2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——星際激光通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.根據(jù)信息論，香農(nóng)信道容量公式C=B*log2(1+S/N)中，B代表什么？(A)發(fā)射激光器的功率(B)信道可用的帶寬(C)接收天線的孔徑(D)傳輸編碼的效率2.對于星際激光通信系統(tǒng)，光束在空間傳輸過程中主要能量損失機制是？(A)激光器自身效率下降(B)電磁波與空間背景的相互作用(C)大氣散射和吸收（對于近地軌道段）(D)接收器探測器的暗噪聲3.提高星際激光通信系統(tǒng)傳輸速率最直接的技術(shù)途徑之一是？(A)增加發(fā)射光束的波長(B)提高激光器的發(fā)射功率(C)擴大接收天線的有效孔徑(D)采用更復(fù)雜的調(diào)制格式4.大氣湍流對近地軌道激光通信鏈路的主要影響是？(A)增加光束的傳輸損耗(B)導(dǎo)致接收信號強度隨機波動（閃爍）(C)減小系統(tǒng)的信噪比(D)改變激光束的偏振態(tài)5.星際激光通信相比無線電通信的主要優(yōu)勢之一是？(A)具有更寬的頻譜資源(B)信號傳播速度更快(C)對空間環(huán)境的電磁干擾不敏感(D)更容易實現(xiàn)大功率發(fā)射6.在激光通信系統(tǒng)中，前向糾錯（FEC）技術(shù)的主要作用是？(A)提高發(fā)射端的激光功率利用率(B)增加信道的物理帶寬(C)自動調(diào)整發(fā)射信號的頻率(D)使接收端能夠在噪聲干擾下糾正接收到的錯誤碼字7.光束發(fā)散角是影響星際激光通信距離的關(guān)鍵參數(shù)，其增大主要會帶來什么后果？(A)接收端所需的最小孔徑減小(B)隨著距離增加，光束截獲功率下降更快(C)系統(tǒng)的香農(nóng)容量顯著提升(D)對大氣散射的影響減弱8.若要設(shè)計一個能夠支持Tbps級別數(shù)據(jù)傳輸速率的星際激光通信系統(tǒng)，以下哪個因素是必須優(yōu)先考慮和克服的挑戰(zhàn)？(A)激光器的散熱問題(B)地球自轉(zhuǎn)引起的指向偏差(C)保證足夠高的信噪比以支持高階調(diào)制和信道編碼(D)接收機需要極高的成本9.光子探測器在星際激光通信系統(tǒng)中的作用是？(A)產(chǎn)生調(diào)制信號(B)調(diào)制光束的頻率(C)將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號(D)發(fā)射探測信號回發(fā)射端10.對于非常遙遠(yuǎn)的星際通信（例如到達(dá)比鄰星），理論上限制其數(shù)據(jù)傳輸速率的主要物理極限是？(A)發(fā)射激光器的功率限制(B)光速的限制(C)香農(nóng)信道容量的限制(D)接收機探測器的靈敏度限制二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.星際激光通信系統(tǒng)為了克服巨大的傳輸損耗，通常需要發(fā)射功率極高且接收端使用______孔徑的望遠(yuǎn)鏡。2.香農(nóng)公式表明，在信噪比一定的情況下，信道帶寬越寬，理論上的最大傳輸速率______。3.激光束在自由空間傳輸時，其光強會隨著距離的增加而按______規(guī)律衰減。4.大氣對激光通信的影響主要體現(xiàn)在對光束的______和______。5.為了在接收端有效恢復(fù)信號，星際激光通信系統(tǒng)需要精確的______和______。6.采用______編碼技術(shù)可以在不降低信息傳輸速率的前提下，顯著提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。7.與傳統(tǒng)光纖通信相比，星際激光通信的主要挑戰(zhàn)在于克服空間環(huán)境中的______損耗和大氣引起的傳輸不穩(wěn)定。8.提高激光通信系統(tǒng)傳輸速率的技術(shù)途徑還包括使用______光源和______探測器。9.單位帶寬內(nèi)能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⒘糠Q為______。10.星際激光通信的指向精度要求極高，因為______的微小變化都會導(dǎo)致接收能量顯著下降。三、計算題（每題10分，共30分）1.假設(shè)一個星際激光通信鏈路，發(fā)射端使用功率為1W的激光器，發(fā)射光束發(fā)散角為1毫弧度，鏈路距離為1光年（約9.46×101?米）。假設(shè)光在真空中的傳播沒有損耗，且不考慮接收端大氣影響。若接收端天線孔徑為1米，探測器的探測效率為50%，每個光子能量為1.6×10?1?焦耳。請估算接收端的最小信噪比（S/N），并判斷能否支持至少1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率（假設(shè)采用BPSK調(diào)制，信道編碼開銷為10%）。計算過程中可簡化處理，認(rèn)為接收到的光子數(shù)近似服從泊松分布。2.設(shè)計一個近地軌道（高度500km）激光通信鏈路，鏈路中心頻率為1550nm，光束發(fā)散角為2毫弧度。已知該頻段大氣透過率在晴朗無云的白天約為0.9，大氣湍流引起的信號閃爍指數(shù)為0.1。發(fā)射端使用光功率計測量發(fā)射功率為100mW，接收端使用焦距為1米的望遠(yuǎn)鏡聚焦到探測器上，探測器為APD，其內(nèi)量子效率為80%。假設(shè)接收信號帶寬為1GHz。請計算：(1)鏈路大氣引起的傳輸損耗是多少dB？(2)由于大氣閃爍，接收信號功率的長期變化范圍大約是多少？（可使用冪律統(tǒng)計近似：ΔP/P∝(C/τ)^(2m)，其中C為信噪比，τ為相干時間，m為閃爍指數(shù)，取m=0.1）3.考慮一個使用相干探測方式的星際激光通信系統(tǒng)，發(fā)射端采用外調(diào)制器對激光進(jìn)行100Gbps的QPSK調(diào)制。接收端采用馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）進(jìn)行相干檢測。已知系統(tǒng)載噪比（C/N）為30dBHz，光束在傳播路徑上的損耗為100dB，接收端噪聲主要包括熱噪聲和散粒噪聲。假設(shè)探測器效率為80%，系統(tǒng)帶寬為100GHz（包含保護(hù)帶）。請計算該系統(tǒng)的理論信噪比（S/N），并說明相干檢測相比于非相干檢測在此場景下的主要優(yōu)勢。四、分析題（每題15分，共30分）1.試分析增加星際激光通信系統(tǒng)傳輸距離對系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)，并討論為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，工程師們通常采用哪些關(guān)鍵技術(shù)和方案。要求從光束傳輸、信噪比、探測、大氣影響等多個角度進(jìn)行闡述。2.比較分析在地球低軌道（LEO）和中軌道（MEO）部署激光通信終端，在數(shù)據(jù)傳輸速率、大氣影響、實現(xiàn)難度等方面存在的顯著差異。闡述為何近年來對LEO激光通信系統(tǒng)的研究和應(yīng)用興趣日益增加。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.C6.D7.B8.C9.C10.C二、填空題1.大2.越高3.指數(shù)4.散射；吸收5.指向；時間同步6.前向糾錯(FEC)7.空間介質(zhì)(或自由空間)；大氣8.單色(或低色散)；高靈敏度(或高效率)9.信息容量(或信息率)10.距離(或光束發(fā)散)三、計算題1.解析思路：首先計算到達(dá)接收端望遠(yuǎn)鏡入瞳的光功率?？紤]光束發(fā)散，光強隨距離呈球面擴散，功率密度與距離平方成反比。望遠(yuǎn)鏡接收到的總功率是光功率密度乘以接收面積。然后計算單位帶寬內(nèi)的光子數(shù)（需考慮光子能量、帶寬、探測器效率）。根據(jù)泊松分布，信噪比等于接收到的光子數(shù)。最后，根據(jù)香農(nóng)公式計算理論最大速率，并與實際速率要求比較。計算步驟：(1)到達(dá)望遠(yuǎn)鏡入瞳的光功率P_r=P_t*(π*D/2*L)^2/(4*π*L^2)=P_t*D^2/(16*π*L^2)P_t=1W,D=1m,L=9.46×101?mP_r≈6.67×10?11W(2)接收到的總光子數(shù)率N_r=P_r*η*B/E_phη=50%,B=1Gbps/(1+0.1)≈909Mbps=1.0909×10?Hz,E_ph=1.6×10?1?JN_r≈6.67×10?11*0.5*1.0909×10?/1.6×10?1?≈2.28×101?光子/秒(3)信噪比S/N≈N_r(因為探測器噪聲遠(yuǎn)小于光子噪聲)S/N≈2.28×101?(4)香農(nóng)速率C=B*log2(1+S/N)=1.0909×10?*log2(1+2.28×101?)C≈1.0909×10?*log2(2.28×101?)≈1.0909×10?*31.2≈3.41×101?bps=34.1Tbps實際速率要求為1Gbps，遠(yuǎn)低于理論極限，因此可以支持。2.解析思路：(1)大氣損耗計算：透過率T=0.9，損耗L=-10*log10(T)=-10*log10(0.9)≈1.046dB。(2)閃爍引起的功率變化：使用ΔP/P∝(C/τ)^(2m)。需要先估算信噪比C和相干時間τ。C=P_t*η*B/N?，其中N?是單邊帶噪聲功率譜密度。N?=k*T*B，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為探測器等效溫度（考慮熱噪聲和散粒噪聲）。探測器等效溫度T_eq≈T_amb*(1-η)+(hc/λk)*(1-η)/(e^(hc/λkT_amb)-1)*N_g/(q*B)，其中T_amb為環(huán)境溫度，h、c、λ、k、q為常數(shù)，N_g為散粒噪聲光子率。為簡化，可假設(shè)N?主要由熱噪聲決定（若探測效率不高或頻率不高），N?≈k*T_eq*B。相干時間τ≈1/(2π*f*m)，f為頻率，m為閃爍指數(shù)。計算ΔP/P=(C/τ)^(2m)=[P_t*η*B/(k*T_eq*B)]^(2m)*[2π*f*m]^(2m)=(P_t*η/(k*T_eq))^m*(2π*f*m)^(2m)。代入數(shù)值計算ΔP/P，然后ΔP=P*ΔP/P，得到功率變化范圍。3.解析思路：相干探測系統(tǒng)理論信噪比S/N=(2*G*T_sys*B*F*C)/(k*T?*B)，其中G為系統(tǒng)增益（與孔徑平方成正比），T_sys為系統(tǒng)等效溫度，B為帶寬，F(xiàn)為光束集中度（接近1），C為載噪比，T?為標(biāo)準(zhǔn)溫度（290K），k為玻爾茲曼常數(shù)。計算時需注意單位統(tǒng)一。熱噪聲和散粒噪聲共同決定N?，但相干檢測對散粒噪聲不敏感，主要受熱噪聲限制。計算理論信噪比后，與非相干檢測（S/N≈(G*T_sys*B*F*C)/(k*T?*B)）比較，優(yōu)勢在于利用了載波信息，信噪比更高。四、分析題1.解析思路：傳輸距離增加帶來的主要挑戰(zhàn)是光信號功率的急劇衰減（指數(shù)規(guī)律）和信噪比下降。應(yīng)對挑戰(zhàn)的技術(shù)包括：使用更高功率的激光器和更大的接收孔徑來補償損耗；采用低色散的光源和高效探測器以提高帶寬和效率；使用大氣補償技術(shù)（如自適應(yīng)光學(xué)）來克服湍流影響；采用高增益天線和先進(jìn)的信道編碼（FEC）來維持信噪比和可靠性；利用空間部署優(yōu)勢（如拉格朗日點）以優(yōu)化鏈路幾何和減少相對運動。2.解析思路：LEO（數(shù)百至2000km）和MEO（2000km至35786km，地球同步軌道）激光通信比較：LEO：距離短，光程損耗小，大氣影響相對較小（尤其高層大氣），