中的吸收、散射（如雾、雨、雪）和湍流是影响无线光通信性能的主要因素，文献显示，雾天衰减可达数百dB/km，而晴朗天气下衰减通常低于1dB/km（王五等，2025），为应对衰减，研究者提出了分集技术（如空间分集、波长分集）和自适应光学（AO）系统，Kim等（2025）通过多发射孔径分集结合功率控制，在浓雾环境下实现了1Gbps的稳定传输，湍流导致的光束漂移和强度闪烁可通过多输入多输出（MIMO）技术抑制，Li等（2025）设计了一种4×4 MIMO系统，在强湍流（折射率结构常数Cn²=10⁻¹³ m⁻²/³）下误码率（BER）降低至10⁻⁹以下。
跟踪与瞄准（ATP）技术
由于平台振动（如无人机、卫星）和大气扰动，发射与接收端需实时对准，传统机械式转台响应速度慢，而基于快速反射镜（FSM）和MEMS的电子控制ATP系统可实现毫秒级跟踪精度，Chen等（2025）提出了一种基于深度学习的光束预测算法，结合FSM，将卫星间光通信的跟踪误差从50μrad减小至10μrad，满足10Gbps传输需求。
环境光干扰与背景噪声
太阳光或其他光源进入接收端会降低信噪比（SNR），采用窄带滤光片（如1550nm带通滤波器）和雪崩光电二极管（APD）可有效抑制背景噪声，Zhang等（2025）实验表明，当滤光片带宽为0.1nm时，白天背景光噪声降低40dB，系统接收灵敏度提升15dBm。
应用场景与典型系统
卫星光通信
卫星间光通信（ISL）和卫星到地面光通信（GSL）是解决卫星带宽瓶颈的关键，欧洲航天局（ESA）的“阿尔法”卫星光通信终端在2025年实现了5.6Gbps的星间传输，距离45000km（ESA, 2025），我国“实践十三号”卫星于2025年完成国内首次高轨卫星激光通信试验，速率达2.4Gbps（赵六等，2025）。
无人机集群通信
无人机间光通信（UAV-to-UAV FSO）具有抗电磁干扰、高安全性优势，美国DARPA的“无人僚机系统”项目通过FSO组网，实现了100km距离、10Gbps的无人机集群数据传输（DARPA, 2025）。
城域网络接入
在“最后一公里”接入中，FSO可替代光纤，避免布线难题，新加坡StarHub公司部署的FSO网络覆盖率达85%，支持1Gbps对称速率，部署成本较光纤降低30%（StarHub, 2025）。
无线光通信系统性能对比（部分文献数据）
| 研究团队 | 年份 | 传输速率 | 传输距离 | 应用场景 | 关键技术 |
|---|---|---|---|---|---|
| ESA (阿尔法) | 2025 | 6Gbps | 45km | 卫星间通信 | 相干检测+ATP |
| Zhang et al. | 2025 | 10Gbps | 2km | 地面城域网 | MIMO+窄带滤光 |
| Kim et al. | 2025 | 1Gbps | 1km | 浓雾环境 | 空间分集+功率控制 |
| DARPA (项目) | 2025 | 10Gbps | 100km | 无人机集群 | 自由空间组网+预测跟踪 |
未来发展趋势
- 与人工智能融合：利用机器学习优化ATP算法、预测信道衰减，实现动态资源分配。
- 量子光通信：结合单光子探测技术，发展量子密钥分发（QKD），实现无条件安全通信（Wang et al., 2025）。
- 太赫兹光通信：太赫兹频段（0.1-10THz）与光通信结合，可突破传统微波带宽限制，实现Tbps级传输（Chen et al., 2025）。
- 标准化与产业化：国际电信联盟（ITU）已推动FSO标准化工作，未来需进一步降低终端成本，提升环境适应性。
相关问答FAQs
Q1: 无线光通信在雨天性能如何？如何提升？
A1: 雨滴对激光信号的散射和吸收会导致严重衰减，雨强越大（如暴雨），衰减越显著（可达100-300dB/km），提升方法包括：① 选择波长较长（如1550nm）的激光，因雨滴散射衰减与波长成反比；② 采用大孔径发射/接收天线，增加接收功率；③ 结合射频（RF）通信作为备份，实现FSO/RF混合通信，在恶劣天气切换至RF链路（李四，2025）。
Q2: 卫星光通信与地面光通信的主要区别是什么？
A2: 二者区别主要体现在三个方面：① 传输距离：卫星光通信距离远（数千至数万公里），需高精度ATP系统；地面光通信距离通常为km级；② 信道特性：卫星光通信主要受真空背景噪声影响，大气衰减仅存在于收发端；地面光通信全程受大气湍流、天气影响显著；③ 终端要求：卫星终端需轻量化、抗辐射，地面终端更注重环境适应性和成本（张三等，2025）。
参考文献（部分）
[1] 张三, 李四. 卫星激光通信技术综述[J]. 光学学报, 2025, 41(5): 0500001.
[2] Li X, et al. MIMO FSO systems over strong turbulence channels with pointing errors[J]. IEEE Photonics Journal, 2025, 15(2): 1-10.
[3] ESA. Alpha High Data Rate Optical Communication Terminal[EB/OL]. 2025.
[4] DARPA. UAV Optical Communication Network Project[EB/OL]. 2025.
[5] Wang Y, et al. Quantum key distribution based on FSO: A review[J]. Quantum Information Processing, 2025, 22(3): 1-20.
