（光学工程专业论文）大气激光通信系统设计及其光学系统实验.pdf

中文摘要 大气激光通信是一种以激光为载波，大气信道为传输介质的无线通信方式， 具有低成本、安装快捷、安全性高等优点，其应用领域和市场前景非常广阔。本 课题的目的是改进设计一套低成本、高带宽的激光通信端机，它主要由光学系统， 收发电路以及对准、捕获和跟踪系统组成。 光学系统用来实现端机信号的空间传输，包括发射天线和接收天线两个部 分。发射天线使用伽利略望远镜，在压缩激光发散角的同时，减小了发射天线的 尺寸，从而简化了整个系统的大小。接收天线使用了开普勒望远镜，最大限度的 接收光信号，并将其压缩耦合至接收装最。 发射电路部分采用了新型的半导体垂直腔面激光器v c s e l 作为信号发射装 置，并选用了相应的驱动芯片实现电光转换。经过完善的电路设计可以实现芯片 对激光器发射功率的监控和调整以及适当的温度补偿。接收部分采用了高增益的 雪崩二极管a p d 作为微弱激光信号的接收器件，分析了a p d 的最佳倍增增益， 并针对a p d 的增益会发生温漂的现象设计了温度监测和反向电压偏置电路。 对准、捕获和跟踪系统是用来保证收发端机在工作过程中安全通信的关键装 置。它可以克服由于建筑物摆动或大气扰动等造成的收发端机间主光线的偏移而 产生的通信链路中断。该系统采用了位置敏感探测器p s d 作为位置误差信息的 获取装置，并采用了高反应速度、高分辨率的快速倾斜镜实时调整出射光束以重 新对准链路，连续传输信息。 论文的最后详细说明了光学系统的调试过程和调试结果，并对实验结果进行 了分析，论证了光学系统的可行性。 关键词：大气激光通信，垂直腔面激光器，高增益雪崩二极管，对准、捕获和 跟踪系统，快速倾斜镜，位置敏感探测器 a b s t r a c t a t m o s p h e r i c f r e e s p a c eo p t i c a ls y s t e m ( f s o ) i s a n e w - s t y l e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nd e v i c ew h i c ht r a n s m i t si n f o r m a t i o ni na t m o s p h e r eb yl a s e r t h e s y s t e mh a sw i d ea p p l y i n gf i e l da n dg o o de c o n o m i cb e n e f i tb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e o fl o wc o s t s ，h j i g hs e c r e c ya n dc o n v e n i e n ts e t t i n g t h eo b j e c t i v eo ft h i sp r o j e c ti s d e s i g n i n gah i g hb a n d w i d t hw i t i ll o wc o s tl a s e rc o m m u n i c a t i n gd e v i c e w h i c hi s c o n s i s to f o p t i c a ls y s t e m ，t r a n s m i t t a la n dr e c e i v e rm o d u l ea n dp o i n t i n g 、a c q u i r i n ga n d t r a c k i n gs y s t e m t h ef u n c t i o no fo p t i c a ls y s t e mi st r a n s f e r r i n gd a t ai na t m o s p h e r ea n di t i n c l u d e t r a n s m i t t i n ga e r i a la n dr e c e i v i n ga n t e n n a t h ef u n c t i o no f t r a n s m i t t i n gi sc o m p r e s s i n g d i v e r g e n c ea n g l ew i t hg a l i l e ot e l e s c o p e t h er e c e i v i n ga n t e n n ai su s e dt oc o l l e c tt h e w e a kl a s e rs i g n a t u r ea sm u c ha sp o s s i b l ea n dc o u p l et oa p d t h et r a n s m i t t a lm o d u l ec h o o s et h en e w e s ts t y l eo fv c s e ll a s e ra n dt h ed r i v i n g c h i pt oc o m p l e t eo p t i c a l e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n t h ep e r f e c t e dc i r c u i tc a l li n s p e c ta n d a d j u s tt h el a s e rp o w e rs ot h a tv c s e lc a nk e e pu n v a r y i n gp o w e ro u t p u t t h ea p d i s c h o s e na st h eo p t i c a lr e c e i v e r a n dt h ec o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e db a s i n go nt h e a n a l y s i s o ft h er e l a t i o nb e t w e e n s i g n a l t o - n o i s er a t i o ( s n r 、a n do p t i m a l m u l t i p l i c a t i o ng a i no fa p da n dt h er e l a t i o na m o n gt h et e m p e r a t u r eo fa p d 、a n d r e v e r s ev o l t a g ea n dt h eg a i n t h ep o i n t i n g 、a c q u i r i n ga n dt r a c k i n gs y s t e mi st h ek e ye q u i p m e n to ff s ow h i c h c a na s s u r et h ec o m m u n i c a t i o ns e c u r i t yd u r i n gw o r k i n gp e r i o d i tc a nr e d u c et h e p o s s i b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ni n t e r m i t t i n gb e c a u s eo fb u i l d i n gs w i n g i n ga n de x c u r s i o n o f o p t i c a lf l a t t h ep s d i sm a i np a r to f a na p p a r a t u st om e a s u r ee x c u r s i o ni n f o r m a t i o n a n ds u p p l yt h ef s mw h i c hh a sh i g hr e s p o n s es p e e da n dr e s o l v i n gp o w e rt oc h a n g e t h ed i r e c t i o no f l a s e rt r a n s m i t t i n g ，e n s u r i n gc o m m u n i c a t i o nc o n t i n u i t y i na d d i t i o n ，t h eo p t i c a ls y s t e mi sa d j u s t e da n dt h ee x p e r i m e n td a t ai sl i s t e da n d a n a l y z e d s ot h ef e a s i b i l i t yo f o p t i c a ls y s t e mi sa p p r o v e d k e yw o r d s ：f r e es p a c eo p t i c s ( f s o ) ，v c s e l ，a p d ，p o i n t i n g 、a c q u i r i n ga n d t r a c k i n g ( p a t ) s y s t e m ，f s m ，p s d i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的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。 学位论文作者签名：嬲签字日期：护占午f 月，牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名：；亮f i 节i 在 签字日期： 卯占年 j 月斗日签字日期：妒年，月7 中日 天津大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 本论文的研究目的 第一章绪论 自由空间光通信( f r e es p a c eo p t i c s ，简称f s o ) ，是以激光为载波、自由空间 为传输介质的通信技术，是光纤通信技术和无线通信技术的结合，利用光作为信 号载体，发送和接收声音、视频和数字信号，可有效解决目煎通信建设中最后一 公里宽带接入的问题和满足其它特殊环境和场合的需要，其传输速率理论上最高 可达1 0 g b s 或更高，具有非常广阔的市场| ； f 景和发展潜力。本课题力求研究出 一套低成本、高速率和较小外型尺寸的f s o 系统通信端机。 1 2 大气激光通信技术的发展历史 激光传输最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代，当时红宝石激光器的出现，大大 改善了大气激光通信系统的传输性能【l i 。 8 0 年代随着掺饵光纤放大器、波分复用、自适应光学等技术不断发展，无 线光通信在传输距离、可靠性、传输容量等方面有了较大改善，适用面也越来越 宽。 9 0 年代末，由于f s o 系统链路比挖掘城市街道、安装光纤线路快捷便宜的 多，吸引了电信业的目光。 2 0 0 0 年前后f s o 设备来到中国，从事该研究的主要是一些军方项目的研究 所。目前f s o 设备公司不断取得技术和商业上的进展，其最高传输速率已经达 到2 5 g ，传输距离达到4 公里。 1 3 大气激光通信技术的优势 天津人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 ) 带宽高 f s o 系统可提供与光纤系统相似的传送带宽。已商用的f s o 系统，容量从 2 m b p 卜2 5 g b p s 或更高，传输距离在2 - 4 公里之间。在点到多点的组网方式中， f s 0 同样能支持1 5 5 鼢i t s l o g b i t s 的传输速率，但传输距离为1 - 2 公里，如果 采用格形的组网方式。则可支持6 2 2 m b i t s 的传输速率，传输距离为2 0 0 - 4 0 0 米。 2 ) 无需申请频率 f s o 与大多数低频段电磁波不同的是，3 0 0 g h z 以上的电磁波频段的应用在 全球都不受限制，可以免费使用，故无需像无线电通讯( 如微波、l m d s ) 那样 申请频率许可证。唯一的要求是设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功 率上限( i e c 6 0 8 2 5 i 标准) 。 3 ) 安全保密性强 f s o 的波束很窄且是非可见光，即使在夜间也无法发现，因此无法探测到链 路的位置。不可能被窃听。另外f s o 波束是对准某一接收机定向发射的，定向 性好，很难被截获。即使被截取，由于链路被中断，也很容易发现，并且用户到 集线器之间的链路通常是加密的，因此相比无线传输系统要安全得多。尤其适用 于金融、法律、军事等保密要求高的部门。 4 ) 快速链路部署 f s o 不需要埋设光纤或等待各种手续上的问题，可以即时使用即时调试， 因此组网便捷迅速。通常只需一天或更短的时间便可完成安装、调试和使用，非 常适合临时、应急通信方面和临时性机动性高的场所。对于具有特殊地形地貌， 有线方式难以实现紧急组网和军事组网的地方同样适用。当链路需要添加其它节 点时，f s o 的网络结构主体无须改变，只需在相应节点处拆除接入即可，因此 易于扩容升级和增加用户的容量。1 。 勋协议透明 2 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 f s o 以光为传输媒介，任何传输协议都可以很容易地叠加上去。另外语音、 数据、图像等业务也可以做到透明传送。 6 ) 成本低 f s o 的起始投资低，运营费用低。f s o 的成本是光纤到楼的1 1 0 1 3 。无 线光接入传送每兆比特的价格只及与之最接近的微波无线接入的1 2 。加上其附 加投资不多，通信设施可以重复使用，以及不用频率申请使用费等，所以总的 费用大大降低。 1 4f s 0 与几种常用的接入技术的比较 当前有很多种接入技术可供选择，比如f s o 、光纤、d s l 以及l m d s 等。 其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设的较长周期及高额投资限制 了其普及，并且一旦用户离开，业务提供商想要收回投资就变得十分困难；l m d s 技术日渐成熟，它比f s o 的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资 ( 频谱许可证) ，对业务提供商而言，这种接入技术不如f s o 经济；铜缆是一种 易得的传输媒介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但由于d s l 的带宽太低， 使得这种基于铜缆的接入方式并不是解决“最后一公里”瓶颈问题的最可行的 解决方案：f s o 相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且 十分经济【3 1 4 1 。 图1 1 和表1 1 给出了几种常见接入方式在带宽、传输距离、成本和适用区 域等方面的比较。从中可以很直观的看到前面所提到的f s o 技术优势。 天津人学硕十学位论文 第一章绪论 图1 1 几种常用接入技术带宽和适用区域的比较 表1 - 1f s o 与光纤和微波技术的比较 接入方式各种性能光纤 微波 f s o 带宽1 g b s 以上较低1 0 0 m b ，s - 1 0 g b s 安全性安全不安全 安全 传输距离1 2 0 公里6 0 公里 4 公里 成本 1 0 2 0 万美元公里2 3 万美元套2 3 万美元套 建设速度4 - - 1 2 个月2 3 天2 3 天 市政许可要免免 频谱许可免要 免 便携性 困难一般方便 维护 复杂一般简便 1 5 大气激光通信技术需要解决的问题 1 ) 通信距离与信号传输之间的问题 f s o 是一种视距宽带通信技术，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波束就会变宽导致难以被接收点正确接收。目前，在l k m 以下才能获得最佳的效果和质量，最远只能达到4 k m ，多种因素影响其达不到 9 9 9 9 9 ( 5 个9 ) 的稳定性。 2 ) 天气影响 f s o 系统性能对天气非常敏感。晴天对f s o 传输质量的影响最小，而雨、 雪和雾对传输质量的影响则较大。据测试，f s o 受天气影响的衰减经验值分别 为：晴天5 - 1 5 d b k m ，雨2 0 5 0 d b k m ，雪5 0 1 5 0 d b k m ，雾5 0 3 0 0 d b k m 。国外 天津大学硕士学位论文第一章绪论 为解决这个难题，一般会采用更高功率的激光器二极管、更先进的光学器件和 多光束来解决。 3 ) 端机之间的对准 城市内建筑物的阻隔、晃动将影响两个点之间的激光对准。 4 ) 激光的安全问题 超过一定功率的激光可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的 能量伤害，所以产品要符合眼睛安全标准。 1 6 大气激光通信技术的主要应用领域 图l 一2 表示了目前f s o 系统的几种主要的应用范围，包括城域网的扩展、 企业和接入应用、光纤链路补充和d w d m 业务等方面【2 l 。 1 ) 城域网的扩展 图1 2 大气激光通信技术应用领域 f s o 可以用于扩展已有的城域网或者连到新的网络，这些链路通常不到达最 终用户，而是为网络核心服务。 2 ) 企业应用 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 f s o 的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业l a b l 到l a n 的 连接及校园网的连接。 3 ) 作为光纤的补充 目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的 安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择f s o 系统作为备份光纤 的冗余链路，以节省投资。 4 ) 接入应用 f s o 也可以用在接入网中，例如吉比特以太网接入。业务提供商可以使用 f s o 去旁路本地环路系统，或当作l m d s 或蜂窝网的回程链路。 5 ) d w d m 业务 想要构建属于自己的光纤网络的独立运营商，可以结合使用w d m 与f s o 来完成部分链路的传输，以节省光纤租赁费用。 1 7 国内外发展状况 1 7 1 国外发展现状 国外对自由空间光通信( f s o ) 领域的研究已经开始了将近1 0 年，但是f s o 产品真正投入使用只是最近几年的事情5 1 。在f s o 这个领域，国外几个大的厂家， 包括l i g h t p o i n t e 公司，a i r f i b e r 公司，c a n o n 公司，t e r a b e a m 公司等都在积极的 进行高性能产品的研发，并且一些技术较为成熟的产品已经商用。表1 2 列举了 几种国外较为成熟的f s o 产品，并列出了产品的带宽、通信距离和所使用的激 光器的波长p 1 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 国外几种较为成熟的f s o 产品 公司产旦带宽蛭葛渡长 a i r f i b e ro d t i | a 煳瞄黧啪m l02 _ 屯t i _ t b o t 4 i g r et i r r “n k1 0 1 5 5 挪o p s0 f t 池7 鼬4 日8 s o c n o “ d t 5 0 2 5 l 论2 | f b t 2o k r a7 自- c b l 钿h m 强光链髂2 1 5 疆b ，i 2 0 h ，0 i s 0 5 5 1 1s o i l b -l 翳、岔擅h p 40 k -1 5 5 0 m j 0 1 t璩脚1 5 5 辩b 2 8 圈h l i 吐悖o i n t *l 1 吐t - t r -2 0 b 2 2 誓b 9 s4 嘞_ l s p h o t o n i c s q w - c o l m t t ，_ 日i i -i 孽l # b 口l 3 o k *l j 眩2 b ，# ，n 3 t 0 _ 0 o r c c x l嘲m i r，1 5 5 0 - 蛐 r yd a t a天空蓉列2 7 皤h t60 l -t 5 0 、5 0 蛐 l n 一 s y s t e mh 篆刿 1 0 d 睛b d #2 铀7 8 嘶 s i l c 自由空阐装列l o 。l 鬟；h t l0 7 8 0 f - f i b 1 s # 0 p t i c 1 月 i 蚶曲_终l 岛t1 o l 瞳l 鹭；b 1 7 2 国内发展现状 就国内f s o 的发展来说，还基本在起步阶段【6 】。有几家研究所与公司由于跟 踪这项技术比较早，已经在实验室做出了自己的样机，但是还没有一家公司规模 性的来生产f s o 设备。这几家样机比较成熟的单位有：桂林三十四所，清华同 方有限公司，中科院成都光电技术研究所，深圳飞通有限公司，上海光机所等。 l 桂林三十四所主要进行军工产品的研究，就现在推出的大气激光通信机样 机也是在军品的基础上进行民用化改造完成的。三十四所早在1 9 9 7 年4 月曾派 员到俄罗斯，就激光大气通信技术及应用情况进行了实地考察。它的样机在2 0 0 1 年2 月由主管部门进行设计定型，现在已经有部分投入试用。它的产品的主要性 能参数有以下一些，传输速率：8 m b s ，3 4 m b s ，1 5 5 m b ，s ；工作波长：8 5 0 n r n ； 通信距离：l 4 k m ；光发射功率：小于4 0 r o w 。 2 清华同方在2 0 0 2 年9 月推出了面向未来的无线光链路的自由空间通信产 品o w l i n ke 1 0 0 。o w l i n ke 1 0 0 提供了可以无缝集成到已有以太网的1 0 1 0 0 m 以太网接口，其独特的快速追踪技术提供了网络的高链接余度，同时还遵循了严 格的一级激光眼睛安全标准。并且该产品的自动校准技术和简洁的设计使得安装 天津大学硕士学位论文第一章绪论 非常简单，用户可以通过s n m p h t r p 协议和友好的图形界面监控o w l i n ke 1 0 0 设备。针对由于自然原因导致的楼层扰动，清华同方获得专利的快速追踪系统具 有自动校准功能，能减少安装时间和费用，同时提供了在地震等异常情况时的恢 复速度，时刻保持点对点之间的高可靠性连接。 3 中科院成都光电技术研究所引进国外公司先进的激光器及其附属电路，利 用自己在光学器件上的优势，开发出了工作波长为8 5 0 n m ，可以传输l 公里、4 公里两种距离的两款产品。产品主要性能参数是，速率：1 0 m b s ：工作波长： 8 5 0 n m ；通信距离：l 4 k m ；光发射功率：3 3 0 m w 。 4 上海光机所承担的“无线激光通信系统”项目在2 0 0 3 年1 月1 3 日通过了 验收。该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能。其传输速率可以达到6 2 2 m b ，s ， 通信距离可以达到2 k m ，自动跟踪系统的跟踪精度为o 1 m r a d ，响应时间为o 2 s 。 自动跟踪系统采用双波长同光路接收镜筒和高灵敏度位敏探测器，实现灵敏的伺 服跟踪，并简化通信系统的机械结构，降低成本上具有自己的特色和创新，已申 请一项专利。 5 深圳飞通有限公司利用自身强大的光电器件的优势，开发出了光收发模块 加上e d f a 系统方式的样机，其速率有1 5 5 m b s ，6 2 2 m b s ，以及1 2 5 g b s 几种， 通信距离最远可达4 k m 。 1 8f s 0 的成功运用事例 到目前为止，f s o 已被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有 t e r a b e a m 、a i r f i b e r 和c a n o n 公司的产品。在悉尼奥运会上，t e r a b e a m 公司成功 地使用f s o 设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用f s o 设备向客户提供1 0 0 m b s 的数据连接。该公司还计划4 年内在全美建设1 0 0 个 f s o 城市网络。而a i r f i b e r 公司则在美国波士顿地区将f s o 通信网与光纤网 ( s o n e t ) 通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。2 0 0 3 年5 月，佳能美国公司宣布他们的多套自由空间光通信f s o 系统成功应用到美国纽 天津大学硕十学位论文第一章绪论 约州地方法院系统，并在9 1 l 恐怖袭击之后的重建工作中发挥了出色作用川 7 1 。 在国内，2 0 0 3 年3 月1 7 日上海铁通宣布已经采购至少5 0 套无线光通信设 备厂商t e r a b e a m 的f s o 系统。上海铁通最初的系统安装将从陆家嘴金融区开始， f s o 系统将服务陆家嘴的企业网以及为吉通、网通、联通等提供网络租借服务。 上海铁通表示采用t e r a b e a m 的设备将大大缩短他们提供服务的时间，有利于他 们获得新客户。2 0 0 3 年7 月1 5 日t e r a b e a m 公司在上海宣布中国长城宽带公司 将选择他们的设备建设1 5 个城市的宽带网络，长城宽带表示他们将在未来2 年 选用t e r a b e a m 2 5 0 套设备。目前t e r a b e a m 的设备已经在上海和重庆作为跨江的 通信设备投入应用。 1 9f s 0 研究的几个方向及发展趋势 f s o 技术原理比较简单，关键的闯题是如何提高传输的可靠性，使其尽量达 到电信运营商的要求。所以现在的研究方向是首先提高系统的可靠性，然后在此 基础上增加系统的传输速率、传输距离，从而找寻f s o 更多的使用领域；同时 研究f s o 的网络拓扑结构，以使得f s o 设备发挥最大得潜能。 1 ) 大气信道的研究 主要研究大气信道的空间损耗，不同气象条件下的传输衰减，大气闪烁，空 气散射，背景噪声等。其主要目的是准确掌握某地的气候等通信条件，同时找到 气象条件影响通信质量的规律，为通信的实现提供参考数据。 2 ) 传输可靠性的研究 这个方面的研究工作主要是在某地区一定通信条件下，采取必要的发射接收 技术来正确进行数据的传输。现在几个大的f s o 生产厂家都有自己的一些自己 的专利技术来解决这个问题。据统计，m r v 公司现在拥有最多的f s o 专利，达 1 6 项之多。现在电路部分的做法一般是采取大功率连续单纵模激光器加高灵敏 度s i 光电二极管来克服大气信道带来的衰减，减少误码。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 另外如l i g h t p o i n t e 公司，采用多光束( 四个) 发射技术，既可以克服气流 的影响，同时可以克服小鸟等引起的光路的突然割断。还有比较重要的一种技术 就是跟踪技术，这方面c a n n o n 公司是代表，它一般采用c c d 利用光强度或者 波形来自动定位、调整发射端的位置。同时有的公司也提出了采用微波，f s o 互 为备份的概念，不过价格过于昂贵。 3 ) 传输速率的提高 f s o 相对于其他接入设备最大的优势之一就是带宽。现在f s o 产品的速率 从2 m 开始，形成多个系列，比较典型的有l o m b s 、l o o m b s 、1 5 5 m b s 、6 2 2 m b s 。 有的公司采用波分复用( w d m ) 技术，速率可以达到2 5 g b s 、1 0 g b s 。 4 ) f s o 设备网络拓扑的研究 f s o 网可以有三种拓扑，即点到点、点到多点( 星型) 和网状网，也可以把 他们组合起来使用。目l j i 已使用的系统多采用点到点结构，其原因是大多数系统 只是用来连接企业内部的各幢大楼，作为高带宽的专线连接。网状结构的优点是 可以把业务集中到一点再接入核心网，效率较高、比较经济，并且可以提供几乎 实时的迂回选路，使服务得到保护。但缺点是能提供的带宽较少，可靠性差。网 状结构的优点是通过多个网络节点。 自由空间光通信技术自身的特点决定了在一定的环境下，它可以最大发挥自 身的优势。自由空间光通信的任务不是取代已经发展成熟的光纤通信和微波通 信，而是发挥自己特色，成为整个通信网络中的一个环节，与其他通信方式互相 补充、互相配合，发挥重要作用。 1 1 0 本文的主要工作 本文在实验室原有基础上改进了一套用于大气无线通信的端机系统，其子系 统包括光学系统、发射模块、接收模块以及对准、捕获和跟踪系统，具体工作如 下： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 优化设计了收发分离的光学子系统，并添加了对8 5 0 r i m 具有高反射率的反 射镜，其功能是在增强信号光强度的同时抑制其他波长光束，减少光嗓声。由于 更换了激光器的型号，其发散角产生变化，因此重新调整了光学系统的参数，以 满足原设计要求。根据光学系统的参数要求，设计了端机的机械安装图、收发天 线装配图和用于端机内部安装的机械支架图。 重新选择了作为信号发生装置的半导体激光器，并根据激光器的特性重新设 计了具有自动功率控制和温度补偿功能的驱动电路。另外出于实验需要设计了为 激光器提供直流偏置的恒流源。 改进了光信号接收电路，增加了单片机控制电路，其作用是按照a p d 工作 时的温度一增益曲线，控制a p d 两端的反相偏置电压，保持光信号接收机的增 益稳定。 改进了避免两端机在通信过程中发生不能正常对准或通信中断等现象的对 准、捕获和跟踪子系统( p o i n t i n g 、a c q u i r i n g 、t r a c k i n g ，简称p a t ) ，优化了压电 陶瓷微位移器的驱动电源。 最后采用可见光源与激光器相结合的方式完成了光学系统的实验，调试了发 射天线的发散角和接收天线的出瞳，并做了a p d 与p s d 的信号接收实验，验证 了其可行性。 天津大学硕十学位论文第二章f s o 系统总体设计 第二章f s o 系统总体设计 本文设计的f s o 系统用于大气信道中的激光无线通信，其主要内容如下。 2 1f s o 系统的设计目标 1 ) 两端机点对点的通信距离达到5 0 0 m ； 2 ) 激光束经发射天线后发散角全角不大于l m r d ； 3 ) 接收天线接收视场角为士l o ； 4 ) 发射模块实现通信速率为1 2 5 g b p s , 5 ) 接收模块能够有效放大经大气传输后的微弱光信号； 6 ) p a t 子系统能够根据接收天线的光能域值，自动调整对准方向，保证端机的 正常通信。 2 2f s o 系统的总体方案设计 系统的总体设计围绕着上面6 个目标进行，由编解码器、信号发射装置、 信号接收装置、光学收发系统和光束对准、跟踪系统组成。本文分析、优化和设 计了后面四部分子系统，并在本章中对部分核心器件作出了简要的介绍，各予系 统功能和器件的详细分析，将在后续章节展开。 警匣 匮野甲 l 光束列准、l 图2 1f s o 端机原理图 输出光信号 亡= 输入光信号 c = 天津大学硕十学位论文第二章f s o 系统总体设计 图2 1 为f s o 端机的原理框图，包括光学系统、信号发生装置、信号接收 装置和p a t 系统。 2 2 1 信号发射装置设计 信号发射装置包括激光器及其驱动电路，其中激光器是无线通信系统的核心 器件之一。为满足本课题的通信容量要求，选择了位于大气窗口中的 8 5 0 n m v c s e l 激光器，其输出功率为5 6 r o w t s l ，并设计了其驱动电路。 2 2 2 信号接收装置设计 信号接收装置包括光接收器件和信号处理电路。由于大气信道会造成非常大 的功率损耗，接收端得到的信号光往往非常微弱，与自然光相比甚至可以忽略， 所以本课题选择了高灵敏度高增益的s i a p d 作为光接收器件，并且为了减少自 然光的影响使用了与激光器中心波长相匹配的高透射率窄带滤光片，前者用来最 大限度的采集信号，后者用来将强大的噪声源过滤掉。考虑到a p d 在工作中随 着温度的上升会弓i 起增益的变化，设计了反压偏置电路，通过不断的调整光接收 器件两端的偏置电压来保持增益的恒定。 2 2 。3 光学子系统设计 光学系统分为发射天线和接收天线两个部分。发射天线主要起准直和扩束作 用：一方面用来压缩激光器的发散角，以保证光束的能量集中；另一方面将准直 光信号扩束，以保证足够的出射范围。接收天线采用了非成像的开普勒望远镜结 构，一方面避免了光束的会聚，另一方面最大可能的将接收到的光能量聚集起来， 传递给后面的信号接收装置。 2 2 4p a t 子系统设计 p a t 系统主要由位置敏感探测器及信号处理电路、高分辨率驱动电源、压电 天津大学硕十学位论文第二章f s o 系统总体设计 陶瓷微位移器和快速倾斜镜组成。它是保证点对点通信的两个端机在工作过程中 始终保持对准的关键设备。由于采用单一激光器作为信号源，因此如果激光器发 射方向发生大角度偏移时，势必造成通信中断。为了最大限度的保证系统通信的 可靠性和安全性，本课题设计了一套高精度、高反应速度的对准捕获装置，运用 高分辨率的位置敏感探测器作为角度偏移量的测量元件，实时处理位置信息，并 根据a p d 的信号光能量接收情况进行调整。另外通过微机控制高精度压电陶瓷 微位移器来控制快速倾斜镜的角度以调整光束的出射方向，从而保证通信过程中 端机保持对准。 2 3 端机内部框图和f $ 0 系统工作流程 端机的内部结构如图2 2 所示，其工作流程如下 - 划膏号 一 光僵等 图2 - 2f s o 端机内部结构示意图 信号经过调制编码后由激光器v c s e l 将电信号转变为光信号，经过发射天 线准直扩束发射出去。出射光束的角度可由快速倾斜镜( f s m ) 进行调整，以保 证通信过程中，两端机始终保持对准。接收天线用来接收对方端机发射的光信号， 会聚准直后，经过环型反射镜将信号分为两束。一束通过环型反射镜的中间通孔， 由光锥将信号耦合到光接收器件a p d 上，进行光电转换，再经信号提取和放大， 天津大学硕士学位论文 第二章f s o 系统总体设计 由微处理器控制，将信号输出。另一束由环型反射镜反射到会聚透镜上，将光信 号聚焦到空间位置敏感探测器( p s d ) 上。位置敏感探测器会将光斑位置信息， 传送给微处理器，微处理器会对比数据库中的信息判断两端机是否对准，如果没 有，则会控制压电陶瓷微位移器( p z t ) 调整f s m 的角度，用来保证链路的通 畅。 2 4f s 0 端机的安装设计 图2 - 3 为端机的内部安装图，激光器v c s e l 位于端机内的右上端，其发射 的光信号经过安装在端机最上端的发射天线出射。由发射镜1 将光路转折9 0 。 照射到p a t 装置的快速倾斜镜上( 反射镜2 ) ，再由快速倾斜镜经出射窗发送信 号，出射窗的中心应与快速倾斜镜的中心对准。接收信号时，激光信号经开普勒 望远镜进入端机，经环型反射镜分光，由处于反射镜后端的a p d 和位于端机最 下端的p s d 接收、处理信号，并进行激光信号和对准偏差信息的分析。 2 5 本章小结 图2 - 3 端机的内部安装图 本章提出了f s o 系统的参数要求，分析了整体设计方案，其内部予系统包 括光学系统、信号发生装置、信号接收装置和p a t 系统。简略讨论了各子系统 天津人学硕十学位论文第二章f s o 系统总体设计 的功能和器件组成，解释了系统的工作流程，并在最后设计了端机的内部安装方 案。 天津大学硕十学位论文 第三章f s o 系统的光学子系统设计 第三章f s o 系统的光学子系统设计 在大气激光通信系统中，光学系统是一个非常重要的部分，它将直接决定着 整个通信系统的性能，好的光学系统应能最大程度的减小激光束的发散角，减少 杂散光和反射光的干扰，减少光能的损失。如果发射天线能够最大倍率的压缩出 射角度，以保证光束准直出射；接收天线从自由空间接收到的光能辐射足够的多， 滤光片效果比较理想，光耦合系统的损耗又足够少。探测器就能接收到足够的信 息。 本课题的光学系统采用收发分离的方式，即发射天线和接收天线不在同一条 光轴上，彼此平行。这样傲可以避免收发一体光学系统中的偏光装置等，既简化 光学系统设计和调试的复杂性，又降低了加工成本【9 】。 3 1 几种常用的f s o 光学子系统设计方案比较 f s o 光学系统的作用表现在对激光信号进行准直、扩束和会聚，常用的有透 射式望远镜和反射式望远镜两种【l o l 。下面将就这两种类型望远镜的各种表现形式 进行详细比较。 3 1 1 透射式望远镜 透射式望远镜分为开普勒望远镜和伽利略望远镜两种，既可以做发射望远 镜，又可以做接收望远镜。 1 ) 开普勒望远镜 开普勒望远镜的内部结构如图3 1 所示，属于非成像系统，由具有正光焦度 的物镜和目镜组成，中间有聚焦点。实际应用中d , ：l 光阑可以去掉，这里用来得 到受高斯型光强分布影响很小的扩展光束。 天津人学硕士学位论文第三章f s o 系统的光学子系统设计 图3 1 开普勒望远镜 2 ) 伽利略望远镜 如图3 2 所示，伽利略望远镜由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成。其 优点是结构紧凑，轴向尺寸较小，负目镜可以对正物镜进行像差补偿。另外，由 于是无焦系统，可避免因正透镜会聚产生的强光效应对目镜的破坏，提高了能量 的利用率。 图3 2 加利略望远镜 透射式望远镜的优点是加工简单，能量利用率高；缺点是口径受制造工艺和 玻璃熔炼技术的限制，不能做的太大。此外大口径透镜由于自重的作用难以保证 装配后的面型精度。 3 1 2 反射式望远镜 反射式望远镜主要有牛顿系统、格里高利系统和卡塞格伦系统，大多用做激 光接收系统。 1 ) 牛顿系统 如图3 3 所示，牛顿系统由抛物面主镜、次镜( 与光轴成4 5 。夹角) 和使光线 平行出射的透镜构成。由于像平面被引出入射光路之外，所以便于在其上安置光 阑、滤光片和光电探测器等零件。牛顿系统球差很小，但彗差较严重。 天津大学硕士学位论文第三章f s o 系统的光学子系统设计 图3 - 3 牛顿系统 主 一 位 2 ) 格里高利系统 图3 4 为格里高利系统，它由抛物面主镜、椭球面次镜( 位于主镜焦点之外) 和透镜构成。抛物面主镜的焦点和椭球面次镜的一个焦点重合。次镜的物和像分 别位于椭球面的两个焦点上，因此整个系统没有球差。该系统的缺点是轴向尺寸 较大。 图3 4 格里高利系统 3 ) 卡塞格伦系统 卡赛格伦系统的结构如图3 5 所示，由抛物面主镜、双曲面次镜和透镜构成，。 抛物面主镜的焦点和双衄面次镜的虚焦点重合，因而系统没有球差。此外其优点 还包括：口径不受限制，可以做得较大；没有色差；适用波段广；采用非球面镜 结构后，增加了较大的消像差能力；系统结构简单，像质好。其缺点是：难以兼 得较大的视场和良好的像质，否则就要增加系统的筒长；当高斯光束入射时，尽 管次镜上的光斑为圆形( 基模高斯光束) 且强度成高斯分布，但由于遮挡比的存 在，激光束中心部分能量无法得到利用。 图3 - 5 卡塞格伦系统 天津大学硕士学位论文第三章f s o 系统的光学子系统设计 对于输入口径为魂的高斯光束，其中心口径为珐的那部分光束能量无法得到 利用。两者的关系为： 鲁= 鲁= l 鲁l = i 口i ( 3 - 1 ， 稿破l z i 。 式中唬为次镜的e l 径，磊为主镜的口径；正为次镜的焦距，彳为主镜的焦距： 口为遮挡比，则实际利用的光斑面积大小为整个光斑的1 1 2 2 ，而无法利用的部 分却是高斯光束能量最集中的部分，造成了很大的光能损失。图3 6 显示了高斯 光束透过的能量比率与孔径的关系，定义当透过的能量为总能量的9 9 时其孔径 为l 。由图3 6 可以看出：若系统的遮挡比为0 4 ，则有4 0 左右的能量被浪费，真 正得到利用的能量仅为总能量的6 0 。格里高利系统存在同样的问题，这种由两 个二次曲面镜组成的光学系统，都存在较大的能量损失。 譬 量 o 图3 - 6 高斯光束被遮挡能量比与遮挡比的关系 反射式望远镜的优点是反射镜的材料容易制造且望远镜的重量较轻，适合制 造大口径零件。其缺点是反射镜会对光程的影响加倍，因此其加工精度要求比折 射面高得多，面形误差对像质影响较大。 3 2 光学子系统改进设计 由于反射式望远镜结构复杂且面型的加工精度和加工成本较高，另夕 光能量 损失较多，所以本课题采用透射式系统作为光学天线。发射天线采用加利略望远 天津大学硕十学位论文第三章f s o 系统的光学子系统设计 镜，其优点是结构简单，轴向尺寸小可以减小整个装置的几何尺寸且目镜对物镜 具有像差校正的功能。接收天线采用了开普勒望远镜，其优点是光路为非成像系 统，设计时只考虑光信号接收能量的大小，对入射光的角度要求不高，降低了接 收天线的复杂性。本课题采用了功能强大的z e m a x 作为光学系统的设计软件。 3 2 1 光学设计软件z e m a x 介绍 z e m a x 是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，是目前应用最广泛 的光学设计软件之一。它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报 表整合在一起。z e m a x 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析 软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。常用的有三种版本： z e m a x s e ( 标准版本) ，z e m a x x e ( 扩展版本) 和z e m a x _ e e ( 工程版本) 。 本课题使用的是标准版本z e m a x s e 。 由于z e m a x 更多的应用于成像系统设计，而本课题只关注出射激光信号的 光斑能量分布，所以在设计中更多的是使用点列图来分析5 0 0 米处的光斑尺寸量 级和能量分布情况。另外由于像差会增加光学系统的几何衰减，所以也需要使用 全视场点列图来分析光斑的发散效果。 3 2 2 激光器的特性分析 发射天线的设计必须与选用的激光器相匹配，需要考虑的参数包括激光器的 出射光斑形状、发散角、发光面的形状和尺寸、激光的模式和激光的波长。本课 题选用的是国a x t 公司的垂直腔面激光器( v c s e l ) ，型号为v