大气激光通信系统的研究解析

1、大气激光通信系统的研究摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、 高相干性、 高单色性和高方向性等特性， 从而有 容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光 通信中最理想的载体。本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况， 介绍了其特点和用途。 并以一 种新型的具有以太网接口， 能实现计算机间通信的大气激光通信系统 （既可传输 语音又可传输数据） 为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了 阐述。并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道

2、中的传输进行了仿真和建模，并 对实际的大气湍流信道进行了测量。关键词： 大气激光通信 光发射端机 光接收端机 损耗特性 激光器 一激光通信的概述1960 年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激 光以其良好的方向性、 相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。 将激光 应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一 样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。 其中， 有线激光通信就是 近年来发展迅猛的光纤通信。 无线激光通信也可称为自由空间激光通信， 它直接 利用激光在大气或太空

3、中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像 等信号的高速双向传递。 这是目前国际上的一大研究热点， 世界上各主要技术强 国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。 根据使用情况， 无线激光 通信可分为 :点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究 的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际 （深空 ）激光通信和水下激光通信川。大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支， 它以近地面大气作为传输媒 介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。 重庆理工大学文献综述文献综述大气激光通信系统主要由光源、 调 制器、光发射机、 光接收机

4、及附加的电信发送和接收设备等组成， 只要相互进行 瞄准即可进行通信。 根据所用光源的不同， 大气激光通信系统大致可分为半导体 激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小， 重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光 通信系统的体积和重量都较大， 但其通信容量也大， 光束发散角较小， 适合于卫 星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同 应用场合中的要求，合理选取光源。大气激光通信系统的主要应用和优点重庆理工大学大气激光通信系统是无线激光通信的一种，因此具有无线激光通信的优点。 与微波通信系统相比， 大气激光通信系统

5、具有不挤占频带， 通信容量大， 传输率 高，抗电磁干扰和防止窃听等优势。此外，与有线通信系统相比，它还具有机动 灵活、经济实用、架设快捷、使用方便、不影响市政建设等诸多优点。随着大气 通信技术的日益成熟， 该系统的应用将会越来越广泛。 根据其特点， 它可应用于 下列场合 :民用上:有强电磁干扰的场所 ;一些不宜布线的场所， 比如在具有纪念意义的古建筑， 危险性大的工厂、 车间 ; 在走线成本高、 施工难度大或经市政部门审批困难的场合， 如马路两侧建筑物 之间、不易架桥的江河两岸之间、山头之间及边远山区等 ;一些临时性的场所， 如展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境下， 可作为有线系统

6、的应急备用系统 ;二 . . 本课题国内外的研究现状分析2.12.1 国际研究概况 国际上大气激光通信的研究是综合卫星、 飞机、 地面等方面进行的， 从事这 方面研究的主要机构在美国、 日本和欧洲。 由于该系统主要是以国防军为主要目 的，因此欧美日的主要研究机构一般都是国家或军事部门， 如美国的航空宇宙航 行局 (NASA) 和美国空军 ;日本的邮政省通信研究室 (CTL) 和宇宙开发事业团 (NASDA ); 欧洲的欧洲航天署 (ESA)等。这里我们主要介绍世界各公司推出的用 于地面无线光通信的已商用化的产品。美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家， 也是研究技术走在最前沿 的国家之一，

7、 2000 年夏季由国际通信业巨头美国郎讯推出的光通信商用系统。 他们采用四波长波分复用技术，每路波长速率为 2. 5Gbps，总容量达 l OGbps， 工作距离达 5 公里。2.22.2 日本及欧洲目前，日本的 Hamamatsu公司研制出了用于 Intranet 的传输速率久 155Mbps 的产品 ;Sony公司研制出了带跟踪瞄准性能的传输速率叉 622Mbps的产品;Canon 公司也研制出了 DT 50 产品，其传输速率戈 25一 622Mbps o此外，英国的 PAV 公司、德国的 CBL 公司、韩国的 Taehan公司等多家企业 也都各自推出了不同技术水平的产品。2.32.3

8、国内研究概况 和国际相比， 我国的研究相对单一， 但对大气激光通信技术的研究起步并不 比国际晚，早在 1963年我国就开始了对大气激光通信的研究。 1974 年电子工业 部 34 所推出了 Nd:YAG 激光大气通信系统实验样机，并成功进行了外场实验， 通信距离约 13km。与此同时，电子科技大学、桂林激光研究所、北京邮电大 学、武汉邮电科学研究院及北京、 长春、合肥等地的一些单位也相继展开了对大 气激光通信的研究。三系统组成和总体方案大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的系统， 它们相互向对方发文献综述重庆理工大学射被调制的激光信号 (声音或数据 )，接收并解调来自对方的激光信号，实现

9、双工 通信，即通信双方都可同时发送和同时接收信息。 其中一台激光通信机的基本工 作原理如图所示 (图中只画出系统的发射和接收部分 )。由图可见，每套端机包括发射机和接收机，安装于一个机箱之内。发射机的主要组成部件有 :(1)半导体激光器发射光源以及它的夔动电源。 (2) 发射望远镜。 (3)信号输入和处理的电路。要传输的信号可以从电端口输入，也 可以从光纤端口输入，经放大输出到激光器跳驱动器，来推动激光器。接收机的主要组成部件有 :(1)硅 APD 探测器。 (2)接收望远镜 (3)信号放大处 理电路。探测到的光信号在 APD 管转化为光电流后，经前置放大、整形放大。 输出方式也有二种 :一是

10、放大后以 ECL 或 TTL 电信号从电端口输出。 另一种是输 出到 1. 3微米激光器的驱动器， 推碳激光器， 从光纤端口输出光信号。 另外每台 样机都配置一个瞄准望远镜， 由于该通信端机既有电端口又有光纤端口， 实现了 与其它通信设摊接口匹配的问题， 可灵活地适应各种场合的使用， 实用价值得到 了提高设备发出的调制信号不仅可在大气传输，也能直接利用光纤作为载体桂 输，克服了在天气恶劣情况下无法通信的缺陷。3.3. 1 1 光发射端机的基本原理与结构1.光发射端机的设计考虑 在光通信系统中， 由光发射机来完成将电信号转变为光信号的功能。 光发射 机的关键器件就是光源， 因此必须合理选取光源。

11、 在 3. 2节中将详细介绍光源的 选取。此外，光发射机主要由接口电路、调制电路、温控及驱动电路等单元大气传输光通信系统原理框图电路 组成，在设计中，为保证设备能适应野外环境， 所有电路器件的选择应从严要求， 尽量选用宽温器件 ;为保证设备工作的可靠性，尽量采用成熟的单元电路功能模 块。2.光发射端机的基本结构文献综述重庆理工大学图中，接口电路的作用是将计算机网卡与调制电路连接起来， 使之能同步协调工 作。关于接口电路的研究在后面的章节中会具体提及。 调制电路的作用是把二进 制脉冲调制成适宜在信道上传输的波形。 由于半导体激光器的输出功率与温度密 切相关，因此一般还有自动温度控制 （ATC）

12、电路。由于本论文的目标是研制作用 距离数公里量级、 定点工作的通信机， 暂时不考虑光信号的自动跟踪瞄准。 因此 瞄准装置 （瞄准镜 ）可以采用市场采购的方式解决。3.光接收端机的基本原理与结构1.光接收端机的设计考虑 光接收端机的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号， 并进行 放大输出。它主要由光电探测器、前置放大电路、主放大电路、自动增益控制电 路、均衡电路、码型变换、输出接口电路等部分构成。设计时，元器件的选择和 单元电路的设计同光发射机一样，尽量采用成熟的单元电路功能模块;此外，设计时除了认真研究分析电子线路中的量子噪声、 热噪声、散弹噪声外， 还要考虑 恶劣气候 （雨、雾、雪

13、、湍流等 ）出现的附加噪声 ;为保证系统具有强的抗干扰能力 和抵御大气衰减的能力， 设计光发射功率要足够大， 这就要求光接收机具有很宽 的光动态范围 ;最后，如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考虑的 一个问题。光接收端机的基本结构文献综述中瑞利散射系数可近似表示为重庆理工大学2.接收端机的噪声分析 在信号的传输过程中对信号影响的因素都可以归结为噪声， 噪声主要来自三 个方面 :发射机方面、大气方面、接收部分方面。发射方面的噪声主要是激光器 自身的原因和各种匹配等因素造成的， 大气的影响主要是由大气中的粒子对红外 光的吸收和散射造成的。 这两点在前面文章中己有叙述， 这里就不再介绍。

14、接收 部分的主要噪声源有 :暗电流噪声、散粒噪声、热噪声、放大器噪声和背景噪声， 这里将作详细分析。四 . . 大气激光传输链路的设计方案4.1 激光光源1.大气激光通信系统对光源的要求在大气激光通信中， 将电信号转变成光信号是由光发射机来完成的。 光发射 机的关键器件是光源，激光通信对光源的要求可以概括为 :a.光源发射的峰值波长，应在大气通信窗口内，大气窗口在近红外谱段主要 有路径效应 ys 。使得激光束在大气中产生光斑闪烁、漂移、断裂等因素，影响 通信链路的稳定性。因此大气因素和天气状况是影响通信链路的主要因素。 1)大气效应对通信链路的影响大气中对激光信号的影响主要体现在大气的散射效应

15、、 吸收效应、湍流效应 三部分。i)散射效应大气散射效应主要有灰尘颗粒和气溶胶颗粒对光束的散射效应最严重。 灰尘 颗粒尺寸分布从 10恤 m到,um量级。当激光波长远远大于散射粒子直径时，就 会产生瑞利散射， 其散射系数可表示为上式中 N 为单位体积的粒子数目，入为光波波长， n 为折射率。在干燥的空气从上式中看出，瑞利散射系数和波长有关，波长越小，力越强。当粒子尺寸 小于 0.03,um 时，其散射误差小于 1%0 当激光波长接近散射粒子直径时，就会 产生米耶散射，瑞利散射系数越大。散射能其散射系数可表示为上式中， N(d)表示单位体积的粒子数， d为粒子直径， Q、为米耶散射效率。 米耶散

16、射效率是粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比， 它是粒子 的相对尺度和复折射率的函数。 n, Ko 分别是复折射率的实部和虚部。当粒子半 径 在 p 和 r: 之 间 连 续 分 得:布 时 ， 米 耶 散 射 系 数 可 由 下 列 积 分 求通常情况下，小雨、雾、霆等颗粒尺寸接近于激光波长，此时的灰尘与水蒸 气都满足米耶散射效应。文献综述气透射率可以表示为重庆理工大学大气的散射效应会改变激光光束的能量分布却不会损失光束能量。 经过大气 散射的激光束在原来的传播方向上能量减少。 因此要尽可能的增大光学天线的接 收面积，减少光束在传播方向上的能量损失。ii）吸收效应大气对激光光束具有

17、吸收效应，气体分子对每个波段的吸收强弱不尽相同。 气体分子对不同波段的吸收谱线形成的谱带群，使得对极少数的波长的吸收较 弱，对大部分的吸收较强。 因此，适合在大气中传输的激光波长应处在气体分子 吸收较弱的大气窗口之内 图 3.1 是大气对光波波长的吸收示意图。850nm 附近和 1550nm附近，激光波长只有在此范围，其大气损耗最低，才能应 用与激从图 3.1 可以看出，在可见光波段、 0.85,um 波段、 1.0 伽 m 波段、 1.55 伽 m 波段、10. 伽 m 波段，其大气透射百分比较大， 气体分子对其吸收能力较小。 大气散射与吸收的作用气体散射与吸收主要表现为激光束的大气衰减，

18、光波的大a（幻表示为波长兄的大气透射率 ;z 为传输距离， a（幻一 am+a。为散射损耗系数和 吸收损耗系数的总衰减系数。常用的大气透射率和能见度可表示为式子中 Y 为能见度，单位为 km，传输距离 z 的单位也是 km，波长兄的单位是 ,um, q的取值和能见度有关， 当 Y 较大时，q=1.6;能见度中等时， q=1.3;当 h6km 时， q=0.585 V。（iv）湍流效应由于温差而产生的大气流动， 形成不同的气流漩涡， 这些漩涡的温度、 压强、 密度、流速等参数各不相同。 并且这些漩涡也在随时间的变化而变化着， 他们之 间相互叠加后形成随即的湍流运动 。因此，在大气中局部的温度、压

19、强、大气 密度等参数随机变化， 从而引起光通信的湍流效应。 首先体现在波阵面产生随即 畸变，传播方向发生随即偏转。 其次是产生光照度的随即起伏， 光斑强度发生随 即变化。也就是所说的光斑闪烁、漂移。表征湍流大小的函数可以用大气折射率函数表示，即重庆理工大学文献综述其中，h为高度，单位为米， Q-(Qosmee)一 SO为上升流的热通量 (Wm.z Q的大小和太阳光与地面夹” 风速等“关。昧示太阳” 一 0.35h 引，其中为风速，的单位为 ms。夏季的湍流效应最强，晴朗天气湍 流效应较强， 每天的 10 点一 15 点湍流效应较强。 利用开普勒望远镜型的接收天 线可以减小湍流效应的影响。(2)

20、天气条件对通信链路的影响 天气条件对激光传输链路的影响表现在不同的天气 (雨、雾、霆等 )对激光的 强度衰减。处在大气窗口的激光信号，随着天气的恶化，其衰减系数不断增大， 散射系数也不断增大，激光信号强度急剧减小 24 。因而长距离激光通信需要选 择高功率的激光器，抑制天气条件所引起的信号衰减， 以满足通信链路的正常化。 不同天气条件下的能见度和衰减情况4.24.2 激光器的选择1.常用激光器性能比较根据激光通信的条件， 通信波长应穿在大气窗口内。 常用的位于大气窗口的 波长有 1550nm, 1064nm, 850nm和 780nm波段。表 3.2是市场是各波段的激光器 的性能比较。常用激光

21、器的性能比较文献综述重庆理工大学从上表中可以看出， 从激光器的体积、 价格、 使用寿命和信号加载难易程度 等四个方面考虑， 本文选用激光通信中占主导地位的半导体激光器。 半导体激光 器的优点首先是性能稳定，技术成熟，安全系数比较高 ;其次是激光器体积较小， 便于携带，发光高效率，使用寿命长，不容易损坏 ;第三，半导体激光器的初涉 光斑为发散度较低的圆形光斑，有利于后续光学发射的聚焦处理。 VCSEL 激光 器的价格便宜，维修方便，检测费用低。2.大气激光通信系统模型典型的大气无线激光通信链路的框图如图 2.2 所示。和其他通信技术一样， 一个无线激光通信系统主要由发射机、信道和接收机三部分组成

22、。五大气湍流信道中随机光强信号的检测5.1 无线激光通信中的光强信号检测在 FSO 系统中，如果用户信息被调制到信号强度上后发射到大气中，在接 收机端，探测器直接将接收到的信号功率转换为电信号， 则这种探测称为直接探 测，其调制和探测过程也称为强度调制和直接探测。在利用 OOK 调制方式的强 度调制和直接探测系统中，接收机的输出在一个符号 （比特 ）周期结束时和一个与 噪声有关的闽值几进行比较后做出判决。对于具有正反两个极性的信号集合来 说，判决闽值始终是零。 然而， 对于 OOK 调制方式来说， 判决闽值与噪声有关， 所以必须动态设定。1.无湍流时的光强信号检测忽略信道中湍流引起的退化效应时

23、， 则信道变为具有高斯加性噪声的非退化文献综述信道，接收电流 i_的最优判决机制可表示为6s通过假设 ，该检测机制变为2.己知完整信道状态的光强信号检测重庆理工大学信道状态信息是指在接收机端获得的关于信道系数 h 的瞬时信息。如果己知 信道状态信息， 则最优探测器的设计变得非常简单。 假设使用最优检测的接收机 接收的功率被规范化，则最大似然机制的闽值由下式给出六结论大气激光通信是目前光通信发展的一个重要分支，本文通过阅读大量技术文 献，对该领域的研究现状、 各个主要组成部件、 关键技术等方面进行了深入的研 究和广泛的调研。 在选择和实现了前人提出的电信号输入输出方式、 单个激光器 通过单路光学天线发射和接收的同时， 根据实际情况， 对其中的接口电路进行了 改进和创新，最后得到一个既有电接口又有光接口的完整的大气激光通信系统， 使其实用性得到了广泛的延伸。本论文主要内容包括以下几点 : 1.深入研究分析了半导 体激光器的选取和调制驱动方式，并用集成芯片 MAX3667 设计出了半导体激光器的调制驱动电路，完成了半导体激光器的调制 实验。2.详细讨论了光学发射天线的准直特性， 并明确了设计准直系统时数值孔径的选 取原则等。3.根据光传输特性