（光学工程专业论文）大气激光通信系统及其主要部件的研究.pdf

天津大学硕士学位论文第二_ 章大气激光通信系统总体设计 光学材料的吸收、反射等都会引入定的光能损失。因此对于光学灭线，需要优 化光路设计，严格控制安装精度，提高光学镜片的表面质量，选择适当的光学材 料( 无色光学玻璃在8 5 0 n m 附近近似是透明的，透过率为9 0 以上) ，以及镀增 透膜( 对8 5 0 n m 镀相应的介质增透膜，可使得透过率达9 9 ) ，降低透镜的反射 和吸收损耗，平面镜的吸收损耗，以及光路设计本身、像差、安装误差等引起的 光束遮挡、光斑扩散等引起的光能损耗。 2 4 2 功率估算 在对f s o 系统做功率估算时，一般先假定大气衰减为零，根据激光器出射 光功率，以及除大气衰减之外的功率损耗如天线损耗、几何衰减以及其它衰减因 素，求出到达接收孔径的光功率值，这一功率值称为最大接收功率。然后求出光 电探测器的接收光功率下限与最大接收功率的差值即为系统功率冗余量。从而 可以根据功率冗余量判断f s o 系统适用的天气情况。 对本课题设链路k 度l = 5 0 0 m ，接收天线孔径d r - - 1 0 0 m m ，发射天线孔径d r = 3 5 r m n ，传输波长j = 8 4 5 n m ，光束发散角( 全角) 0 - - l m r a d ，则f s o 系统功 率估算如表2 4 所示： 表24 系统功率估算 功率 出射光功率p o = 3 2 m w + 5 0 5 d b m 收发光学天线的损耗( 设珊= r r = o5 ) ”2 3 0 1 d b 几何衰减d ；( d ，+ 钇) 2 1 4 5 7 d b 其他损失：干涉滤光片的损失、分光损失、定位损失等 6 d b 最大接收功率 一2 1 5 4 d b m a p d 接收光功率下限：0 2 2 l a w 。 一3 6 5 8 d b m l 系统功率冗余 + 1 50 4 d b 注1 ：根据加工水平等确定 注2 ：根据a p d 的灵敏度以及信号处理电路确定，详见第四章 从功率估算结果可以看出，系统功率冗余为1 5 + 0 4 d b ，1 夭l 此当大气衰减小于 3 0 d b k m 时，到达a p d 的光功率值都在其探 ! j 1 4 范围之内。参考表3 - 3 可知，当 能见度在5 0 0 m 以上时，或者说在晴朗或轻雾的天气情况下，本课题所设计的f s o 系统可以保证通信的畅通。 同时可以看出，系统最主要的损失在于几何衰减，如果提高p a t 系统的跟 天津大学硕士学位论文 第二章大气激光通信系统总体设计 踪精度，则可以进一步压缩光束发散角，从而降低几何衰减。v c s e l 的光功率 还很低，在满足c i a s s l m 安全标准的条件下，通过选用更高功率的v c s e l ，或 者采用多光束技术，都可以增人功率水平。另外，表2 - 4 只是一个粗略的功率估 算表，在样机制作完成以后，还可以通过实验的方法详细分析其它衰减因素，进 一步优化系统设计。 本章小结 本章首先分析了f s o 系统的原理与主要组成部分，然后讨论了系统主要器 件和参数的选择与确定，最后给出了f s o 系统的一种新的设计方案，该方案采 用了新型激光器件垂直腔面发射激光器v c s e l 、光斑位置探测器件p s d ，以及 压电陶瓷微位移柱驱动的快速倾斜镜。 为了评价系统设计的可行性，本章还分析了功率估算方法，以及对系统功率 衰减影响较大的因素，并根据本课题的设计参数具体计算了功率冗余，计算结果 表明本设计在晴朗或轻雾的天气情况下可以保障通信链路的畅通。 天津大学硕士学位论文筇三章光学天线设计 厅 广1 干f j 日1 u 一一一一一雠“ 图3 7 倒置的发射光学系统 优化结果显示上述设计已接近衍射极限，在波长8 5 0 n m 处的光程差( o p d ) 约为o 5 ，如图3 - 8 所示。点列图显示聚焦光斑的r m s 半径为1 1 1 l l j l l ，接近 于v c s e l 的发光面半径。如果采用斑点半径均方根评价函数 r m s s p o t r a d i u s c e n t r i o d ，得到的o p d 约为1x ，但聚焦光斑的r m s 半径减小 为9 p r o 。 剩余像差主要足望远镜物镜的球差，但对于非成像的激光准直系统来说，这 一设计结果是满足应用的，为了不增加系统复杂性和成本，不再进一步校正像差。 ，i、0、| 、。0 一 图3 - 8 发射光学系统模拟结果：光程差( o p d ) 图 m a x i m u ms c a l c ：士1 0 x ( = 8 5 0 n t o ) 3 3 接收天线设计 接收天线的功能是高效接收对方端机传送的光信