科技日报记者 陆成宽
过去，从月球轨道传回一张8K超高清全景月球照片，地面人员要等上四五分钟；如今，同样的照片只需12秒左右就能传完。带来这一变化的，正是我国近日完成的地月双向高速激光通信试验。该试验在40万公里的地月距离间建立起稳定、高速的激光链路，相当于在地球与月球之间搭起一条“信息高速公路”。
地月激光通信有什么优势？实现地月双向激光通信要克服哪些技术难题？后续会带来哪些改变？围绕这些问题，9月1日，科技日报记者采访了相关专家。
第一问：相比传统射频通信，地月激光通信的优势体现在哪？
传统射频通信依赖无线电波，而激光通信利用光波传输，原理上更接近光纤宽带。激光通信最大的好处是带宽大、速度快。在卫星上装的设备，体积、重量、耗电都差不多的情况下，激光通信的速率可以比传统微波通信快10到100倍。
“射频好比一条普通公路，车道有限，车流容易饱和；激光则像一条多车道高速公路，同样的时间内能传输的数据量大得多。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员杨雷解释，在地月距离下，传统射频通信传输高清视频或海量科学数据非常吃力，而激光通信可以轻松胜任。
激光通信另一个好处是不容易泄密，激光光束特别集中，不像无线电波那样向四周“广播”，能量不会到处乱跑，别人很难半路截获到信号。“激光就像一束手电筒光，照哪儿就是哪儿；微波更像是大喇叭广播，范围大，但谁都能听见。”杨雷形象地比喻道。
第二问：40万公里地月双向激光通信需要攻克哪些难题？
40万公里，相当于绕地球赤道10圈，光从月球到地球单程也要1秒多。在这么远的距离上做双向激光通信，要跨过信号弱、瞄准难、传输慢三道坎。
激光束虽然方向集中，但跑了40万公里还是会散开不少，到地面望远镜时可能只剩发射时的一丁点儿，变得非常弱。地面接收端必须用上高灵敏度的探测器，才能从背景噪声里把微弱的光子认出来。“为此，我们做了超导纳米线单光子探测器阵列。它就像一个能抓住光子的超灵敏‘眼睛’，本身杂音特别少，反应还极快。再配上自己研发的信号处理算法，就算信号弱得都快被噪声淹没了，也能硬生生从一大堆干扰里把它给捞出来。”杨雷说。
同时，激光光束非常窄，而地球和月球都在不停运动，卫星平台自身也有微小振动。地面站和卫星必须一直精确对准，稍微偏一点，链路就可能断掉。杨雷打了个比方：“这相当于从北京用一束激光照准月球上一个移动的小点，还要一直锁定。”
为解决这一难题，研究团队想了几个办法：一是把卫星的轨道算准，提前预报位置，这样两边的望远镜就知道该往哪儿指，不会找不着目标；二是地面站把好几束激光合成一束发出去，再根据温度、仰角这些变化实时修正方向，保证稳稳打到卫星上；三是收发两头都做了很强的光学隔离，免得自己发出的强激光把探测器“闪瞎”，这样同时收发光信号也不会互相干扰。
信号收到了，传输速度也得跟上。难点是这些光子不是规规矩矩排着队来的，而是稀稀拉拉、断断续续的，要把它们凑成完整的信息，时间上就得对得特别准，准到皮秒级别。皮秒是什么概念？一万亿分之一秒，比你眨一下眼的时间还要短不知道多少倍。团队专门研发了皮秒级的时间识别和大带宽通信处理技术，相当于给每个光子都配了个超级精准的“时间戳”，让它们能严丝合缝地拼到一起，不会乱套。
第三问：这项技术会给后续探月深空任务带来哪些改变？
“未来，我们要构建国际月球科研站，在上面开展各种的科学实验（试验）。这些科学实验（试验）会产生海量的数据，数据怎么样能够传输回地球，一直是制约科研进展的通信瓶颈。这项技术突破对打破瓶颈具有非常重要的意义。”中国科学院空间应用工程与技术中心副主任王强说。
更重要的是，地月距离只是起点。杨雷表示，此次验证的高精度跟踪、弱信号探测和高速单光子信号处理等技术，可进一步延伸至火星、小行星乃至更远的深空任务，将有力支撑我国深空探测取得更多的原创性科学成果。
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