随着卫星通信技术迅猛发展，对大容量、高速率且安全性高的卫星通信需求也越来越迫切。目前，无线微波通信在通信容量、通信速率、频谱资源、电磁干扰、载荷体积及功耗等方面的瓶颈逐渐显露，社会民生、军事需求、环境监测等应用领域对信息容量的需求也逐渐超过现有无线电承载能力。在这种情况下，自由空间光通信(Free-Space Optical Communication, FSOC)技术正以其独特的优势发展壮大，成为构建大容量、高速率空天网络一体化的重要通信手段。

美国在20世纪60年代就开展了对空-地光通信系统的研究^[1-2]。1972年美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)戈达德太空飞行中心开展了地-空激光通信试验，研究了大气湍流对系统通信性能的影响^[3]。2013年，NASA成功实施了月球激光通信演示验证项目，该项目是世界上首次月-地距离双向光通信试验^[4]。2021年，美国SpaceX公司使用猎鹰-9发射了新一代“星链”通信卫星，这批星链卫星配置了激光星间通信载荷，星间延迟大幅降低^[5]。

2008年，德国和美国利用两国近地轨道(Low Earth Orbit, LEO)卫星(TerraSAR-X与NFIRE)开展了速率为5.625 Gbit/s的星间双向激光通信试验，误码率优于10^−9[6]。2016年，搭载了采用激光通信技术的中继载荷EDRS-A的欧洲通信卫星Eutelsat9B进入地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit, GEO)，实现了LEO与GEO上EDRS系统之间的中继传输^[7]。EDRS系统完成全球组网后，会使欧洲空间信息传输得以独立，不再依赖他国第三方基站。

日本的星载激光通信研究最早开始于1995年搭载于ETS-VI卫星的LCE系统，主要进行激光通信捕获试验。2020年，日本研制的数据中继卫星系统(Japanese Data Relay System, JDRS-1)发射升空^[8]。2021年，日本先进激光仪器高速通信项目研制的采用波分复用技术的激光通信终端搭载在高通量卫星上进入GEO，目标是实现10 Gbit/s的GEO至地面段的激光通信验证^[9]。

2011年，我国开展了海洋二号卫星(HY-2)星-地激光通信试验，实现了通信距离970 km的星-地激光通信，传输速率最高达504 Mbit/s，该试验为解决我国高分辨率对地遥感卫星超大容量数据回传提供了关键技术途径^[10]。2016年发射的“墨子号”量子卫星实现了星-地相干光通信技术^[11]。2017年的“实践十三号”卫星实现了通信距离45000 km的双向5 Gbit/s激光通信^[12]。2019年“实践二十号”GEO卫星在海南文昌发射升空，其相干体制的通信速率高达10 Gbit/s^[13]。

当前国内外卫星领域的FSOC技术愈发成熟，值得注意的是，关于FSOC物理层安全性增强技术的研究目前还处于起步阶段。半导体激光器中的混沌现象最早发现于20世纪80年代，一经发现，有关半导体激光器混沌系统的物理特性及实际应用便引发了极大的研究热潮^[14]。激光混沌信号具有的初值敏感、带宽大、类噪声波形、长期不可预测性等特性能够满足保密通信的基本要求，使其非常适用于保密通信应用场景，作为保密光通信载波对信息进行隐蔽传输^[15]。混沌空间光通信作为在FSOC基础上的物理层安全性增强的通信技术，在兼有FSOC技术高速率、高带宽优势的同时，还具备更高的安全性能，因而有着广阔的应用前景。

文中将重点介绍混沌空间光通信国内外的发展状况，综述近年来该领域内几种关键技术的发展动态和进展，最后讨论混沌空间光通信未来需要开展的研究工作和工程实践中可借鉴的关键技术。

目前，激光混沌通信研究主要是基于光纤传输信道的混沌通信。由于半导体激光器在光反馈、光注入等条件下产生的激光混沌信号具有高初值敏感性和高宽带特性，基于半导体激光器的混沌保密通信在近年来成为了光保密通信研究领域的一大热点。1998年，Vanwiggeren等第一次实现了基于掺铒光纤激光器的混沌激光保密通信^[16]。2005年，在欧盟OCCULT项目的支持下，Argyris等成功地实现了1 Gbit/s、通信距离大于120 km、误码率优于10⁻⁷的激光混沌保密通信试验，验证了激光混沌保密通信技术的可行性^[14]。2008年，Bogris等提出一种利用相位加密的方法，提高了混沌保密通信的安全性^[17]。2009年，Argyris等提出一种基于副载波调制技术的激光混沌保密通信系统，极大地提高了混沌光通信性能^[18]。

2013年，太原理工大学的王安帮等提出了一种平衡外差探测方案，获得了更加平滑的功率谱和更大的混沌有效带宽^[19]。2019年，上海交通大学的义理林等首次将基于深度学习的神经网络技术应用于混沌通信系统，实现了32 Gbit/s速率、20 km的光纤传输^[20]。2019，华中科技大学的刘德明团队为提高混沌半导体激光器的鲁棒性，引入了数模混合光电反馈环^[21]。2020年，北京邮电大学的忻向军等提出了一种在OFDM-PON中位级和符号级两级混沌加密的新型安全增强通信方案^[22]。2021年，西南交通大学的潘伟、闫连山团队，太原理工大学的王安邦团队及广东工业大学的王云才团队等联合提出了一种盲极化跟踪混沌解密(Polarization Tracking Chaotic Decryption, PTCD)方案，成功实现了速率112 Gbit/s、1040 km单模光纤传输试验^[23]。近期，电子科技大学课题组提出了一种基于频谱展宽的新型混沌加密通信方案，实现了50 Gbit/s高速多信道物理层混沌加密通信，并探讨了方案的安全性^[24-25]。

在混沌空间光通信方面，2002年，加州大学的Rulkov等搭建了基于混沌同步的激光混沌通信空间系统，并实现穿过5 km大气的激光通信^[26]，这是混沌空间光通信系统的首次成功应用。2008年，Annovazzi-Lodi等提出了一种混沌空间光通信的方案，通过第三个激光器作为收发端激光器的驱动激光器，来增强混沌空间光通信系统的同步性^[27]。

2018年，NASA的Mahmud等提出了一种混沌空间光通信协议，首次将混沌空间光通信和量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)技术结合，通过量子信道实现收发端参数同步^[28]。2018年及2020年，南京大学的李密等分别研究了混沌空间光通信系统参数失配、大气湍流、空间辐射、参铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)的自发辐射噪声(Amplifier Spontaneous Noise, ASE)等因素对混沌空间光通信的影响^[29-30]。2020年，长春工业大学的郭锐强等采用差分混沌键控的Gamma-Gamma湍流模型建立了FSOC系统，并对系统的安全性进行了分析，分析结果表明该系统具有较好的保密性能^[31]。

作为一个典型的FSOC系统，星-地下行混沌空间光通信系统结构如图1所示。星载激光混沌终端由主激光器(Master Semiconductor Laser, MSL)、光耦合器(Optical Coupler, OC)、光隔离器(Optical Isolator, OI)和反射镜(Reflector, R)构成。光调制器(Modulator, M)将信息m(t)调制到由MSL输出的混沌载波中，经EDFA进行放大，通过由快速跟瞄(Pointing, Acquisition and Tracking, PAT)系统控制的发射光学望远镜L₁发射。混沌载波依次穿过自由空间和大气信道，受到背景噪声和大气湍流等影响，到达地面站接收终端，与从激光器(Slave Semiconductor Laser, SSL)产生混沌同步，经过光电探测器(Photodiode, PD)解析还原出m´(t)。

图  1  星-地混沌空间光通信系统示意图

Figure 1.  Schematic diagram of satellite-to-ground chaotic free-space optical communication system

混沌空间光通信系统收发终端的快速瞄准以及精确稳定的信标光跟踪是实现持续通信的前提。当前混沌空间光通信的PAT系统相关研究还较少，在此不做过多介绍。通信系统中信道引入的所有噪声都会引起混沌波形畸变，进而阻碍混沌系统的同步，最终导致混沌空间光通信的失败。因此，在对混沌空间光通信的研究中，不可避免地需要对大气湍流造成的光强闪烁、混沌同步参数失配等会造成信号畸变的因素做相应的研究。

1999年，美国斯坦福大学和加州大学受美国能源部和美国陆军研究办公室资助，开展了“基于半导体激光器的自由混沌空间通信”项目计划研究。在该计划的资助下，2002年，加州大学的Rulkov等搭建了基于混沌脉冲位置调制(Chaotic Pulse Position Modulation, CPPM)的自由空间光通信试验系统，试验方案如图2所示，最终实现了误码率为1.92×10⁻²，通信距离为5 km^[26]。

图  2  基于CPPM的自由空间光通信系统示意图^[26]

Figure 2.  Schematic for the free-space optical communication system based on the chaotic pulse position modulation transceiver^[26]

试验中采用通信波长λ=690 nm、发射功率P=10 mW的半导体激光器，调制方式为CPPM，激光光束经单模光纤，并通过透镜中继系统(L₁, L₂)和发射望远镜（星特朗天文望远镜）扩束到4 in （1 in=2.54 cm）直径，通过一个26 ft (1 ft=30.48 cm)的垂直密闭的管道，并经过水塔顶部45°倾角的反射镜反射到大气中传播。光束在大气路径中传播约2.5 km后，经一个安装在水塔上的反射器反射，再经过约2.5 km的大气再次被45°倾角的反射镜反射回密闭管道。激光光束接收系统利用发射系统中的同一个发射望远镜和透镜L₁，并由透镜L₃接收光束到光电探测器中进行光电转换，电信号经低噪声前置放大器（型号SR560，增益为20 dB）放大后进入CPPM接收端进行信息还原。试验结果表明，CPPM调制方式对于实现混沌系统自同步具有良好的鲁棒性，虽然此次试验通信速率和通信质量相对不高，却是世界上首次开展的混沌空间光通信应用试验，证明了混沌空间光通信的可行性。

2016年，El-Araby等利用两个级联的离散小波变换(Discrete Wavelet Transform, DWT) Haar滤波器大幅降低大气信道光强闪烁带来的噪声对混沌空间光通信质量的影响^[32]。Haar滤波器具有动态可调整的中心频率，可根据混沌信号的动态误差进行调整，为克服加性噪声和乘性噪声（大气湍流造成的光强闪烁即是一种乘性噪声）提供有效手段。光通信系统架构如图3所示，结果表明信噪比在40 dB及以上时，误码率接近于零，引入级联的Haar滤波器组成的高阶Haar DWT带通滤波器的混沌空间光通信系统具有良好的鲁棒性，能够有效处理接收端接收到带有噪声的混沌信号。

图  3  混沌自由空间光通信系统架构图^[32]

Figure 3.  Architecture of the proposed chaotic free-space optical communication system^[32]

2020年，南京大学的李密等探讨了双衍射结构(Diffractive Optical Elements, DOEs)对激光混沌上行空间通信中受强弱大气湍流及系统参数失配影响的改善情况^[30]。在高斯分布光束进入光学天线之前，通过引入的DOEs将高斯分布光束重塑为空心高斯分布光束，DOEs结构如图4所示，最终使得实际发射功率得到提高，理论传输功率可达99%以上，发射端发射功率的提高对误码率有明显的改善效果。该方案通过建立一套基于最小频移键控(Minimum-Shift-Key, MSK)的激光混沌上行空间通信BER模型，研究了DOEs结构对通信质量的影响。仿真结果表明，相比无DOEs结构的情况，引入的DOEs在强弱大气湍流和系统不同参数失配的情况下，对系统BER都有很好的改善效果，如在1 Gbit/s时引入DOEs结构，可以将误码率从10⁻⁴降低到10⁻⁵。DOEs结构的引入还可以降低对发射功率或接收孔径的要求，这将有利于卫星终端设备的小型化，使得系统可以有更大的天顶角范围和更高的通信速率。

图  4  引入DOE前(a)后(b)的光学子系统^[30]

Figure 4.  Optical subsystem before (a) and after (b) introducing the DOEs^[30]

2008年，Annovazzi-Lodi等提出了一种混沌空间光通信方案，其结构如图5所示^[27]。发射端和接收端为结构参数相同的激光器，第三个激光器为驱动激光器，产生的激光信号通过星地下行传输链路到达地面的发射端和接收端光学接收天线，为收发端引入相同的驱动反馈光，从而使发射端和接收端激光器同步。接收端将收到发送端发送的带有实际信息的混沌信号与本地产生的混沌信号进行相减操作，从而还原出发射端发送的原始信息。进一步的研究发现，该系统的误码率对内外部参数失配都非常敏感，百分之几的参数差异就会造成通信系统解码失败，这种敏感特性虽然增强了系统的安全性，但是也降低了通信系统的鲁棒性。

图  5  基于半导体激光器的安全数据传输结构图，收发端通过共同混沌驱动信号对称注入实现混沌同步^[27]

Figure 5.  Configuration of secure data transmission with semiconductor lasers as Tx and Rx. The chaos synchronization between Tx and Rx is implemented in virtue of the symmetric injection from a common driving signal^[27]

2018年，南京大学的李密等为度量超长距离空-地激光混沌通信链路的长时间通信性能，建立了受光强闪烁和指向误差影响的误码率计算模型，研究通信系统的可控参数失配情况对空-地激光混沌下行通信系统误码率的影响^[29]。混沌空间光通信系统收发端结构相同且参数一致，采用光纤延迟环路、雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)、射频放大器(Radio-Frequency Amplifier, RF Amplifier)、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder, MZ)调制器产生混沌载波，如图6所示。

图  6  基于光电反馈的空-地混沌激光通信系统^[29]

Figure 6.  Optoelectronic-feedback-based space-to-ground chaotic laser communication system^[29]

方案部分参数设置如下：天顶角ζ=0°，发射终端和接收终端参数设置为高轨终端H=38000 km、地面站高度h₀=100 m、工作波长λ=1550 nm、传播孔径W₀=0.1 m、发散角θ=30 μrad、发射功率P_T=3 W、通信速率1 Gbit/s、掩蔽效率a=0.2、接收直径D_r=0.3 m、功率损耗a_a=1、量子效率为0.75、APD增益因子G=20 dB。为了计算系统的失配噪声值，默认参数失配情况为：激光器反馈强度失配率Δβ/β=0.002、高截止响应时间失配率Δτ/τ=0.01、APD输出失配ΔK=0.1 μA、反馈延时失配ΔT=1 ps，APD偏置相位失配Δφ=0.01 rad。在考虑光强闪烁和指向误差情况下，通过数值仿真分析了ΔK、ΔT、Δφ等三种可控失配参数对系统误码率的影响。

试验结论如下：(1) 在APD输出失配ΔK较小时，参数σ_s（用于衡量指向误差的抖动程度）对系统误码率几乎没有影响；在APD输出失配ΔK较大时，参数σ_s对系统BER有较大影响。这意味着在相对微弱的抖动下，对于空-地混沌空间光通信系统来说，存在可接受的ΔK范围，能够获得稳定的通信性能。(2) 在参数σ_s较大时，误码率随延迟失配ΔT变化不大，在参数σ_s较小时，误码率对延迟失配ΔT的值变化更敏感。这意味着当参数σ_s较小时，由于BER对ΔT的精度要求较高，应该注意对延时时间同步的控制，以获得良好的通信性能。(3) 即使Δφ较小，系统BER对参数σ_s的变化已经很敏感。这意味着此时更应该注重Δφ失配的控制。结果表明：如果能够对系统同步参数进行精确控制，即使在强度闪烁和指向误差的影响下，混沌空间光通信系统在超长传输链路上也有着良好的通信性能。因此，激光混沌通信系统适合作为下一代空-地激光通信的加密方法。

同年，该课题组还建立了星间、星地两种混沌空间光通信模型，分别探讨了星间混沌空间光通信信号光在外太空、大气信道传输时因光辐射造成的参数失配和因大气湍流造成的光强闪烁造成的信号畸变对系统通信性能的影响^[33]。仿真结果表明，对于星间激光混沌通信系统，辐射效应会造成巨大的参数失配影响；对于星-地激光混沌通信系统，光强闪烁会比光辐射效应对通信质量产生更严重的影响。

2018年，Niaz等采用Optisystem14.0和MATLAB进行了不同天气条件下，波长λ=1550 nm、调制方式为混沌遮掩(Chaos Masking Scheme, CMS)、通信距离h=5 km、发射功率为5 dBm、通信速率为2.5 Gbit/s的混沌空间光通信数值模拟仿真^[34]。为了探讨混沌空间光通信在各种天气条件下的可用性和通信效率，建立的空间光通信模型如图7所示，分别对小雨、大雨、小雾、中雾、霾等天气下的混沌空间光通信性能进行测试。仿真结果表明，小雾和小雨条件下的混沌通信质量的衰减比霾天气混沌通信质量衰减小。另外，指出利用混沌技术实现空间光通信加密后，激光混沌通信系统在不同天气条件下的通信性能都会有明显的下降。

图  7  混沌自由空间光通信模型^[34]

Figure 7.  Chaotic free-space optical communication model^[34]

2018年，Mahmud等提出了一种通信协议，该协议集成了混沌空间通信系统和QKD技术^[28]。通过量子信道实现了收发端混沌激光器同步参数的共享。为了安全地共享密钥，公钥密码系统通常使用RSA算法。共享密钥在量子信道传输时，任何拦截都会破坏其中的数据，暴露窃听者的存在。低密度奇偶校验(Low Density Parity Check, LDPC)和数字调制/解调技术（如QPSK）也被应用在该方案中，以减少信道噪声的影响，降低通信系统的误码率。

2021年，南京大学的李密等研究了激光混沌卫星通信系统中EDFA的ASE对混沌通信系统通信性能的影响^[35]。在空间激光混沌通信中，通过EDFA实现长距离传输不可避免地会引入ASE，为了研究ASE的影响，建立了改进的误码率计算模型，并在此基础上进行了数值仿真。结果表明：大部分的ASE引入是接收端的EDFA；当ASE较小时，同步失配的主要因素来自系统内部参数失配；当ASE较大时，同步失配则由外部失配噪声和内部失配噪声共同作用产生。该项研究对于混沌空间光通信系统设计具有很好的指导意义。

综上，混沌空间光通信技术是一项具有很大潜在优势和应用前景的新型空间安全光通信技术，具有安全性高、终端体积小、质量轻、功耗低以及信息传输速率高等优点。虽然混沌空间光通信的相关技术研究已经取得了一系列进展，但在实际应用中还面临着诸多挑战，总结如下：

（1）大气湍流效应中除光强闪烁外，到达角起伏、相位起伏、光束扩展和光束漂移等效应对超高速混沌空间光通信通信性能影响的消除还有待进一步的理论及试验研究；

（2）全天候混沌空间光通信研究还相对较少，对于全天候的混沌空间光通信通信性能的优化方案仍有待探索；

（3）目前对混沌空间光通信系统的安全性分析还仅是建立在光纤混沌保密通信技术的认知之上，针对混沌空间光通信的攻击截获方案的安全性分析尚未见报道；

（4）混沌空间光通信系统相比于空间光通信虽然具有更高的安全性，但同时带来工程实践系统复杂度的提升。混沌空间光通信系统在未来航天工程中的应用还需多方面的进一步工程验证。

FSOC技术凭借其超大带宽、无电磁频谱约束等众多优势已得到飞速发展，成为世界各国空间高速通信的重要方式。FSOC领域的关键技术相对于混沌空间光通信技术有着更加成熟的应用。对于混沌空间光通信来说，在FSOC中可尝试借鉴的关键技术还有待开展，如：

（1）自由空间光通信中抑制大气湍流的关键技术，如孔径平均技术、空间分集技术、自适应光学等在混沌空间光通信中的应用研究还尚未有所实践；

（2）混沌空间光通信技术作为FSOC技术的一种，FSOC中常用的快速瞄准、捕获及跟踪技术同样也适用于混沌空间光通信^[36]。混沌空间光通信成功的基本保证除了消除各种传输通道效应的不利影响外，还需要保证发射端和接收端能够以较高的对准精度进行正确对接，并保持稳定的对准状态，才能够实现持续通信。星载终端的安装误差、指向误差及平台振动对混沌空间光通信系统的快速跟瞄影响试验还有待开展。因此，PAT技术作为混沌空间光通信技术工程化的前提，也是研制和设计的难点。

需要注意的是，国外相关机构对混沌空间光通信的研究正快速发展，但国内在该方面的研究还较少。文中对国内外混沌空间光通信研究与发展进行了系统论述，对混沌空间光通信的混沌空间通信大气湍流抑制技术和激光混沌空间同步技术的国内外发展动态进行了分析介绍，对未来需要开展的工作和可借鉴的关键技术作了初步分析，为混沌空间光通信技术研究提供了一定的参考和借鉴。