（信号与信息处理专业论文）自由空间光通信传输系统的研究与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 自由空间光通信( f s o ) 融合了光通信和无线通信的技术优势，是提供快 速、低价、安全的宽带接入的有效手段，能够实现数据、话音、视频业务的高 速传输。自由光通信传输系统的链路受大气湍流的影响，使得光信号强度和相 位产生随机波动，这种光强度波动叫做“衰落”，会增加链路的错误概率，削弱 传输性能，尤其在远距离传输时，衰落问题更为突出。因此如何使得f s o 全天 候、远距离有效传送信号是一个必须解决的问题。 。 本文根据f s o 的传输原理，分析了在大气空间中传送信号的可行性并详细 介绍了具体的解决方案及传输系统收发模块的硬件实现。 本文首先结合光通信和无线通信的特点，阐述了f s o 传输系统的实现方案、 发展现状和研究意义。介绍了f s o 传输系统收发结构、工作原理及其各主要功 能模块。针对自由光通信中大气湍流以及通信距离对接收端误码率的影响，提 出利用空间分集技术，通过对多发射器、多发散角的最优选择来改善信噪比， 降低误码率，从而在接收端准确恢复出信息。针对移动f s o 传输系统震动对信 号传输的影响，提出了测量震动的工作原理和方法。然后，对f s o 传输系统的 硬件设计方案作了详细介绍，提出了一种同步信号复接方法，该方法解决了f s o 收发系统中的视频、音频、以太网等信号的同步问题。对电路中所选用的器件 的具体应用作了介绍，对复接方案中的c p l d 的实现作了详细的描述。本文最 后对f s o 传输系统作了总结和展望。模拟测试结果表明，本文提出的f s o 传 输系统是切实可行的，对下一步的现场试验打下了坚实的基础。 关键词：自由空间光通信，数据复接，空间分集技术 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f s o ( f r e es p a c eo p t i c a l ) c o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hp r o v i d e sf a s t ，i n e x p e n s i v e ，s a f ea n de f f e c t i v em e a n s t ob r o a d b a n da c c e s s i ta c h i e v e s h i g h - s p e e dd a t a , v o i c ea n dv i d e ot r a n s m i s s i o n b u s i n e s s f s oc o m m u n i c a t i o nl i n k sa r es u s c e p t i b l et ot h ea t m o s p h e r i ct u r b u l e n c e ， m a k i n go p t i c a ls i g n a li n t e n s i t ya n dp h a s ew i t hr a n d o mf l u c t u a t i o n , w h i c hw i l l i n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fe r r o ra n dw e a k e nt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yi n l o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n ，f a d i n gi s s u ei sm o r ep r o m i n e n t s oh o wt or e a l i z ef s o a l l w e a t h e r , l o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o ne f f e c t i v e l yi sap r o b l e mt h a tm u s tb es o l v e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ef s ot r a n s m i s s i o nt h e o r y , t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ef e a s i b i l i t yo fs i g n a l st r a n s m i s s i o ni nt h ea i rs p a c ea n di n t r o d u c e st h es o l u t i o n s c h e m ea n dh a r d w a r er e a l i z a t i o ni nd e t a i l - f i r s t l y , t h ep a p e rc o m b i n e st h ec h a r a c t e r so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n de x p a t i a t et h es c h e m e ，d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h m e a n i n go ff s ot r a n s m i s s i o ns y s t e m s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h ef s ot r a n s m i s s i o n s y s t e mt r a n s c e i v e rs t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r i m a r ym o d u l e so ft h es y s t e m t h ea u t h o rp r e s e n t st ot a k ea d v a n t a g eo fs p a c ed i v e r s i t yt e c h n o l o g yt or e d u c eb e r c a u s e d b ya t m o s p h e r i c t u r b u l e n c ea n dm o b i l e v i b r a t i o n t h r o u g h t h e m u l t i t r a n s m i t t e rr e d u c e sb e r ，t h er e c e i v e ra c c u r a t e l yr e c o v e r si n f o r m a t i o n t h e n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e ma n da n a l y z e st h es e l e c t e d c h i p s t h ea u t h o ra l s op r e s e n t sas o l u t i o no fe t h e r n e ta n dv i d e oa n da u d i od a t a m u l t i p l e x e ra d a p t e dt of s os y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h ec p l dd e s i g no ff s o t r a n s m i s s i o ns y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa n dp r o s p e c t st h ew h o l es y s t e m t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ef s o t r a n s r n i s s i o ns y s t e md i s c u s s e di nt h ep a p e ri s f e a s i b l e k e yw o r d s ：f r e es p a c eo p t i c a l ，d a t am u l t i p l e x e r , s p a c ed i v e r s i t yt e c h n o l o g y v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：幽 e l 期：壁堡呈：丝 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缓 导师签名：翅日期：童生呈：兰：乡 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市科委2 0 0 6 年度“登山行动计划”项目，研发基地配套 专项( 0 6 d z 2 2 0 0 6 ) 自动化港口运动无线光通信关键技术。 1 2 自由空间光通信系统概述 1 2 1 自由空间光通信概述 近年来，随着通信信息量的增大，扩充网络带宽资源，提高通信流量己成 为当前通信业务面对的重要课题。互联网的发展以及多媒体业务的不断涌现， 导致人们对网络的需求呈爆炸性增长。经过多年来的建设，骨干网已有足够的 容量来支持各种宽带业务，但是接入网的超大传输容量问题还需要进一步的解 决【l 】。当遇到“最后一公里 时，现有的接入网方式工程施工难度大，建设周 期长，费用高【2 】【3 1 。 自由空间光通信f s o ( f r e es p a c eo p t i c a l ) 又称为无线光通信，结合了光 纤通信与无线通信的优点，既具有通信容量大的优点，又不需要铺设光纤。它 以激光束作为信息载体，是不需要任何有线传输媒介的通信方式，可进行语音、 数据、视频、多媒体图像等信号的高速双向传送，用于空间及地面间通信。自 由空间光通信作为宽带接入手段能够实现各网之间的无缝连接，大大提高了网 络的运行效率，方便管理，降低成本。由于无线电频谱资源日益紧缺以及军事 领域的需求，西方发达国家都在开发新的通信频段，自由空间光通信是目前国 际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量人力和物力来争夺这 一领域的技术优势【4 1 。 自由空间光通信可以完成卫星对地面、卫星对卫星、地对地、飞机对飞机 以及飞机对地面之间的通信。f s o 网可以有3 种基本拓扑方式，即点到点、点 到多点( 星形) 和网状网，也可以把他们组合起来使用【5 1 。 上海大学硕士学位论文 1 2 2 自由空间光通信的优点和主要应用 相比于微波通信等其他通信方式，f s o 的主要优势是6 】： 1 无须授权执照 与微波技术相比，f s o 设备多采用红外光传输方式，有非常丰富的频谱资 源，可以工作在不受管制的光谱，所以无须申请频率执照和交纳频率占用费， 也不会与其他传输发生干扰，设备间无射频信号干扰。 2 安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好，激光光束的发散 角小，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截取，否则数据不易外 泄。因为它的波束很窄，是不可见的，所以很难窄空中发现一条业务链路。同 时，这些波束又是定向，是对准某一接收机的，如想截取，就需要有人用另一 部接收机在视距内对准发射机，还需要知道如何接收信号，这是很难做到的。 3 实施成本相对低廉 无须进行昂贵的的管道施工。如采用f s o 的网状结构配置，每大楼的成本 约为2 万美元，平均链路长度为5 5 m ，最长为2 0 0 m ，只需2 3 天就能安装完毕。 相反，如用光纤连接大楼，则每大楼需5 万2 0 万美元。通常需要4 , - - 1 2 个月才 能连通。因此，与光纤线路相比，f s o 系统不仅安装方便、建设迅速。而且成 本低，大约是光纤到大楼成本的1 1 0 至1 3 。 4 建网速度快 因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题，f s o 设备可以直接架设在 楼顶，甚至可在水域上部署，能完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成 的通信任务，施工周期以小时或天为计量单位，适合紧急情况下临时使用和复 杂地形中的紧急组网，对于重新撤换部署也很方便。 5 协议的透明性 以光为传输机制，任何传输协议均可容易的迭加上去，可以用在s d h 、 a t m 、以太网、快速以太网等常见的通信网络中，并可支持2 5 g b i t s 的传输速 率，适用于传输数据、声音和影像等信息。 6 设备尺寸小 由于光波波长短( 约零点几微米到几十微米) ，在同样功能的情况下，光收 2 上海大学硕士学位论文 发终端的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多，具有功耗小、体积小、 重量轻等特点。 7 信息容量大 理论上，无线光通信的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同。光纤通信中 的光信号在光纤介质中传输，而f s o 的光信号在空气介质中传输。目前无线光 通信系统一般使用1 5 5 0 n m 波长频段，传输速率可达1 0 g b i t s ，即可完成1 2 万 个话路，其传输距离可达5 k m 。 。随着大气通信技术的成熟，f s o 的应用将会越来越广阔，根据其特点，它 的应用主要包括有【7 】： ( 1 ) 构成星际之间的通信链路，用于卫星之间、卫星与地面之间的连接： 目前卫星通信所采用的微波通信将受到体积、重量、功耗等方面的严格限制不 能无限量地提高传输速率与容量。在卫星通信日益拥挤的今天，卫星间光通信 具有容量大、不需进行i t u 国际协调等优势，将成为重要的卫星通信手段之一。 如在1 9 9 5 年美国与日本所进行的联合试验中，实现了日本菊花6 卫星与美国大 气观测卫星相距3 9 0 0 0 k m 的双向光通信。 ( 2 ) 在地面岛屿与海岸之间、城市楼房之间、江河两岸之间等场合的通信， 也可用作接入网使用：随着人们对宽带多媒体业务的需求促使了整个通信网络 宽带化发展，光频是宽带信息的最理想载体，光纤通信的迅速发展已证明了这 一点。与光纤通信的应用领域有所不同，f s o 适用作宽带无线接入，解决“最 后一公里问题 。f s o 适合应用于下列场合【s 】： 1 在不具备有线接入条件或原带宽不足时提供高效的接入方案【9 】 无线光通信可以不必在城市内破路埋线而快速地在楼宇间实现宽带数字通 信，也可在不便铺设光缆地区、没有桥梁的大河两岸之间实现宽带数据通信传 输。在1 9 9 4 年，加里福尼亚的t h e r m o t r e x 公司，成功地进行了在相距4 2 k m ， 海拔高度为2 1 3 3 m 的两座山峰之间的传输实验，传输数速率为1 2 g b i t s 。 2 有效解决“最后一公里”问题 无线光通信可以解决各种业务接入的“最后一公里”问题，提高用户接入端 的传输容量和速度，能够较好地满足电信网、有线电视网和m 网三网合一对带 宽的要求。 上海大学硕士学位论文 3 力助局域网互联 f s o 提供了临近局域网之间互连互通的选择方案，不仅可以解决局域网内 用户接入的高速传输问题，还可方便地实现局域网之间的连接，形成更大范围 的城域网和广域网。 4 应急备用方案 无线光通信可以作为有线通信线路故障或紧急抢险时的应急备用链路，也 可作为大型临时活动的通信解决方案。 5 快速组建电信网络 对于新兴的电信网络运营商来说，无线光通信网络可以帮助其快速组建本 地网，以较少的资金、人力和时间完成城域网建设；对于传统的电信网络运营 商来讲，无线光通信网络系统可以作为其光缆传输系统的补充，用于不便铺设 光缆的区域。建设周期短、所需费用少，无线光通信网络系统可以实现先组网 后销售的商业模式。 1 2 3 自由空间光通信技术存在的不足 由于f s o 系统是利用光束信号通过大气空间来传送的，而信号在大气传递 中是不够稳定的，受外在条件影响难以保证可用性【4 1 。f s o 存在的主要问题有： ( 1 )大气介质对光信号的衰减 波长为8 5 0 纳米和1 5 5 0 纳米的光信号，主要的衰减来自雾。雾对红外光的 作用，类似于雨对微波造成的衰落。由于雾中水气微粒像棱镜一样会使光束信 号发散，使得传送的光线逐渐变弱。雾的浓度变化，对光线衰减的数值有很大 的关系，轻雾只有每公里5 0 分贝的损耗，浓雾时可高达每公里3 0 0 分贝。 因而要在系统传输的计算中，为光信号的衰减，留有足够的系统功率余度， 以便在出现浓雾的情况下，仍能接收到所需的光信号功率。 ( 2 ) 大气引起的漂移 实用的f s o 系统还需要保证收发两点之间，光信号良好的准直稳定，使发 送的光信号在接收端，光斑能够覆盖接收机望远镜，不会因为大气折射率的起 伏而漂离目标。 克服这个缺陷的常用方式：有意展宽发射光束、采用空间分集( m i m o ) 4 上海大学硕士学位论文 技术或者采用动态调节的跟踪( a t p ) 技术，不仅能应付大气引起的漂移，而 且当安装发送接收机的建筑物轻微摇摆时，还可以保持信号的稳定。 ( 3 ) 传输距离短 f s o 技术是一种视距技术，需要无遮挡的视距路径和足够的光发射功率才 能实现通信，而传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时 ( 一般为几公里) 波束就会变宽以致难以被接收机孔径正确接收。目前，大部 分测试表明，在1 公里以下才能获得最佳的效率和质量。 ( 4 ) 建筑物晃动影响两个点之间的激光对准 对f s o 来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准( 捕获) 和 保持( 跟踪) 至关重要。但在对准以后，在风力和其他因素的作用下，建筑物 会有些摇晃，这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪的能力。 ( 5 )激光信号对人体安全的威胁 激光信号对人体安全的威胁也一直受到关注。其中，主要是操作人员或偶 尔受到光信号照射的其他人员，是否会受到伤害。由于这类系统采用的，是毫 瓦级的小功率光源，其主要的危险是激光对肉眼造成的。 1 3 国内外研究现状 2 0 0 1 年2 月由美国的一些光无线设备制造商联合电信运营商，成立了空间 光通信联盟( f s oa l l i a n c e ) 。该组织的宗旨是推动光无线技术的应用，特别是 对用户和电信界宣传这种技术的发展前景，消除较普遍存在的误解。该组织已 举行多次会议，对促进光无线通信系统的大规模推广起到了积极的应用【4 】。 现在，一些大型的电信设备公司对光无线通信系统产生了极大的兴趣，如 美国的q w e s t 、英国的b t 、加拿大n t 等公司己开始试用这种系统。比较典 型的有t e r a b e a m 公司和a i r r i b e r 公司已将光无线通信应用于商业服务。 2 0 0 0 年悉尼奥运会上，t e r a b e a m 公司成功地使用光无线通信设备向客户提 供1 0 0 m b i t s 的数据连接。该公司计划在全美建设1 0 0 个光无线通信城市网络。 而a i r r i b e r 公司则在美国波士顿地区将光无线通信网与光纤s o n e t 网通过光节 点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。 在2 0 0 4 年c c b n 展会上，英国的c a b l e f r e e 公司展示了多款f s o 产品。 5 上海大学硕士学位论文 c a b l e f r e e 展示的产品包括a c c e s s 系列，c f 6 2 2 系列以及g i g a b i t 系列。其 中a c c e s s 系列是解决“最后一公里 无线宽带接入产品，提供高速数据传输 能力和电信部门的各种标准数据接口，包括光缆、双绞线、( 2 7 0 3e 1 e 2 e 3 及 s t m 1 等。产品系列支持距离为2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、4 0 0 0 米，支持速率 从2 m b i t s 1 5 5m b i t s 不等，可作为固定、移动、宽带运营商和专业数据通信运 营商的无线、微波、光缆网络的补充传输手段。 2 0 0 4 年9 月，英国若干大学，企业合作投资发展f s o 产品。主要利用中红 外v c s e l 激光器技术，自适应光学技术研究开发出1 0 g s 速率，几公里距离内 传输的f s o 系统。 在国内，2 0 0 4 年7 月，华为公司和l i g h t p o i n t e 公司宣布扩大双方的联合战 略伙伴协定。l i g h t p o i n t e 是f s o 技术的创始者和倡导者，自1 9 9 8 年公司成立 以来，已经在全球6 0 多个国家安装了2 0 0 0 余套系统，l i g h t p o i n t e 是全球公认 的无线光纤产品市场领导者，以及核心电信巨头的合作伙伴和强大的i p 类型应 用的推动者。华为公司是全球领先的光纤网络解决方案提供商。光无线通信技 术是对华为的光纤网络解决方案的有利补充，通过与l i g h t p o i n t e 的伙伴关系， 华为将向运营商和公司客户提供另一种方便、灵活的解决方案。 中国电子科技集团公司第3 4 研究所经过近几年的努力，已成功开发出了一 系列的f s o 设备，如：专用网接入系列、以太网专用系列、图像传输专用系列、 g s m 信号传输系列等，传输速率从2 m b i t s - - 2 5 g b i t s ，通信距离最远可达4 k m ， 工作波长有8 5 0 n m 和1 5 5 0 n m 。目前，3 4 所已完成1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 速率 的超长距离( 1 0 k m ) 带有自动跟踪瞄准系统( a u t o t r a c k i n g p o i n t i n gs y s t e m ) 的 大气光无线通信系统。 1 4 课题研究的目的和意义 f s o 作为新一代的传输方式，可以随时随地、快速有效地提供各种多媒体 业务的高速数据传输。采用点到点结构、点到多点结构、网状网结构，以无线 光通信传输方式提供多种业务。从f s o 的技术特点来看，其非常适合于高速接 入和传输、集成数据、音频、视频业务，以及x d s l 、l a n 宽带接入的扩展， 适用领域广。 6 上海大学硕士学位论文 同时，随着信息社会的发展，网络已越来越多地出现在人们的生活之中， 其最终目标都是给人类提供一个舒适、便捷、高效、安全的生活环境，尤其对 于城市里需要高速数据和因特网接入的用户而言，f s o 不失为一种经济有效的 选择。 本文的主要内容是大气光无线通信研究和移动f s o 系统信号传输的实现。 本课题针对自动化港口运动无线光通信关键技术项目，属于移动f s o 的范畴， 即在港口集装箱码头的吊车轨道上架设光通信系统，以实现图像、以太网等高 速互联。这主要是出于f s o 组网灵活性方面的考虑，尤其适合港口集装箱吊车 轨道这种不易铺设光纤的场合。 1 5 课题研究的主要工作和论文结构安排 1 5 1 课题研究的主要工作 本文作者在课题研究过程中的主要工作如下： 1 收集并阅读国内外关于f s o 系统的最新相关论文和资料。 2 在充分理解和掌握已有实现技术的基础上，分析大气信道对光通信链路的 影响，研究移动自由光通信系统实现的可行性。 3 提出了基于移动自由光通信的光发射方案，对f s o 系统的误码率进行了分 析计算，提出利用空间分集技术来降低误码率。 4 提出了基于c p l d 的f s o 系统数据复接分接方案实现f s o 收发系统的视 频信号、1 0 m b i t s 以太网信号及音频信号的全双工传输。 5 分析移动中震动对于光通信链路的影响，提出并实现了一种检测震动状态 的电路方案。 6 根据前述方案，设计并实现了基于f s o 的收发电路。并对设计的各个模块 分别进行了调试，使每个部分性能达到最优。最后，完成了系统互连及模 拟环境中系统性能的测试，并给出了进一步研究的建议。 1 5 2 论文结构安排 本论文的研究重点是自由空间光通信传输系统的设计和实现，详细介绍了 7 上海大学硕士学位论文 基于自由空间光通信传输系统的硬件实现和c p l d 设计，其次对自由空间光通 信传输系统的误码率作了分析计算。 第一章概述自由空间光通信传输系统的原理及其特点，提出了国内外研究 现状和课题研究的目的和意义。 第二章详细介绍了自由空间光通信传输系统的传输通路对光载波的影响， 首先分析了大气衰减的种类以及对传输信道的影响，其次分析了大气湍流的种 类以及对传输信道的影响。 第三章研究了影响移动自由空间光通信的因素，对实验数据分析后提出了 利用增加发射端的空间分集技术来改善信躁比，降低误码率的方法。分析了整 个移动自由空间光通信传输系统的设计方案，包括系统各个模块的设计原理与 实现功能，提出了一种用于移动自由空间光通信系统的数据复接分接方案。 第四章详细介绍了自由空间光通信传输系统方案的硬件设计与实现，并对 各个硬件模块的设计、实际的应用电路和芯片的重要引脚的连接方法等进行了 详细的阐述。 第五章对系统中的各个模块进行了分析及测试，介绍了整个系统的调试过 程。 第六章是论文的总结以及对未来工作的展望。 文章最后列举了作者在攻读硕士学位期间发表的论文以及本文的参考文 献。 本课题受“上海市科委重大攻关项目( 0 5 d z l 5 0 0 3 ) 、“上海市重点学科项 目( t 0 1 0 2 ) 基金项目资助。 8 上海大学硕士学位论文 第二章自由空间光通信信道研究 实现自由空间光通信的难点之一，就是传输通路对光载波的影响，影响的 本质是随机和时变的，因为涉及的大气信道是随机的，自由空间链路的功率预 算和系统性能很大一部分是由自由空间衰耗所定的，光束在传输过程中主要受 大气状况的影响，其中大气衰减和大气湍流的影响是不可避免的。 一般说来，影响激光信号传输性质的因素有如下几个【i o 】： 1 ) 激光传输路径上大气的特性，包括卣空气引起的吸收、反射、散射、闪 烁，以及密度与折射透性。 2 ) 激光束本身的性质，如波长、脉冲宽度、位相、光束的空间及时间分布 特性。 3 ) 大气吸收的动力学特性，这确定了吸收能量到加热大气所需要的时间。 因此大气对光传输的影响主要可以归结为气体分子及气溶胶的吸收效应、 通过混沌介质的散射效应和大气湍流效应。前两项主要造成光传输的功率损耗， 而大气湍流主要引起光强和相位的起伏【1 1 】。对于强激光，则还有热晕效应、大 气击穿和受激拉曼散射效应等。本节从发射分集的角度对大气信道进行讨论， 主要针对移动自由光通信进行单发单收，多发单收的研究，比较在一定的条件 下采用何种分集方法取得的效果更好。 大气是由大气分子、水蒸气及各种杂质微粒组成的混合物。主要的气体分 子有n 2 、0 2 、c 0 2 、h 2 0 及惰性气体心、n e 、k r 、x e 、r n 等。大气中的杂质 微粒成分复杂，形态各异，尺度分布很广，约在0 0 3 u m 2 0 0 0 u m 之间，一般将 杂质微粒分为固态粒子和液态粒子。主要的固态粒子有尘埃、烟雾、风沙及各 种工业污染物；液态粒子按其形态则有云、雾、雨、雪、冰晶、冰雹掣1 2 】。由 于温度差异、风等原因，大气中的分子、微粒处于不断的运动中，其组成、湿 度、密度等都在不断地变化，使得大气常处于湍流运动状态。大气性质对激光 束的传输有很大的影响，当激光通过大气时，这些物质对激光产生散射和吸收 作用，大气湍流和风又使大气的折射率不均匀，引起激光光斑的闪烁和漂移， 产生湍流效应。大气的散射、吸收和湍流影响统称大气效应，对自由空间光通 信的影响很大，特别是在强湍流影响下，光信号受到严重干扰甚至脱靶，造成 9 上海大学硕士学位论文 较大的误码率和通信中断，严重影响光通信稳定性和可靠性，尤其对远程和高 精度的应用更为突出。 2 1 大气衰减 激光在大气中传输受气候条件影响很大，即光在传输时强度衰减很快，这 主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的“散射 、“吸收 造成的。大 气中使光的性质受到影响的主要因素是二氧化碳、氧、烟、灰尘、水滴、冰粒 等。在较低的大气层中大部分水分以细水滴、雾和水蒸汽的形式集合起来的， 它占大气体积的4 ，使大气能见度变差，光的传播也受到天气的影响，特别 是雾对通信有极大的影响 1 3 】。 吸收是把辐射能变成其它形式能，而散射则会使传输方向发生偏离。当功 率为p 的单色光在大气中传播时，因吸收和散射而衰减。吸收和散射对辐射衰 减的相对值都与通过距离成正比，其传播特性可用布格尔一朗伯( b o u g n e r - - l 锄b e n ) 定律描斟1 4 】： d p - ( 2 - , x _ ) ：- i t ( 见) + ( 五) 出：七( 五) 出 ( 2 1 ) p t , t , x ) 式中，p ( a , x ) 代表光功率，( 旯) 、( 五) 和尼( 五) 分别代表大气对波长为五的 光的的吸收系数、散射系数和衰减系数，x 为传输距离。设p ( 五，0 ) 为通过大气 前的激光功率，p ( a , x ) 为通过x 路程后透射出的激光功率，则有： p ( 旯歹) = p ( 五，o ) e x p - k ( ；t ) x 】 于是，我们可以求出大气的透射率为： 嘶) = 怒百m n 毛叭舢州训j 2 1 1 大气分子的吸收 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 光波在大气中传播时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射 光的频率做受迫振动，光波为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大 气分子的吸收。大气分子吸收将辐射能量转换成大气分子的运动，当入射光的 1 0 上海大学硕士学位论文 频率等于大气分子固有吸收频率时则发生共振吸收，大气分子吸收出现极大值。 因此，分子的吸收特性强烈地依赖于光波的频率。 大气中在紫外、可见光及红外区域，对激光有吸收作用的主要气体是h 2 0 、 c 0 2 、0 2 及少量的c o 、c h 4 、n 2 0 等。气体分子的大量吸收谱线组成了吸收带 群，但在吸收带之间少数几个区域中存在相对透明的窗口，在这些窗口中辐射 透过率较高，吸收较弱，通常称大气窗口。 从理论上讲，如果知道分子的吸收谱线或吸收谱带的强度及位置，就可以 计算出激光通过大气信道传输后产生的光功率衰减。但实际上大气信道对激光 传输产生的光功率衰减并不容易计算，因为大气衰减系数七( 兄) 的值随激光的波 长、传输路径上大气的温度、压强、地理位置、海拔高度、季节、气象条件吸 收分子浓度等因素的变化而发生变化，具有较大的随机性。但是，由布格尔一 朗伯定律可知激光通过大气传输时光强度随传输距离的增加呈指数规律衰减。 5 0 4 5 图2 - 1 不同气候条件下的传输损柑1 2 】 光波在大气中的窗口一般有三个：8 5 0 n m ，1 3 0 0 n m ，1 5 5 0 n m ，这与光波在 光纤中的传输窗口基本一致。这说明无线光通信可以利用成熟的光纤通信系统 元件进行系统设计，包括：发射机光源，接收机的探测器，光纤放大器( 如果 采用光信号放大方案) 及相关的电子电路设计。同时，在一般情况下通信网络 的骨干网将主要采用光纤通信网，无线光通信主要用于宽带无线接入系统，传 输信号载体的相近性也可以简化系统设计，这对于光无线接入系统的商用推广 具有重要意义。 筋抛”m，o 蕾鬻凝窨卜肇嫌肇r譬鼍 上海大学硕士学位论文 2 1 2 大气分子的散射 激光光束在大气中传播时，除了受到选择性吸收以外，还会发生散射作用。 纯散射不引起激光光束总能量的损耗，但会改变激光光束能量原来的空间分布， 从而导致光在各个方向上的散射，所以经散射后，一部分光能量会向其他方向 传播，因而导致原来传播方向上激光光束能量的衰减。 被散射激光的波长与引起散射的粒子尺寸有关，可以将散射现象分为三类， 即瑞利( r a y l e i g h ) 散射、米氏( m i e ) 散射和无选择性散射。 1 大气分子的散射一瑞利散射 当散射颗粒的大小比辐射波长小得多时，会发生瑞利散射。由于大气分子 的直径很小，入射光波长总是远大于大气分子的直径，在这一条件下的散射是 分子散射，因此通常分子散射也称为瑞利散射。 由瑞利散射( r a y l e i g hs c a t t e r i n g ) 定律： 仃= 0 8 2 7 x n x a 3 2 4 ( 2 4 ) 式中o r 为瑞利散射系数( c m - 1 ) ；n 为散射粒子的浓度( e m 。3 ) ；a 为分子 的散射截面积( 锄? ) ；见为光波波长( 啪) 。由( 2 4 ) 得知：分子散射系数与 波长的四次方成反比，即波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故短 波激光光束( 如紫外线和可见光) 要比长波激光光束( 如红外光) 的散射强烈 的多。 2 大气粒子的散射一米氏散射和无选择性散射 大气中除了大气分子外，还有大量直径在0 0 3 u r n 到2 0 0 0 u m 之间的固态和 液态微粒，它们是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。其中大多数 固态微粒不但直接使大气浑浊( 称为霾) ，而且也是水蒸汽的凝结中心。这些直 径大于或等于入射光波长的粒子对光的散射则为粒子散射。由于这些微粒在大 气中的悬浮呈胶溶状态，通常称为大气气溶胶，所以粒子散射又成为气溶胶衰 减。 当粒子的尺寸和激光光束波长差不多时，产生的散射是米氏散射；而当粒 子尺寸比激光光束波长大得多时，则产生无选择性散射。 米氏散射的大小与被散射光波长的一次幂大致成反比，还与粒子大小的分 布、高度、距离及某些自然因素有关。 1 2 上海大学硕士学位论文 瑞利散射和米氏散射都具有波长选择性，波长越长散射越小。一般说来， 对于半径，0 3 u r n 的粒子，瑞利定律的误差1 ，当粒子半径，0 3 u m 时， 须采用米氏定律。 经过测量表明，气溶胶微粒对激光的瑞利散射作用可以不考虑，在低层大 气中，影响透射率的主要因素是大气的米氏散射作用【1 4 】。 2 1 3 大气衰减造成的影响 激光在大气中传输，大气的吸收使光能量随距离的增长而减小。大气散射 的影响一是减小传播方向的光能量，一是改变光斑光强分布，使光斑内部有明 暗之分。 研究表明，大气分子吸收在大气衰减中处于次要地位。如图2 2 ，大气对不 同波长的光束有着不同的透射率，且存在多个透射率1 0 0 的“通信窗口。只 要选择工作波长落在这些通信窗口之内，则可忽略大气吸收导致的功率衰减。 豢米囊泰晨意 图2 2 大气透射窗口【1 2 】 此外，由于瑞利散射系数和波长的四次方成反比，在近红外波段瑞利散射 系数很小，此外，低层大气的主导衰减仅是米氏散射。 因此，大气信道的衰减系数后( 旯) 可以写成： 坼，= 等 志r 亿5 ， 式中y 为能见度，单位k r n ，典型不同天气能见度如表2 - 1 所示；五为波长， 单位r l m ：g 是系数，与大气中粒子尺寸和密度分布有关，当有较高能见度 ( v 5 0 k m ) 时，g 为1 6 ，当能见度一般( 6 k i n v 5 0 k m ) 时，g 为1 3 ，当能 见度较低( v 6 k r n ) 时，g 为0 5 8 5 v 怕。技术上定义能见度为最初光功率衰减 到2 的距离，或者在白日水平天空背景下，可分辨足够大的绝对黑体( 目标物) 上海大学硕士学位论文 的最远视程。 表2 - 1 典型的不同天气时的大气衰减系数和能见度表【1 2 】 天气条件能贼 荔馨。 天气条件能见度 a 衰d 减b 系 k 数r f l l 重雾4 0 7 0 m3 9 2 2 2 0雾或霾2 - - 4 k m6 3 2 9 浓雾7 0 - - 2 5 0 m2 2 0 - 5 8轻霾4 1 0 k i n2 9 1 0 3 中雾2 5 0 - - 5 0 0 m 5 8 - 2 8 2 晴1 0 2 0 k m1 0 3 - 0 4 5 轻雾 5 0 0 - 1 0 0 0 m2 8 2 1 3 4 晴朗 2 0 - 5 0 k m0 4 5 - - 0 1 4 4 薄雾 1 - - 2 k m1 3 4 6 3 非常晴朗 5 0 15 0 k m0 1 4 4 - - 一0 0 3 在实际的光通信系统中，光信号经发射端发出后，穿过大气到达接收端， 接收机将它进行光电转换，放大整形等一系列过程后才由时钟提取判别电路将 信号还原，此外，接收端接收到的光信号除发射出的光还有外来辐射的光，因 此信号的还原不仅受到大气的影响还将受到接收机内部噪声及背景噪声影响， 从而在接收端解调出的电信号和发送端的电信号不完全一样，而是在其“正确 值”附近作无规则的起伏，大气衰减到一定程度会使接收辨别不清信号与噪声， 对系统的正确判别产生影响，因此我们不仅要考虑大气衰减造成的影响，还要 考虑接收机本机噪声和背景噪声的影响。 2 2 大气湍流 太阳的热核聚变能量以光辐射的形式转移给大气，驱动大气流动，大气分 布的不均匀性，海洋、山脉、等地形的不均匀性，对流和传导的复杂作用引起 大气密度的涨落。地球表面吸收入射太阳光后，温度升高，接近地面的大气层 受热膨胀，形成一密度较小的薄大气层，该大气层与周围冷空气相混而形成许 多密度不同的大气团，由于气团大小和密度均不相同，产生了大气温度的涨落， 也将导致大气密度的涨落。这种大气密度的涨落使得大气形成所谓“湍流 ，进 而将使激光在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响 ”】。 通常所考虑的湍流介质是由一块块孤立的小空气团组成，用表示空气团 的平均尺寸，厶与乇分别表示尺寸最大与最小的小气团，假设每一小气团的内 部是均匀的，但折射指数又与邻近小气团不同，l o 和乇满足： 厶( 兄) ，和t o ( 兄) ( 2 6 ) 大气湍流效应决定于光束直径d 和小气团尺寸l 的相对大小。当d l 时， 1 4 上海大学硕士学位论文 即激光光束直径远小于湍流尺度时，湍流的主要影响是使光束产生随机偏转， 发生光束漂移，导致激光偏离接收机孔径引起数据丢失；当d l 时，小气团 又像透镜一样，将光束部分或全部地聚集或发散，形成到达角起伏，光束截面 形成许多颗粒结构，产生像点抖动；当d l 时，激光光束截面内包含许多旋 涡，这些旋涡各自对照射它的那一部分光束起衍射作用，使光束的强度和相位 在空间和时间上出现随机变化，光束面积不断扩大，从而产生大气闪烁、相位 起伏、光束扩展现象。 大气湍流导致出现的光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移、光束弥 散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应，一般说来，大气湍 流对激光传输的影响，短波比长波敏感，波长愈长，影响愈小【l6 1 。 2 2 1 大气闪烁 大气闪烁又叫强度起伏，光波在湍流大气中传播时由于折射率的起伏使其 强度会发生起伏，即出现所谓的闪烁现象。其中大气闪烁使探测器上的光强忽 大忽小，闪烁变化范围太大，可能引起探测器瞬间饱和而造成误码，又可能某 一瞬间探测到的光功率大大低于探测器灵敏度而引起误码，实际上相当于在接 收机中引入了一个大的噪声源，光强的起伏不定给信号的正确还原造成干扰， 使通信质量下降，误码率上升【l 7 1 。 在大气条件较差及传输距离很长的情况下，高斯光束经大气传输的闪烁效 应最强，球面光束次之，平面光束最小；而在大气条件良好及传输距离很长的 情况下，平面光束经大气传输的闪烁效应最强，高斯光束次之，球面光束最小。 2 2 2 光束扩展 所谓光束扩展是指由散射引起的发散角扩展，使接收机处的空间功率密度 o p d ( o p t i c a lp o w e rd e n s i t y ) 降低，或者说接收到的光斑半径或面积的变化， 如图2 - 3 。 一个仅5 微弧度的( 即仅受衍射限制的) 理想光束，由于受湍流的影响， 发散角可能扩展1 5 0 微弧度，将严重降低发射机的有效天线增益【1 8 】。 1 5 上海大学硕士学位论文 2 2 3 光束漂移 图2 - 3 光束扩展示意图 际的光斑 想的光斑 由于大气湍流的干扰，当一束光在大气中传过一段距离后，在垂直其传输 方向的平面内光束其中心位置将作随机变化。 图2 4 光束漂移在接收平面形成的光斑 光束漂移主要起因于大尺度涡旋的折射作用。如图2 4 在接收平面上，取 一个足够短的观察时间，我们可以看到光斑被折射而随机偏离了接收孔径，如 果观察时间足够长，则由于光斑的随机游动，将观察到一个大光斑。 2 2 4 到达角起伏 激光在均匀介质中传播具有均匀波前，而在湍流大气中传播时则由于光束 截面内不同部分的大气折射率的起伏，将导致光束波前的不同部位具有不同的 相移，这些相移引起光束波阵面的畸变，从而导致光束波前到达角起伏，也导 致像心起伏，像点在成像平面内移动，在大多数情况下，光束到达角度偏离都 很小，像抖动可以忽略。弥补像心抖动的方法是采用更大的检测器面积，以增 加接收机视场，但此时却导致大量的背景光进入接收机内，强背景光容易引起 探测器的饱和，背景光电流引起的散弹噪声使探测器灵敏度降低。 1 6 上海大学硕士学位论文 2 2 5 热晕效应 大功率激光束在大气中传播时，还会伴随各种非线性效应的产生，热晕效 应即是其中之一。所谓热晕效应，是指大功率激光束在大气中传播时，激光束 路径上的大气分子或悬浮微粒将吸收部分激光能量而发热，且足以导致空气折 射率发生变化，从而使激光束发生附加的弯曲和畸变等现象，热晕效应也称为 热畸变效应。 理论上讲，只要大气对激光能