一种用于平滑大气湍流效应的光学天线设计.doc

一种小型化平滑大气湍流效应的光学天线设计王志勇 1 引言无线光通信是以激光为载体，使用光脉冲调制信号，在真空或大气层中传递信息的通信技术，包括空间激光通信、星地激光通信以及近地大气激光通信。相对传统的利用电磁波的无线通信方式，无线光通信具有信息容量大、抗电磁干扰、安装快速、组网灵活以及不用政府特许证等诸多优点，特别适合骨干网的扩建、光纤网络的备援以及宽带接入、无线基地数据回传等应用。激光束在大气中传输时会对光束产生大气湍流效应，具体表现为闪烁、光束漂移、光束扩展以及到达角的起伏等影响。这些因素严重制约着无线光通信设备的可靠性与稳定性，成为目前无线光通信设备满足实际应用需求的最大瓶颈。本文从工程应用实际出发，提出一种基于光束空间分集发射与接收技术的小型化光学天线设计来平滑、缓解大气湍流对通信链路的影响。2 平滑大气湍流效应的方法 目前无线光通信设备广泛采用包括大功率发射、扩大光束发散角、大孔径接收技术等多种技术综合的运用来缓解大气湍流带来的影响。大功率发射、扩大光束发散角这两种手段已经在近距离大气激光通信设备中得到很好的运用，成为目前对抗大气湍流影响的主要手段。此外近年来在星地激光通信这一领域，精密的自动跟踪技术以及自适应波前校正技术作为对抗大气湍流的重要技术手段，成为研究的热点，但鉴于其系统过于复杂，技术成本过于高昂，不适于在近地无线光通信设备应用中实践，因此不在本文讨论之列。下面主要讨论大孔径接收技术和空间分集发射与接收技术对于缓解大气湍流效应的优缺点。2.1 孔径平滑效应2.1.1 最优孔径尺寸选择原则使用大孔径接收方法来减小大气湍流导致的影响已为大家所接受。但大孔径接收天线会增加接收机的重量，在需要对通信端机进行小型化的应用中，大孔径接收技术受到严重的限制。在实际系统设计时，往往需要在通信端机的尺寸、重量、孔径以及成本平均效果之间进行权衡。已报道的文献资料【1】和我们自己的实验均表明接收光功率起伏大小随接收孔径尺寸的增加并非线性地减小，目前比较通行的最优孔径尺寸选择原则是：若要使光强起伏方差减小3dB，则孔径尺寸需要增大2倍。2.1.2 孔径平滑效应的应用目前商用的无线光通信设备接收孔径一般在100mm左右，为了有效缓解大气湍流对通信链路的影响，现阶段一般采用大功率发射技术和大光束发散角发射技术，由此不仅仅推高了激光光源的高成本，也使大功率高速率激光调制技术面临考验。但单纯地采用孔径平滑效应来缓解大气湍流的影响，显然也非明智之举。我们对单孔径80mm孔径接收天线，发散角为1.5mrad时，链路距离为1.5公里时接收光功率起伏进行了各种天气条件下的测试。在晴好天气条件下（空气湿度40%左右）光功率起伏值达3dB10dB。依据最优孔径尺寸选取原则，若要缓解上述大气湍流带来的影响，接收口径至少要在250mm以上。显然如此大口径接收天线，不仅仅在体积、重量上难以接受，若采用透射式接收系统，如此大口径的透镜加工费用非常昂贵，不利于设备的推广与应用。实际上上述大气湍流的影响测定还仅只局限在近距离基础上。远距离的大气湍流效应更为显著。因此，孔径平滑效应用于平滑大气湍流带来的影响性价比不高，效果也没有预期的显著，工程应用上不宜盲目追求大孔径接收光学天线的应用。2.2 空间分集发射与接收技术分集技术的基本思想是在接收端获取几个不同路径的信号，然后将这些信号进行适当的合并构成总的接收信号，从而减小信道衰减的影响，改善系统接收性能。常用的分集方式主要有时间分集、频率分集、空间分集等。目前，国内外报道的用于对抗大气湍流影响的分集技术包括多光束传输、阵列接收、多波长传输、时间延迟分集等技术，其中多波长传输、时间延迟分集分属于频率、时间分集技术，而多光束传输、阵列接收则属于空间分集的技术，是当前无线光通信领域平滑大气湍流影响的主流方案。2.2.1 多光束传输技术多光束发射技术就是通过采用多个发射通道发射出的多个载波光束，补偿大气湍流对无线光通信链路的影响。具体来说，多光束使不同光束通过不同的传输路径，利用光束之间的非相干性叠加达到光束相互补偿的作用，因而可以降低光强起伏，调整光束漂移，增大接收端单位面积上的接收光强，从而降低无线光通信链路误码率，提高无线光通信链路性能。有研究指出【2】【3】多发射光束链路抑制大气湍流效应的能力依赖于各光束的空间相关性大小，而多光束之间空间相关性与发射光束的间距、传输距离、波长及湍流条件等相关。限于篇幅，此处本文不展开说明，详细论述可参考相关文献资料。但也并不是越多的光束发射越好。实际工程应用中，由于激光光源总的发射功率有限(主要是受人眼安全和成本的限制)，越多发射光束意味着单光束能量的降低，而其发射光束之间的平行度调校难度将成倍增加（多光束平行）。此外，我们的实验证明光束数量的增加与多光束对大气湍流效应平滑效果并非成线性的关系。在总的功率受限的情况下，2个光束发射对大气湍流效应的影响已经有显著的改善，一般34个光束发射即能有效缓解大气湍流带来的影响。此外，我们的实验发现：在多光束传输方案中，还可以派生出基于光束发散角的分集技术：即每一个光束的发散角设计装调时不尽一致但又符合特定关系，能够有效改善通信链路的误码性能。限于篇幅，此处不再展开论述。2.2.2 多孔径（阵列）接收技术多孔径接收是一种接收端的空间分集技术。在上节中谈到大孔径接收能够平滑大气湍流效应已为大家所接受。但在对设备体积重量具有严格限制，不能提供有效孔径尺寸来平滑大气湍流效应的工程实践中，多孔径阵列接收技术可替代大孔径接收技术，有效抑制大气湍流效应的影响。与单个大孔径接收相比，多孔径阵列接收由多个小孔径接收组成，其安装和调试更加方便、灵活，从而更具工程应用前景。虽然由此带来的多轴平行度调校问题趋于繁杂，但通过合理设计其结构部件，借助光学准直调校仪器设备，能轻松破解由于多孔径带来的平行度装校难题。我们在等接收面积的条件下对单孔径接收通信链路与多孔径接收通信链路的误码性能进行了测试，结果见表1.表1 链路误码性能对照（等接收面积）测试条件【发射功率10dBm，链路距离1.5km,发散角1.5mrad,链路速率52Mbit/s,接收灵敏度-35dBm】单孔径链路50mm多孔径链路425mm气象条件测试持续时间接收功率误码率接收功率误码率阴天，气温1925，湿度40%，能见度20km43h-25dBm-27dBm1.8210-9-26dBm-27dBm7.5310-10晴天, 气温2129，湿度32%,能见度10km22h-23dBm-31dBm1.7310-7（有121次中断）-25dBm-29dBm2.6810-9（有32次中断）对照表1中测试结果，可见同等条件下多孔径链路比单孔径链路具有更好的稳定性和可靠性，由此也进一步说明了接收端的空间分集技术能够有效改善通信链路的通信质量。3 光学天线的设计 目前无线光通信设备的需求主要集中在近地大气激光点对点的通信领域，应用背景主要是作为光纤网络的备援以及宽带接入、应急抢通等方向。应用需求背景决定了整个设备应具备体积小、重量轻、通信质量稳定可靠以及安装操作简单、链路开通迅速等特点。3.1 总体设计要求(一) 采用多光束传输实现发射端的分集技术，提高设备平滑大气湍流效应的能力。依据前述论证，具体发射光束选择3个，并通过适当控制每一光束发散角的非一致性，实现基于发散角的分集技术。(二) 采用多孔径（阵列）接收实现接收端的分集技术以期进一步提高设备平滑大气湍流效应的能力。依据链路功率分配计算接收器的有效接收面积需求，按照工程应用实践确定单孔径接收器尺寸大小和接收器的数量。(三) 通信距离10km，通信速率52Mbit/s，接收灵敏度不低于-35dBm,单光束发射功率不低于14dBm.(四) 具备固定点对点的自动微跟踪功能，使光学天线能保持持续对准。(五) 要求设备体积小，重量轻。整机（不含跟踪转台）重量小于10kg,整机架设操作简便，链路开通迅速。3.2 总体方案与收发天线的布局图1 总体方案示意图3.3 多光束发射的实现无线光通信设备采用的激光光源主要集中在850nm和1550nm附近两个波段，且都有成熟的半导体激光器可供选用。由于1550nm波段可以应用光功率放大技术且具有光纤通信中成熟的技术和器件可供选择则，因此在大功率高速率应用时，选择1550nm波段的激光光源从工程应用来说更具优势。在实现多光束发射时，首先要依据通信距离的要求来确定发射功率的大小，单光束要求10mW以上的一般建议采用光功率放大技术加以实现，低于10mW的则采用单管激光器驱动调制技术实现。图2是实现多光束发射的两个方案框图。（a）是采用多激光器（或多光功率放大器）的方案，(b)是采用单管大功率激光器（或单个光功率放大器）与光分路器结合的方案。设计中究竟选用哪种方案实际上只与工程应用成本相关，技术上并无优劣之分。依据总体技术要求，单束功率达14dBm且调制速率为52Mbit/s，最优的工程应用方案就是采用光功率放大技术与光分路器结合的方案，不仅仅技术上可行，更重要的是符合成本控制的预期。3.4 多孔径接收的实现3.4.1 基于光敏面耦合技术的实现3.4.2 基于光纤耦合器技术的实现4 实验测试与结论参