（电路与系统专业论文）空间光通信系统中激光功率自适应控制的研究.pdf

墒尊 ，- - ，、 随着激光器技术和光电子器件技术的飞速发展，大气激光通信得到了越来越广泛 的应用，但是其受大气信道以及通信距离的影响比较严重，恒定的发射功率往往造成 光探测器的饱和或者通信中断。 本论文针对无线大气激光通信独特的信道特点，分析了影响通信信道的各种因素 ( 包括光端机因素和大气因素) ，并且讨论了各种因素与信道损耗之间的关系，给出无 线大气激光通信的信道模型。综合大气信道与通信距离等因素制定了功率自适应控制 的方案，采用a p d 检测接收功率，并通过广义预测自适应算法来计算控制量，用数 字电位器来调整驱动电流，使系统能够随着外界因素的变化自适应的调整发射功率， 以保证通信质量。经仿真证明，功率自适应控制器的设计合理可靠。 关键词：自适应控制空间激光通信激光功率m a t l a b 仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g ya n dp h o t o e l e c t r o nc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o nh a sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d i ti sg r e a t l ye f f e c t e db y a t m o s p h e r ec h a n n e la n dc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e f o ri tw i l lc a u s et h ep h o t o d e t e c t o r s a t u r a t e do rt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o ni ft h ep o w e ro fl a s e ri si n v a r i a b l e ，t h er e s e a r c h o na d a p t i v ep o w e rc o n t r o lf o rl a s e rh a sg r e a ti m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sa r t i c l e ，b a s e do nt h es p e c i a lc h a n n e lc h a r a c t e ro fs p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n ， a l lk i n d so ff a c t o r s ( 1 a s e rt e r m i n a lf a c t o r sa n da t m o s p h e r ef a c t o r s ) a f f e c t i n gt h e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la r ea n a l y z e da n dt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt h ec h a n n e ll o s sa n dt h e c o r r e s p o n d i n ga f f e c t i o nf a c t o r sa l ed i s c u s s e d a na d a p t i v ep o w e rc o n t r o lo fa t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g nh a sb e e n i n t r o d u c e d ，w h i c hc a na d j u s tt h el a s e rp o w e rf o l l o w i n gt h ev a r i a t i o no fw e a t h e rt oi n s u r et h e c o r t l m u n i c a t i o nq u a l i t y a f t e rt h ee x p e r i m e n t ，i th a sb e e n p r o v e dt h a t t h ea d a p t i v ep o w e rc o n t r o lo f a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e dr e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：a d a p t i v ec o n t r o l a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o n l a s e rp o w e r 队t l a bs i m u l a t i o n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，空间光通信系统中激光功率自适 应控制的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：绰幽年月旦同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：卑丛盟j 年月旦同 指导导师签名： 年土月球同 第一章绪论弗一旱殖记 8 0 年代以来，以信息技术、生物技术、新材料等高新技术为中心的新的技术革命 浪潮有力地冲击着全球，引起了经济、社会、文化、政治、军事等各方面的深刻变革。 而高技术及其产业已成为各国之间的竞争热点。实践证明，只有在高新技术上走在前 列，才能够使得经济上更加繁荣，政治上更加独立，战略上更加主动。因此，许多国家都 把发展高新技术列为国家发展战略的重要组成部分，不惜花费巨额投资，组织大量的人 力与物力。1 9 8 3 年美国提出的“战略防御倡议 ，随后出现的欧洲的“尤里卡计划， 当时的经互会成员国的“2 0 0 0 年科学技术进步综合纲要 和日本的“今后十年科学技 术振兴政策等，都是着眼于2 1 世纪的战略计划。这些计划的实施，对世界高技术大 发展产生了一定的影响和震动。 目前世界的局势错综复杂，我国作为社会主义大国要在世界上立于不败之地，必 须加快发展高新技术，尤其是在航天技术、信息技术、激光技术等领域，要跟踪国际 水平，缩小同国外的差距，并力争在我们有优势的领域有所突破，为我国的经济发展 和国防安全创造条件。 激光通信是利用激光光束作为信息载体来传递信息的一种通信方式，和传统的电 通信一样，激光通信可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。有线激光通信就 是近二、三十年来迅猛发展起来的以光导纤维作为传输介质的光纤通信，目前己成为 高速有线信息传输的骨干，具有了相当的规模，正在逐步取代传统的电缆通信。无线 激光通信也称自由空间激光通信，它不使用光纤等导波介质，直接利用激光在大气或 太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像的高速双向传送。 近年来，随着半导体技术和通信技术的发展，空间激光通信以其通信容量大、传 输速度高、频带宽、重量轻、功耗体积小、保密性高等优点，成为一种重要的通信方 式，得到越来越广泛的应用。 空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间，包括大气空间、低轨道、中 轨道、同步轨道、星际间、太空间的通信。 激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性 和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保 密性高、建造和维护经费低等优点。 1 、大通信容量：在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。因为光纤通 信技术每束波束光波的数据率可达2 0 g b s 以上，并且可采用波分复用技术使通信容 量上升几十倍。激光的频率比微波高3 4 个数量级，作为通信的载波有更大的利用频 带。 2 、低功耗：对于能源成本高昂的空间通信来说，尽量小的功耗是十分必要的。 激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机 的发射功率可大大降低，功耗相对较低。 3 、体积小、重量轻：空间激光通信的能量利用率很高，因此发射机及其供电系 统的重量较轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接 收望远镜的口径都可以减小。 4 、高度的保密性：激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常 在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。 5 、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经判。 无线大气激光通信也存在一些技术特性本身所决定的弱点： l 、瞄准困难。这是无线大气就光通信应用中最为明显的不足。激光在大气中传 输人眼看不见，这就使接收天线不易把我方位，瞄准困难。一般的无线大气激光通信 系统的发射天线都设在大楼上，大风或者轻微的地震都会使天线产生晃动，造成光路 的偏移，不易瞄准。 2 、不能越过障碍物，影响应用范围。由于激光不能穿过有形物体，例如建筑物、 树木等障碍物，所以无线大气激光通信要求在发射端和接收端之间不能有阻碍光路的 障碍物，否则会造成通信质量下降或者无法通信。 3 、在恶劣的环境下适应能力差，通信距离有限。由于激光具有光的直线传播的 特性，因此无线大气激光通信只能在视距范围内实现，通信距离不如传统的微波无线 通信。大气空间激光通信的通信质量和通信距离受大气信道的影响严重，大气衰减和 大气湍流是影响通信质量的主要因素，通常晴天对自由空间光通信( 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。 人们往往采用增大激光发射功率来克服恶劣天气，但是在晴朗天气下激光器恒定 的输出功率太高往往造成能源浪费和光探测器的饱和，太低又容易在天气状况不好时 造成通信质量下降甚至通信中断。而通信距离和光端机性能也对通信质量有很大影 向。 1 1 课题研究的目的和意义 随着信息化社会的到来，空间激光通信作为一种崭新的通信技术正在悄然兴起。 空间光通信是指利用在空间传输的激光束作为信息载体实现两个或多个应用目标之 间的数据通信。 与卫星光通信相比，大气激光通信具有特殊性：这就是大气激光通信受大气气象 的影响比较严重。因此了解大气信道对激光通信的影响，提高激光发射、接收系统的 性能，对设计高质量的大气激光通信系统具有十分重要的意义。 由于大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃，烟雾等，以及刮风、下雨、下 雪等天气变化，使部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量，部分能量被散射 而偏离原来的传播方向。大气的衰减使激光信号严重减弱，例如，对于0 8 3 u m 的激 光，在中等能见度的晴天，大气引起的衰减达0 7 d b k m ，而一般阴霾天气，为3 2 5 d b k r n ，在浓雾和浓云中，0 8 3 u m 的激光的衰减可达l o o d b k m 以上。除此之外，大 气激光通信的接收功率还受通信距离和光端机因素的影响，这严重影响了通信质量甚 至造成通信中断。 增大激光发射功率是克服恶劣天气减小大气衰减的有效办法之一。但是如果功率 恒定的在较大值，当天气晴朗信道损耗降低时，有可能使光探测器饱和，不仅造成能 源浪费，影响系统的使用寿命，也影响捕获、追踪的效果。而如果功率恒定在较小值， 当天气恶劣时又容易造成通信质量的下降甚至通信中断。 因此f s o ( f r e es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) 要适应变化较大的天气情况，需要 增加自适应功率调整系统。根据天气状况的变化和信道损耗大小，自适应调整发射功 率，天气晴朗时选择较小的激光功率，天气恶劣时根据信道衰减情况适当的增大功率， 达到提高通信质量和通信距离的目的，并且能够节约能量，提高系统使用寿命，尤其 是对能源受限的便携性的设备尤为重要。 1 2 国内外研究的现状 空间光通信曾掀起研究的热潮，但由于光纤通信的迅速发展以及大气光通信受到 天气的严重影响，使得辉煌一时的空间光通信研究陷入低谷。但近年来随着高灵敏度 和高数据率接收器、对超稳激光器和适合空间应用的先进通信电子设备的研究技术成 熟，空间光通信再次成为下一代光通信的发展方向之一。在过去1 0 年内，世界各发 达国家广泛的对卫星轨道之间、空对地、地对空、地对地等各种形式光通信系统的进 行了研究，一些先进国家已经推出空间光通信的一些产品，如日本佳能公司的无线光 通信系统，美国朗讯的2 5 x 4 g b p s 波分复用系统等。我国通信事业也迅速的发展起来， 并对空间光通信提出了新的要求。 大气衰减和闪烁是影响无线光通信最大的因素，特别是雨、雾、雪等恶劣天气的 影响更大。通常采用增大发射功率、增大发射口径以及采用毫米波通信作为备份手段 等办法来减轻天气对通信的影响。研究表明，雾是制约大气激光通信距离的最大影响因 素，而毫米波在雾中的具有很好的穿透能力。因此配合毫米波通信备份手段，就能推出 适应全天候工作的大气激光通信系统。 国外针对大气传输特性己作了许多研究，已取得重大进展，所推出的产品声称具 有全天候通信能力。a i rf i b e r 公司曾推出了基于h f r ( h y b r i df r e es p a c eo p t i c r a d i o ) 系统的无线激光通信产品a i r f i b e r 5 8 0 0 ，该产品集成了7 8 5 n m 激光通信与6 0 g h z 毫米 波通信的工作方式，最大传输速率为1 2 5 g b s ，输出功率为1 2 5 d b m ，b e r 达到1 0 。1 2 ，而 早期只有光纤传输才能达到这个值。还有t e r r a l i n k 8 1 5 5 产品在晴朗天气下，能见度 为2 0 公里时，有效通信距离为8 公里，即使在浓雾情况下，能见度为5 0 米，有效通 信距离也能达到1 4 0 米。在雾、雪、雨中，三者对大气衰减和闪烁的影响依次递减， 中雪或者中雨的天气，有效通信距离可达3 5 公里。在5 公里以下，有效通信距离超 过能见度，也就是说，只要能看见对方，即可通信。 3 而自适应控制技术已经在空间光通信中得到越来越多的应用，国外的城市光无线 通信u o w c ( u r b a no p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 中，为了解决天气的影响和建筑物摆 动的影响采用了自适应激光阵列发射机和自适应视角接收机以及自适应均衡技术。大 楼摆动所带来的对不准的问题可以利用多激光发射机或者自适应发散波束有效地解 决；而散射问题也可以使用自适应f o v ( f i e l d so f v i e w ) 接收机和均衡器有效地解决。 国内外有效地采用了自适应光学技术以解决大气信道传输特性随机变化时对通 信造成的不利影响，自适应光学技术即指实时控制光束波前，纠正波前误差以保持光 学系统的良好性能的技术，自适应光学系统由三部分组成：波前误差传感器，能实时 测量波前误差并把检测到的波前误差信息传送给控制系统；控制系统，其核心是一台 高速大容量的计算机，用于对波前误差信息进行处理，并转换为波前校正器的控制信 号；波前校正器，接收来自控制系统的控制信号，从而在光路中改变波前形状，校正 波前误差，输出为校正后的光束波前。 自适应在光通信中激光器功率控制方面的应用国外已经出现，如美国麻省理工的 林肯实验室，麻省理工的林肯实验室是n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) 研究空间光通信技术的重要机构。美国空军支持林肯实验室建起了高 速星间激光通信实验装置l i t e ( l a s e ri n t e rs a t e l l i t et r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ) 。林肯实 验室研究了各种相干通信方案集在l e o ( 1 0 we a r t ho r b i t ) 星间平台振动条件下的信噪 比、误码率等通信性能，并提出了发射功率自适应技术方案，其实验装置通信距离 3 0 0 0 k r n ，误码率1 0 e 6 码速率2 g b s 引。 还有一种针对卫星与地面激光通信信道的衰减自适应功率控制算法。自适应功率 是一种有利的工具提高卫星激光功率增益。这种控制算法采用离散的激光传输强度， 由一种新颖的递归技术来确定理想激光传输强度，因此激光传输的功率根据即时信道 衰减引起的信噪比直接变化自适应调整，这种针对任意信道衰减规律的算法首次被研 究，结果显示能量增益提高了1 0 d b l 3 1 。 目前国内在空间光通信方面的自适应应用主要是自适应光学技术及自适应编码 技术等，而对于激光器功率的自适应控制尚未有研究。因此本论文拟将自适应控制技 术应用于空间光通信中的激光器功率控制。 1 3 论文研究的意义及主要内容 目前大气激光通信技术不论是在军事领域，还是在社会生活中正发挥着越来越重 要的作用，已经成为信息技术不可缺少的一部分。大气激光通信的实现，有一个很重 要的制约因素激光的大气传输特性特别差。地球大气气象条件对激光的传输影响特 别严重，这将导致接收端接收到的信号变的微弱，甚至中断通信。因此要采用功率自 适应控制来根据天气情况和信道衰减状况来调整功率，有着非常重要的意义。 本论文将研究自适应功率控制对提高大气激光通信系统性能的作用。 主要研究内容： 4 1 分析大气信道。 ( 1 )分析大气的吸收和散射以及大气湍流对空间激光传输的影响； ( 2 )分析光端机性能参数以及其对激光功率的影响； ( 3 )对大气信道进行建模。 2 选择合适的自适应控制算法，实现自适应控制的软硬件设计。 ( 1 ) 采用最d - 乘递推辨识方法对系统进行辨识； ( 2 ) 采用广义预测控制算法实现自适应控制； ( 3 ) 研究自适应控制器硬件设计。 3 用m a t l a b 对所辨识系统进行仿真。 本文共分为五章，其内容安排如下： 第一章绪论。首先介绍了本课题的研究背景和意义。接着叙述了国内外关于空 间激光通信中激光器功率控制的研究现状和存在的问题，简单介绍了目前存在的一些 自适应算法在空间光通信中的应用，并叙述了本文的主要研究内容。 第二章激光大气通信系统的研究。本章主要对空间激光通信中大气通信环境进 行了研究，分析了大气通信信道对激光传输的影响以及光端机的性能对激光功率的损 耗，并对大气通信信道进行数学建模。 第三章自适应控制器的设计。本章介绍了广义预测控制控* j j ( g p c ) 的基本形式、 参数选择原则，通过对系统的分析，选择最小二乘法对系统进行辨识，采用广义预测 控制率来实现功率自适应控制，并给出了设计步骤和控制流程图。 第四章自适应控制器硬件设计思想。本章介绍了自适应控制器的硬件设计思想， 其中包括功率检测部分，数据采集与控制电路部分和功率电平控制电路部分。其中详 细介绍了关于电路设计中器件的选取，为接下来的仿真试验奠定了试验基础。 第五章仿真实验与仿真结果。本章结合课题要求，提出了针对激光功率控制的 广义预测控制方法，并对自适应控制算法进行了m a t l a b 仿真，分析仿真结果。通过 仿真得到良好的结果之后，需要将仿真结果与参数应用到实际的课题中去。 5 第二章激光大气通信系统的研究 大气是由大气分子、水蒸气及气溶胶微粒组合而成。主要的气体分子有n 2 、0 2 、 c 0 2 、h 2 0 、c o 、0 2 及惰性气体a r 、n e 、k r 、x e 、r n 等。大气中的气溶胶微粒成分 复杂，形态各异，尺度分布很广，约0 0 3 - - - 2 0 0 0 t m 之间，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滴、 雾滴、雨滴、冰晶、雪花、冰雹等。这些大气的各种成分将对激光束进行吸收和散射， 造成衰减。同时，由于大气部分存在温度的差异、风等原因，使得大气处于不均匀和 不稳定的状态，这就是大气湍流。大气湍流使得整个传输媒质处于不均匀与不稳定的 状态，是造成信号起伏衰落的主要因素。这些统称大气效应，对无线光通信的影响很 大，特别是对远程和高精度的应用更为突出。因此，了解和掌握大气效应的某些规律 就显得十分必要。 2 1 大气信道对激光传输的衰减 2 1 1 大气的吸收和散射 1 、大气的散射 大气微粒的直径分布很宽，从1 0 4 u m 到数十微米。对光传输影响最大的是直径 从0 1 u m 到1 0 u m 的微粒。对气溶胶粒子的研究表明，气溶胶粒子对光信号的吸收作 用不是很明显，这是因为气溶胶粒子的直径较大，对光的吸收较弱，而更趋于反射和 散射光。大气散射分为大气分子对光的r a y l e i g h 散射和诸如小雨、雾滴、霆等球形粒 子或类球形粒子对激光信号的m e i 散射。当光的波长远大于散射粒子尺寸时，产生 r a y l e i g h 散射；当激光波长与粒子尺寸可比拟时产生m i e 散射。因此，m i e 散射理论实 际是对气溶胶散射的一种较好的近似。 r a y l e i g h 散射一般发生在高层大气中，其具有以下几个特征：( 1 ) 散射光的强度和 波长的4 次方成反比，因此激光波长越短散射效应越强。( 2 ) 散射光强呈对称分布，在 散射的前半球和后半球具有相同的散射强度；( 3 ) 散射光一般都是部分偏振的，其中 9 0 0 方向的散射光几乎是全偏振的。 大气分子造成的散射遵循瑞利散射理论，散射系数： 耻篙蒜 其中a 为波长。由此可知在近红外的情况下，由大气气体分子造成的瑞利散射是 很小的。 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。 6 2 、大气的吸收 对可见光和红外光来说，分子的散射作用很小，但是分子的吸收效应对任意光波 段都是不可忽略的。图2 1 是地球表面大气对太阳辐射的吸收情况。 气溶胶粒子的吸收作用不明显，可以忽略不计。大气中的水分子、二氧化碳分子、 臭氧分子及氧气分子是形成大气吸收的主要成份。这些气体分子的电子吸收带在紫外 波段且较弱，而它们的振一转吸收光谱在红外波段且较强。气体分子的大量吸收谱线 组成了谱带群，对光辐射产生连续的吸收，仅在少数几个波长区吸收较弱，形成所谓 的“大气窗口”，由图可见大气对各波段的吸收不同，最重要的大气窗口有：可见光波段， 3 - - 一5 u m 波段和8 - 1 3 u m 波段由于大气激光通信所采用的激光波长多为近红外，因此 在选择通信波长的时候要使用吸收带以外的波段。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。 1 0 0 透8 0 射c n 酉叫 分4 0 卜 ， 2 0 o i i 大气窗l j i i i i vvi i i i i _ + ， ， l 一 i ： l l i 干 ： ： i 0 7 2 0 9 4 1 1 31 3 81 9 02 74 36 01 5 0 图2 1 大气透过率示意图 3 、大气的吸收和散射的共同影响 大气的吸收和散射的共同影响表现为大气衰减，用大气透射率来度量，通过上面 的研究，可以根据b e e r 定律给出大气透过率的表达式： 一( am + 卢t ) l z=e 由此可得大气透过率损耗为： 口大气一一1 0 1 9 0 = 一1 0 1 9 e 一似n + 凡l ( d b ) 其中口。为大气分子吸收系数，卢。为溶胶粒子散射系数。 能见度是大气对可见光衰减作用的一种度量，在白天是指以水平天空为背景下人 眼能看见的最远距离，在夜间指能看见中等强度的未聚焦光源的距离表2 1 是一个典 型的不同天气时的综合衰减系数和能见度表大气对激光强度的衰减程度，据统计，传 输损耗对雨是3 - - 一8 d b k m ，对雾是3 1 0 d b k m ，对雪是3 - - 一，2 0 d b k m 。不同波长的激 7 r：、；1。 。u 光在大气中的吸收衰减也不同。对于地面大气中传输的通信系统，信道衰减直接受环 境因素的影响，不同天气综合衰减因子a 的值差别很大【4 j 。 表2 1 典型的不同天气时的综合衰减系数和能见度表 2 1 2 大气湍流效应 在前面分析中，我们对于大气状况的讨论是基于大气折射率均匀分布，且大气相 对静止。实际上，大气中存在着气流的扰动，我们称之为大气湍流( a t m o s p h e r i c t u r b u l e n c e ) 。 大气湍流是指风速和风向经常改变的不规则的空气运动，其重要性在于它能使大 气搅动并混合，并使水汽、烟、其他物质以及能量分布在所有的高度上。大气湍流产 生的原因是因为由于地表温度或者天气的不同造成大气不同部分的温度不同，从而形 成了大气的流动。近地表面附近的大气湍流与高空的大气湍流不同。在近地面数百米 的范围内，由于太阳辐射作用湍流有明显的日变化，在中午前后达到最大值。当太阳 辐射使地表面变热，地表面又使空气增温，暖而轻的空气上升，代之的是冷而重的空 气下降。空气的这种运动加上地面障碍物周围的扰动使低层风变得极不规则。夜间， 地面迅速冷却，靠近地面的空气变冷；当地面的空气变得比它上面的空气更冷时，便 形成稳定的逆温。在这样的情况下，风速和阵风性都急剧减小。阴天，低层空气的温 度从白天到夜间变化很小，湍流近乎保持不变。数千公尺高度以上，地形对风的摩擦 效应大大减小，低层大气所特有的那种小尺度湍流就不存在。由于无线大气激光通信 系统的使用场合是在离地面几百米的范围之内，所以是受低层大气湍流的影响，大气 活动更加的频繁和琐碎，无规律性也就更加显著。 8 大气湍流会造成局部大气折射率的随机变化，从而使接收端的光强产生随机起 伏。而由大气湍流引起的信号的随机起伏称它为信号的衰落，由于湍流的作用，造成 无线大气激光通信的信道媒质的某些特性随时间变化，使整个信道成为随机信道。 2 2 光端机性能参数分析 光端机的影响因素主要包括发射光端机的光源功率和出射光的发散角，接收光端 机的接收透镜孔径和光探测器的灵敏度。 首先我们看一下发射光端机的影响。光源发射的光功率越大，通信距离越长，通 信质量也就越好。但是，大功率的半导体激光器目前的价格昂贵且稳定性差，基于降 低成本和提高系统稳定性的考虑，单个半导体激光器的功率不宜过大，一般在 1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 以内。为了进一步提高系统的发射功率，目前有两种方案：其一，在 较小功率的半导体激光器后面加光纤放大器，经过光纤放大器增益以后形成大功率的 激光；其二，将多个较小功率的激光器排列成激光发射阵列，将激光器阵列发射的激 光汇聚后作为出射光。另外，出射光的发散角越小，激光的能量越集中，在相同的接 收端光学系统透镜口径下，经过长距离传输造成的光束扩展损耗即几何损耗就越小。 因此可以说发散角越小越好。但是还有一点需要注意，经发射光天线出射的激光光束 的发散角不能过小，如果发散角过小，会使接收端的光斑尺寸过小，从而使系统不易 对准且稳定性差。 我们再看一下接收光端机的影响。接收透镜的孔径越大，接收到的激光能量就越 集中，通信质量越好。但是，接收天线透镜的孔径太大将导致整个接收光端机尺寸的 变大，系统将变得庞大笨重。另外，大尺寸透镜的制作成本也十分昂贵。因此从系统 结构大小和系统成本方面考虑，接收天线的孔径不宜太大，常用的接收光天线的尺寸 一般在1 0 c m - - 2 0 c m 左右。光电探测器的灵敏度越高，通信距离就越长，通信质量也 就越好。但是，我们也必须注意到光电探测器的所能探测到的最高信号频率和探测器 的几何尺寸是成反比关系，也就是说，所能探测的最高信号频率越大，探测器的几何 尺寸就越小，反之亦然。因此，如果只追求高的灵敏度，那么随着探测器几何尺寸的 减小，对接收光学系统的要求也就越高，使系统趋于复杂，而且探测速率高的探测器 价格也高。因此我们应该根据所建系统的实际要求来选择探测器。如果在通信速率要 求不高的情况下，就可以选择几何尺寸较大、探测速率较低的探测器，这样不仅可以 节约成本，而且可以降低系统的复杂程度。 通过对以上诸多因素的分析，我们可以看出发射光束的发散角和接收端透镜孑l 径 的大小会对通信过程造成损耗，从而对大气通信造成影响。我们把这种由光束或者接 收透镜的几何尺寸造成的损耗称之为光束扩展损耗( 几何损耗) 。而发射端的半导体激 光器发射功率和接收端的光探测器灵敏度也可以直接影响通信距离，同样对信道造成 了影响。下面我们就进一步分析光束发散角、接受透镜孔径、通信距离和损耗之间的 关系。 ， 9 盹驴叫一斟】 仁1 ， 其中r 为截面一点到中心光轴的距离，( l ) 为光束的截面半径。当激光从振荡腔 出来以后，激光沿直线传播。设经准直后的发散角为0 ，那么 缈( ) = l t g 口- ， ( 2 2 ) 由于0 值通常很小，一般在零点几到几个毫弧度。那么可以简写为： ( ) ，三昙 ( 2 3 ) 又假设接收端处于光斑的中心，那么接收功率占总光斑功率的比为： 口扩一一l o l gy ，口) 一一l o l g p + ：( 吉) 2 1 e 一1 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 扩展损耗是大气激光通信的主要损耗之一，发散角越大损耗越大，但综合系统对 准和稳定的要求，一般把发散角悬在2 m r a d 左右。接收孔径越大损耗也越大，但在相 同的传输距离下，当接收孔径超过1 0 c m 时，由接收孔径大小造成的损耗差别很小， 并且随着距离的增加这种差别会更小，因此综合损耗因素和系统体积因素，接收孔径 一般在1 0 c m - - 一1 5 c m 左右。 实际上，光端机光学系统的透过率也是造成损耗的因素之一。设发射光天线的透 过率为z 发射，接收光天线的透过率为f 接收，那么由这两者造成的损减常数分别为 a 发射一- l o l 9 1 ：发射，a 接收一- 1 0 1 9 1 ：接收，一般总的光学系统透过率损耗在3 d b 左右。 2 3 信道建模 至此，我们分析了影响通信信道的各种因素。根据影响因素的性质我们将光端机 因素( 包括：光源功率、光束发散角、接收透镜孔径、探测器灵敏度、光学系统的透 过率等) 、静态大气影响凶素( 大气分子的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射) 称为 1 0 非随机的影响因素，因为这些影响因素是可以通过测量和计算预知到的。因此，我们 可以建立在非随机因素影响下的无线大气激光通信信道传输方程： p 接q ，p o r ( l , o ) r 飞h b ( r o w ) 或者p 挂“- p 0 一口r 一“& n 一8 一o ，( d b m ) p 接为经接收光天线最后接收到的光功率5 p o 为半导体激光器的出射功率i y ( l 口) 为扩展损耗； r 为大气透过率： 7 镕- 强* 分别为接收光学系统和发射光学系统的透过率。 我们将只考虑非随机影响因素的信道传输方程称为非随机信道方程。 激光经准直后的发散角为日- 2 0 0 , u r a d ，接收透镜的直径为d = 2 4 0 m m ，通信距离 为l = 3 k m ，接收功率与发射功率及大气衰减系数的关系如下图所示： y 大气衰减系数( a t o m ) o o 1 露 发射功率p o o ( d 咖) 图2 2 p o 、p l 与大气衰减系数的关系 ev甜督g蛙n 2 4 系统功率估算 删g f 盟e - 2 - 1 k 光学系统的损耗为口发射一- 1 0 1 9 v 发射一1 5 d b ，口接收一- 1 0 1 9 v 接收一1 5 d b 。当然这是 p o 一收+ 口扩+ 口接收+ 口发射+ 口大气+ a 其他= - 3 8 d b m + 1 d b + 3 d b + 3 0 掌1 5 d b + 1 5 d b = 1 9 d b m 口扩- 一1 。- g - 2 f d l 2 = 1 d b 光学系统的损耗不变，为a 发射= - 1 0 1 9 v 发射- - 1 5 d b ，口接收= - 1 0 1 9 v 接收一1 5 d b p 0 = p 基收+ ( z 扩+ ( 。接收+ c 。发射+ ( z 大气+ ( z 其他= 一3 8 d b m + 1 d b + 3 d b + 2 1 d b + 1 5 d b = 3 d b m 1 2 通过本章的分析，我们了解到大气激光通信的损耗由光端机因素和大气因素产 生。对大气的分析，了解到大气的影响因素包括大气分子和大气悬浮粒子的吸收和散 射以及大气湍流。在大气均匀的情况下，通过比较可知损耗以大气分子的吸收和悬浮 粒子的散射为主。在有大气湍流的情况下，通过对两种不同大气运动形式对光信号影 响的定性分析，可知大气湍流是造成信号随机起伏的主要因素。光端机的影响因素包 括光束发散角、接收天线孔径、透镜系统透过率、光源功率及探测器灵敏度等组成， 其中光束发散角、接收天线孔径和透镜系统透过率会对通信信道造成损耗，而尤以光 束发散角造成的光束扩展损耗为主。通过数值模拟，我们了解了光束发散角、接收天 线孔径分别与损耗和传输距离之间的关系。也了解到单纯的增加光源的发射功率并不 是提高传输距离的理想办法。 2 5 本章小结 本文首先根据无线大气激光通信的信道特点及信道组成，分析哪些客观因素能对 该信道产生影响。根据各种客观因素的特点和对信道的不同作用方式，定性或者定量 地分析它们与信道的关系和对信道产生的影响。通过对影响因素的分析，对信道各部 分的损耗有系统的了解，于是对该信道进行数学建模。根据所建模型，分析了不同天 气下所需要的发射功率，作为实现自适应功率控制的基础。本文后半部分将对该系统 进行较详细的介绍。 1 3 3 1 自适应控制技术 第三章自适应控制器的设计 自适应控制是一种具有一定适应能力的系统，它能认识环境的变化，并能改变控 制器的参数和结构，自动调整控制作用，以保证系统达到满意的控制品质。任何一个 实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有事表现在系统内部，有时表现 在系统外部。系统内部的不确定性主要指过程数学模型的结构和参数事前可能是未知 的；系统外部的不确定性主要指外部环境对系统的影响，这可以等效地用扰动来描述。 扰动通常指不可测因素，可能是确定的也可能是随机的，还有一些量测噪声也是不确 定的。本文涉及的主要是指大气信道中的噪声及大气湍流引起的扰动。1 5 l 在控制系统中若被控对象或过程的数学模型事先是难以确定的，或者即使在某一 条件下确定了数学模型，在工况改变后，其动态参数乃至于模型的结构仍经常发生变 化的情况下常规调节器不可能得到好的控制品质。为此，需要设计一种特殊的控制系 统，它能够自动的补偿在模型阶次、参数和输入信号等方面非预知的变化，这就是自 适应控制系统。 自适应控制系统主要由控制器、被控对象、自适应器及反馈控制回路和自适应回 路组成。图3 1 是自适应控制系统原理框图。 图3 1 自适应控制系统原理图 与常规反馈控制系统比较，自适应控制系统有3 个显著特点： 1 ) 控制器可调。相对于常规反馈控制器固定的结构和参数，自适应控制系统的控 制器在控制的过程中一般是根据一定的自适应规则，不断更改或变动着的，即自适应 控制器在控制的过程中可调的。 2 ) 增加了自适应回路。自适应控制系统在常规反馈控制系统基础上增加了自适应 回路( 或称自适应外环) ，它的主要作用就是根据系统运行情况，自动调整控制器，以 适应被控对象特性的变化。 3 ) 适用对象。自适应控制适用于被控对象特性未知或时变的系统，设计时不需要 完全知道被控对象的数学模型。 自适应控制具有“辨识决策修改”的功能： ( 1 ) 辨识不断地测取系统( 被控对象) 的信号和参数，并加以处理，以获得系统 状态。 ( 2 ) 决策根据所辨识的系统状态和事先给定的准则做出决断。辨识是获得对系 统的认识，而决策则是由此得出具体的控制规律。 ( 3 ) 修改对决策所计算出来的控制参量必须不断地适当修正1 6 1 。 在自适应控制中，在线确定过程参数是一个关键要素，它已成为自校正调节器的 重要组成部分；自适应系统中使用的参数估计方法与系统辨识密切相关，系统辨识的 主要内容是模型结构选择、试验设计、参数估计和模型验证，在自适应系统中，系统 辨识是自动实现的。 当前工程上应用较多，研究较成熟的自适应控制系统有两类：模型参考自适应控 制系统( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m ) 和自校正控制系统( s e l f - t u n i n gc o n t r o l s y s t e m ) 。模型参考自适应控制系统在线计算量小，可通过模拟线路实现，但必须针对 系统的具体特性做大量的稳定性分析和计算，研制周期较长；而自校正控制系统在线 计算量大，参数估计是系统在线实时的求解线性方程组，但它使用较为灵活，适应性 大，研制周期短。综合以上考虑，本文选用的是自校正控制系统作为参数调节理论依 据。 3 2 模型的参数辨识 将被控制对象的数学模型描述成： a ( z 1 ) y ( k ) - z - d + d b ( z 。1 姐 ) + c q - 1 垮 ) ( 3 1 ) 式中d 为系统的延时；为了突出问题和简化计算，令c 0 1 ) a 1 , n - 以认： k 3 c ( z 。1 ) 】- l 的 作用被并入a ( z 1 ) 、b ( z 。1 ) 中去了。将式( 3 1 ) 近似为二阶线性模型： a ( z 一1 ) y ( 七) 一z - ( d + 1 ) b ( z 一1 ) “( 七) + 亭( 七) ( 3 2 ) 其中： j ! ( z 一：? 21 + a 1 z1 + ，a 2 z + 2 。 ( 3 3 ) l b ( z - 1 ) = b 0 + 6 1 z 1 + + 6 z 咄 、 。 对于式( 3 2 ) 中的多项式j q 一1 ) 和云( z 一1 ) 中的参数可以通过最小二乘法递推得到。 最t j 、- - 乘辨识方法提供一个估算方法，使之能得到一个在最小方差意义上与实验 数据最好拟合的数学模型。由最小二乘法获得的估计在一定的条件下有最佳的统计特 性，及估计的结果是无偏的、一致的和有效的。这里我们采用最d , - - 乘的递推估计算 法，其基本思想为： 新的估计值o ( k ) = 旧的估计值o ( k 一1 ) + 修正项 这种方法的特点是每取一次新的观测数据后，在原来估计结果的基础上，用新引 入的观测数据对上一次估计的结果进行修正，从而递推地估计出下一个参数估计值， 直到估计值达到满意的精度为止。下面是递推算法： o ( k ) = o ( k - 1 ) + k ) 【y ) 一矿 - 1 ) o ( k 一1 ) 】( 3 4 ) r ( o 。= 兰坚幽卫 ( 3 5 ) 口+ 驴1 - 1 ) p ( k - i ) q ) ( k - 1 ) 、7 刖扣一等鬻端措， b 6 ， 式中的口为遗忘因子，作用是削弱历史数据对优化的性能指标的影响，一般取 口= o 9 5 珈9 7 7 ；谷o ) 为未知的参数向量，驴( f 一1 ) 为对应的数据向量【1 1 l ： o ( k ) 一【口- ) ，a ： ) ，6 0 ) ，6 ) r( 3 7 ) v ( k 一1 ) 暑【一y l 一1 ) ，一y ， 一2 ) ，h ， 一d 一1 ) ，m ， d ? b1 ) r( 3 8 ) 式( 3 8 ) 中的y ，( k ) 、“，( 七) 为y ( 七) 和“ ) 分别通过一个低通滤波器后获得的数据，数据 中的高频成分对辨识是不利的，因此通常采用低通滤波器的方法剔除，得到静态增益 的准确估计值： 蜥譬酢。? y 皇 ( 3 9 ) lr)一_i_-1ul ( z 如 ) 、 该低通滤波器定义为： ( z 一1 ) = 西1 - 乒i ( 3 1 0 ) 式中的z 为滤波器参数，一般取为0 8 o 9 。 在启动递推最小二乘算式时，首先必须知道初值o ( o ) 和p ( o ) 。一般而言，o ( o ) 和p ( o ) 的选取是令： p ( 0 ) = 0 ，或任意 p ( 0 ) = 口，口为足够大的正数。 1 6 3 3 广义预测控制 随着以脉冲响应和阶跃响应的非参数模型为基础的预测控制算法的发展和应 用，1 9 8 4 年c l a r k e 提出了基于参数模型的广义预测控$ 1 j ( g p c ) 。这一算法以受控子回 归积分滑动平均模型( 简称c a r i m a 模型) 为基础，采用了长时段的优化性能指标，结 合了辨识和自校正机制，表现出良好的鲁棒性并有广泛的适用范围。广义预测控制算 法的意义在于，对于系统结构未知或变化的情况下，仍可获得次最优解，具有很强的 鲁棒性，而且c a r i m a 模型的采用，消除了系统的静差。仿真结果表明，g p c 对于 欠参数系统，非最小相位，变结构等具有很强的鲁棒性，并具有良好的