初冬的长春，南湖的湖面已经悄然凝结。而南湖之畔的长春理工大学，这所由“中国光学之父”王大珩院士一手创办的院校，科研的热忱一如往昔。

 

图1 长春理工大学王大珩雕像/ LBTEK拍摄

 

麓邦团队此行的目的地，正是长春理工大学空间光电技术研究所，这里作为国内空间激光通信研究的高地，已经有了20多年的科研沉淀，孕育了新一代科研工作者探索未知的勇气。

在这里我们采访到了科研一线的于笑楠老师，于老师跟我们聊起了他的科研经历，也带我们钻进了空间激光通信的世界，了解这“针尖对麦芒”的困难，到底要经历多少“死磕”才能迎来突破。

 

 

从探测制导到空间光通信

麓邦：据了解，您在本科阶段选择的是探测制导与控制技术专业，据我了解这是国内院校罕有的兵器专业之一，能否和我们聊一下您的本科科研经历？

于笑楠：我从小就对这类兵器类的领域比较感兴趣，所以填报志愿时就选择了它。我们这个专业在光电学院里面，更加偏向于电子学，和电子信息处理关联更深一些。我记得从大二开始，除了专业课程的学习外，我们就进入实验室上手实践，参加了各类比赛，这种从理论到实践的探索过程对我后来的科研思维影响很大。

麓邦：探测制导专业为您积淀了深厚的电子信息处理与控制功底。您从这个侧重“电”与“控制”的领域，转向侧重“光”的光学工程，并最终锁定在空间激光通信这个前沿赛道，这中间经历了怎样的逻辑跨越或契机？

于笑楠：首先是我的硕士和博士导师，佟首峰教授，正好是我们探测制导专业的首任系主任。经我们系的老师介绍，我了解到佟老师在空间激光通信这个方向做得特别好。

佟老师是姜会林院士的博士生，姜院士当年组建了我们空间光电技术研究所，专门研究空间激光通信。所以我也就追随着佟老师的脚步，加入这一团队，从事空间激光通信方向的科研工作。

 

图2 空间光电技术研究所/ LBTEK拍摄

 

另外，其实这个方向和我之前的专业还是比较接近的。空间光通信本身是一个光学和信息学交叉的学科，需要对光机电算软都要有所了解，我老师常说光通信和微波通信本质上就是波段的不同。我此前掌握的专业知识，对于我理解空间激光通信而言是一个重要的技术支撑，比如激光的瞄准是一个控制过程，传输又是一个信号处理的过程，这个在本科阶段都得到过初步的尝试，我觉得我也许能在空间光通信这一研究方向上做得更深入一些。

麓邦：我知道您曾在德国有过一年多的访问研究，能和我们说说这段经历吗？

于笑楠：那个是国家留学基金委的访学项目，我很幸运通过选拔获得了公派留学资格，我的大部分时间是在德国柏林度过的，在那里的Fraunhofer HHI研究所得到了著名的空间光通信专家Nicolas Perlot的指导，从事了很多光学相控阵的工作。同时我还与德国TU Braunschweig 的Thomas Schneider保持了很好的合作关系，开展了通信信号处理的联合研究，可以说这段经历让我受益匪浅，学到了激光通信的最新技术进展，磨炼了外语水平，还结交了一批国际友人。这段经历令我印象最深的是，国外顶尖科研院所的创新性非常强。在德访问期间，我所在团队的导师每天都会给我一个新的想法，带着我去实践和验证它。这种不断创新，快速验证的思路是很值得我学习的地方。

高原上的“针尖对麦芒”

 

麓邦：我们来之前也拜读了您近期在《光学学报》发布的文章，您能和我们简单讲讲激光通信的一对多的通信组网，和传统一对一的双向通信相比，最大的突破意义是什么呢？

于笑楠：姜会林院士在十多年前就提出了“一对多同时激光通信”这个构想。十余年来，我们从原理到工程样机再到野外通信试验，一步步地将其付诸实践了。

 

图3 旋转抛物面一对多同时激光通信组网光学构型/光学学报

 

激光通信常被形容为针尖对麦芒，其对准过程难度极大。传统的点对点通信，由于激光发散角极小，实现组网非常困难。姜院士提出的构想就是，通过旋转抛物面和多反射镜的天线网络，实现一个光端机同时与多个光端机同时通信。

麓邦：在这篇文章中，提到了您在西藏鲁朗进行的激光通信试验，当时为什么会选择在高原进行实现呢？能和我们说说这次试验的经历吗？

于笑楠：这是国家自然科学基金委的联合验证试验，选择在西藏开展这个工作，我们把团队研制的一对多光端机部署到了高原上，验证复杂环境下的激光通信组网。依托高空飞艇平台，我们实现了一对二同时激光通信，这个我想应该是首次外场的远距离高速率动态激光通信组网试验。此次试验的圆满成功，主要归功于以下两点。

第一点是我们前期的技术验证和完善，我们团队做这个领域已经快十几年了，相继实现了我们国家第一次激光通信的动中通、飞中通和最远距离的双动态飞机间激光通信，在西藏实验进行的一年之前，我们又在湖北荆门做了一个飞艇间传输5G基站数据的联合试验，所以无论是在技术上还是在试验经验上，我们都具备了很好的基础。

 

图4 组网外场试验团队及一对二激光通信终端/长春理工大学

 

第二点离不开我们整个实验团队的艰苦奋斗。当时我们身处海拔3000多米的缺氧高寒环境中，每天工作到凌晨两三点。因为有时候为了稳定性，飞艇要晚上才会升起来，只有这时我们才可以进行实验。好在功夫不负有心人，最终我们在这样的复杂环境下，实现了一对多的同时激光通信，成功验证了空间组网应用的工程可行性和扩展性。

麓邦：这类高原试验的机会想必也是相当珍贵的，而且实验的窗口期有限，相比起实验室可控可重复的实验环境，这类外场验证面临着极其复杂的外部环境。其中有没有哪个环节，令您感到特别棘手，最终您和团队又是如何战胜这一困难的？

于笑楠：那太多了，激光通信外场试验的魅力就在于发现问题解决问题。记得在高原之前的湖北荆门的实验中，我们就遇到了通信信号在1km，3km链路都可以传输，一旦到了12km链路就无法锁定的难题，我们百思不得其解，最终我提出用10km的光纤替代空间光链路验证一下，果然排查出了距离延长之后就会产生某个标志位延迟溢出的问题，后来我们调整了发收机算法，解决了问题，为此，我在庆功宴上敬了那个解决问题的FPGA工程师一整杯白酒。

再有就是，在西藏的时候，我们的一对多地面光端机总是在飞艇起飞的时候，发生指向不准的问题，没法捕获上飞艇。可是飞艇升空的机会又十分宝贵，我就说那干脆就把那个光端机弯下腰，低下一个角度，就可以在飞艇不升空的时候也能复现这个问题了，结果很快就找到了程序的bug。可以说，这种在外场环境，发现问题，解决问题的过程，那真是很难忘的一件事。那么多人都等着下一步怎么办呢，你必须集中精力，把十几年来老师们传授的经验都用上。

 

麓邦：提到高空飞行器，大家首先想到的往往是无人机或飞机。那么，是什么样的机缘或技术特性，让我们最终锁定了看起来更“传统”的飞艇，来承载如此前沿的激光通信技术呢？

于笑楠：其实这类飞艇并不是我们传统认知中的飞行器，而是先进的科研观测设备平台。飞艇平台比卫星飞的低，比飞机飞的稳，是很理想的遥感观测和通信服务平台，所以空间激光通信在这个场景下就非常有应用前景。而且飞艇平台部署相对容易，对我们验证和调制激光通信也是有利的，所以我们在飞艇平台上开展了很多相关试验。

比如我们用飞艇挂载移动通信的基站，就可以在远距离给海岛等偏远地区提供5G服务。传统的地面基站之间依靠光纤进行信号的传输，而在两艘飞艇之间则是靠无线的激光进行通信，也就相当于一个浮动的基站，从而实现更近距离的5G服务。同时对于遥感测距而言，飞艇能够捕捉的地面分辨率也要更高。

 

图5 与导师佟首峰教授在试验飞艇下

对抗大气湍流效应

麓邦：除了您刚才提到的一对多组网外，现阶段的空间激光通信还存在哪些挑战呢？

于笑楠：激光通信除了瞄准、捕捉和跟踪上的挑战外，大气信道传输里还有一个比较重大的挑战，那就是湍流，也就是我们平常看到温度变化后产生的大气扰动。

这种扰动对于激光的传输来说影响很大，会对激光通信的质量产生负面影响。比如我们在长春理工大学两个大楼之间建立激光链路，夏天通信质量相对好一点，冬天开窗户，热交换相当剧烈，信号抖动，中断率和误码率就很高。

所以我们就想怎么能够去抑制它，传统的方法有使用自适应光学或分级接收等。而我们提出了几种更简单的方法，比如利用激光通信探测器的增益做闭环调控，去抑制湍流的扰动；或者通过调节发射机的功率来平滑扰动；之后我们还做了针对湍流的相位对消的方式来抑制它。从德国回来之后，我又开展了相干孔径合成的办法来实现湍流扰动控制，也得到了不错的效果。

 

图6 多口径相干合成及湍流模拟器/ LBTEK拍摄

 

麓邦：目前空间激光通信，您觉得我们还有哪些技术难点需要克服？

于笑楠：现在的空间激光通信，我想主要是从关键技术突破和验证阶段，向着大规模成熟应用阶段发展，在这个阶段，我们主要突破的技术难点是如何将空间激光通信终端做的更加轻质、便宜和可大规模制造，这不仅是产业化的问题，更是科学问题，需要平衡各种指标，合理分配误差，精心选择组件，才能达到最优的结果。

比如现在有的设计思路就是空间光通信与光纤网络结合，光纤通信从20世纪60年代就开始发展，时至今日已经是覆盖全球的通信系统了。而空间光通信将广泛借鉴和采用光纤通信的器件和技术，这是降本增效的一个重要途径。

 

与国产光学双向奔赴

麓邦：在参观咱们实验室的过程中，我们看到了很多采用麓邦器件搭建的光端机模块，您是何时接触到麓邦的呢？

于笑楠：这个思路还是来源于在HHI的科研工作，那时候我们就是通过这种结构搭建光端机，然后快速验证各种新的想法的，我看这个办法很好，很适合快速集成、低成本和模块化制造，回国之后，我在这个基础上，引入了我之前的动态控制系统，研制了一批新型的快捷组装的动态激光通信终端。这种终端，好处就是性能和理论计算匹配的非常好，而且原来半年的时间研制一套，现在半个月就可以了。

麓邦在这方面产品线非常齐全，产品质量和精度很高，是非常好的选择。

 

图7 于笑楠团队搭建的激光通信模块化终端/ LBTEK拍摄

 

我们采用了麓邦的分光器件、准直器和笼式结构等，带学生搭建了很多非常具有创新性的激光通信终端构型，对我们的激光通信终端设计框架是很好的迭代。

还有就是，国产光电器件发展很快，更新周期和供货周期，都是远远优于国外同类品牌。国外那时候等一个器件要等上半年的时间，现在麓邦的产品缩短了我们从想法到验证的周期。

麓邦：您对于麓邦的产品还有哪些建议或者期待呢？

于笑楠：随着我们现在的光电机正在逐步朝着模块化的方向发展，希望麓邦的产品不仅能覆盖我们的光机系统，未来还能覆盖到前端的伺服系统，乃至后端的通信系统，助力我们实现全国产化的光端机。

 

真情妙悟铸文章

麓邦：在您的早期科研生涯，比如硕博阶段中，有没有一些可供我们的年轻科研人参考的经历？

于笑楠：我觉得我的硕士和博士阶段是最大的收获就是有几位优秀的老师在指引我前进，第一位就是刚才说的我的导师佟老师，他总是告诉我们“勿以事小而不为”，以身作则带我们勇往直前，勇攀高峰。再就是两位硕士和博士期间带我做具体工作的董岩老师和鲁郁老师，他们分别在伺服控制领域和导航测距领域做出了深刻的工作，在他们可以说手把手的指导下，那是最大的收获。

所以，遇到好的老师，并且以积极和坚持的态度把事情做好，我觉得是学生阶段最重要的经历。

其次呢就是要把理论研究和实践工作结合起来，我一直认为写论文搞理论和编代码做工程不矛盾，这是两种对问题的认识方式，一种是分析，另一种是实践，两者共同促进了对问题的理解。

麓邦：作为一名优秀的光学科研人，同时也是一位年轻的博导，您对于有志继续在这一领域深造的科研人，有何建议或者寄语吗？

于笑楠：我特别喜欢一句话，就是“真情妙悟铸文章”，这句话也挂在我们实验室的墙上。真情是指要对科研工作拥有足够的热情和兴趣，不管是我们课题组的博士，还是新来的学生，我希望他们对这些研究方向是感兴趣的，这样就拥有了动力。

另一个就是妙悟，意味着无论做什么事情，还是要对其有自己独到的见解和体会，拥有自成体系的一套认知。最后就是铸文章，这里之所以是“铸”而不是“著”，是因为科研工作并不是一蹴而就的，需要不断地花费时间才能有结果的。我觉得这三件事是科研的重要条件。

麓邦：科研过程中难免也会遇到“悟不出来”的瓶颈期，当您的学生遇到这样的困难时，您通常会如何引导他们进行调整呢？

于笑楠：这个时候我一般会站在他们的身后，一步一步地带着他们去思考问题，解决问题，就像以前我的老师一样，逐步你就会领会其中的一些奥义。不要说那些空话，而是要带着学生们一点一点解决问题。

麓邦：据我了解，王大珩院士也曾做过姜会林院士的导师，面对这种跨越四代的学术薪火相传，而您作为这一序列中年轻一代的博导，这样的学术传承对您的教学工作提供了哪些参考呢？

于笑楠：我只是我的老师的众多学生中的一个，我的同门都在不同的维度做出了很多重要工作。但这种学术传承对我的影响还是很大的，在姜院士、佟老师的指导下工作，方向很明确，事事有着落，所以我也常常这样要求我自己和我的学生。同时我还承担着光电学院光通信技术和雷达原理两门课程的教学工作，每学期我都会重新调整一轮我的教学内容，让它的逻辑更清晰，内容更丰富。每次听到学生们都在议论“光通信课程讲的很好”，看到“雷达原理课程里面不断有学生过来参与手搓雷达的制作”，这是我感觉非常高兴的一件事情。