第8、9章空间激光通信

光通信原理与技术空间光通信概念空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达成的通信方式优点：与传统的无线电通信（微波通信）相比承载能力更强与光纤通信相比在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势空间光通信分类第8章大气激光通信本章内容概述激光在大气信道中的传播特性用于大气激光通信的关键器件和技术调制方式大气激光通信系统大气激光通信的应用8.1概述大气激光通信的研究进展又被称为自由空间光通信（FSO，FreeSpaceOptics）发展大致经过了高峰——低谷——复苏三个阶段20世纪60～70年代，研究高峰期特点：激光刚出现，使用激光实现大气光通信，独占光通信舞台20世纪70～80年代，衰落期光纤出现，光纤通信压倒性优势20世纪90年代至今，复苏期作为光纤通信的补充，与其它无线通信方式竞争大气激光通信的应用优势无线优势容量优势电磁兼容优势保密优势尺寸优势价格优势功耗优势面临的主要问题大气信道问题大气信道衰减大气湍流的影响大气信道散射背景光干扰其它问题飞行物遮挡工作平台方位稳定性8.2激光在大气信道中的传播特性大气效应大气吸收在紫外、可见光及红外区域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明”的“窗口”，在这些窗口中辐射透过率较高，吸收较弱，通常称大气窗口大气散射造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射，一般说来，对于半径r≤0.3m的粒子（如气体分子），波长在1m附近，瑞利定律的误差≤1%，当粒子半径r>0.3m时（如悬浮尘埃等），须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至少大40m时（如雾滴、雨滴等）才出现非选择性散射大气散射造成光衰减，是大气窗口上主要的损耗来源，但也可有意利用大气散射构成散射信道大气湍流湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化其它背景光/热晕大气透射谱瑞利散射与米氏散射瑞利散射光子与空气粒子发生碰撞而产生特点：散射的强度和波长的四次方成反比；散射光的散射强度与观察方向之间有着比较简单的关系；前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散射光几乎是偏振的米氏散射散射颗粒的大小可以与辐射波长可比拟时产生米氏散射特点：主要的散射能量集中在前向方向上大气综合衰减系数表

不同天气时的大气综合衰减系数和能见度表（工作波长850nm）

天气情况

能见度

大气衰减系数（dB/km）

非常晴朗

50～20km

0.20～0.52

晴朗

20～10km

0.52～1.0

轻霾

10～4km

1.0～2.9

阴

4～2km

2.9～5.8

薄雾

2～1km

5.8～14.0

轻雾

1000～500m

14.0～34.0

中雾

500～200m

34.0～84.9

浓雾

200～50m

84.9～339.6

大气散射损耗经验公式当工作波长选择在低损耗窗口时，大气损耗主要由散射造成大气散射损耗经验公式：能见度V定义为最初光功率衰减到2%的距离非视线紫外大气散射信道背景光噪声太阳光谱8.3关键器件和技术光源工作波长不仅要考虑低损耗窗口，还要注意避开背景光的高辐射谱段可以认为810～860nm、1550～1600nm都是无线光通信中可以选择的通信波长功率要求大气吸收/散射问题光束发散问题通常选择在数十mW以上

光检测器半导体光检测器PD和APD真空器件真空光电管真空光电倍增管（PMT）原理：光阴极产生的一次光电子被高电场加速，发射到打拿极并产生二次电子发射；二次电子多少重复以上过程，如此电子的数目也得到可观倍增；一般打拿极的级数可达10级以上，平均倍增系数可达105~107优点：灵敏度高、暗电流小、光电转换能力强、动态响应速度快、信号检测能力强、稳定、较为可靠缺点：需要高压，体积大，易碎，缺少长波长器件某型PMT光谱响应曲线

光束发散等效损耗接收天线光强光锥发散角光学天线作用在发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功率，压缩接收视野，减少背景光干扰大气光通信常用折射式光学天线目镜物镜准直输出8.4调制方式调制方式脉冲位置调制（PPM）目的：提高传输通道抗干扰能力常用的PPM包括：单脉冲脉位调制（L-PPM差分脉冲位置调制（DPPM）多脉冲PPM调制方式与OOK调制的比较平均发送光功率都有所降低L-PPM调制和L-DPPM调制都有不同程度的带宽扩张多脉冲PPM调制在选择合适的脉冲数时可以减小带宽扩张甚至没有带宽扩张8.5大气激光通信系统系统框图各部件功能电端机实现对信息的编码和还原线路编码实现前向纠错光调制解调单元实现信号的电-光/光-电变换自动功率控制补偿大气条件变化导致的激光束传播损耗变化光学收发天线：接收光学天线的任务是将一定面积内的信号光会聚到光检测器上，目的是增大接收光信号功率；发送光学天线的任务是压缩光束发散角，降低激光束在大气中传播时的发散损耗构成光学天线的主要方式收发分离式收发合一式光学带通滤波片LDAPD光学带通滤波片遮挡和晃动阵列发射接收解决遮挡问题散光法和自动跟踪解决建筑物晃动问题接收天线光强光锥发散角大气光通信设备实例~光学天线发收6芯光缆除霜电源线光端机2芯光缆光口用户通信设备SDH-155PSH-1441-64E1100BaseTATM-1558E1+100BTPFM用户信号110~220VAC或-48VDC大气光通信设备实例用户光纤接口用户光纤接口发收发射组件接收组件发发发发收收管理和控制光纤内缆光驱动设备光学天线8.6大气激光通信的应用大气激光通信的应用城域网扩展局域网互联最后1km接入光纤链路的备份宽带网接入无线基站数据回传与DWDM设备集成快速业务开通其它特殊场合第9章星间激光通信卫星激光通信——优势的结合利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量利用光波波长短的优点可减小天线口径，提高卫星有效载荷利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性卫星光通信链路分类星间链路ISLIOL星地链路9.3.1主要问题及对策主要问题共性问题损耗通信光束的对准、捕捉和跟踪背景噪声多谱勒频移星地光通信面临的问题大气信道衰减/湍流损耗自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比星间距离通常在数千到数万公里自由空间损耗在250dB以上光学天线----解决损耗问题天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比光波波长在m数量级，小口径天线即可获得巨大增益工作波长为1550nm时，20cm口径的天线即可实现110dB以上的增益发散角问题圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比

20cm口径的天线工作在1550nm波长时，其3dB光束发散角仅为7.9rad开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准PAT子系统----解决对准问题瞄准、捕获和跟踪（PAT）子系统瞄准----天线指向捕获----实现通信光束的对准跟踪----吸收卫星机械振动引起的光束偏移广谱宇宙噪声几种常用光电检测器的波长响应特性光学滤波器----解决背噪问题光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流光学滤波技术成熟，大量应用于DWDM系统闪耀光栅多层介质薄膜阵列波导干涉型光纤光栅型多普勒频移光载波频移大小：IOL链路存在此问题影响GEO-LEO链路中，多普勒频移量接近9GHz，对应的波长变化范围约0.08nmvq光源观察者光源运动方向光传播方向大气信道大气效应大气吸收大气散射大气湍流对光束的影响衰减多径色散到达角起伏闪烁选择工作波长避开大气高损耗波长AO----部分解决大气湍流问题自适应光学（AO）技术，在天文观察领域提出，用于改善大气湍流条件下的天体成像质量AO主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上光斑的功率波动，提高接收性能9.3.2卫星光通信系统总体功能框图调制器信号光源光电检测误差检测误差信号处理伺服机械合束器分束器精瞄跟踪装置光学收发天线粗瞄装置信标信号信标光源接收机光学天线平台发射光束接收光束信息数据输入输出控制计算机系统组成光学天线子系统PAT子系统光波调制解调子系统光学天线子系统星间激光通信中，光学天线的作用十分重要，主要表现在两方面：在发送端对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径，可以有效的压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求在接收端增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰，可充分提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离光学天线类型常见类型折射式天线伽利略式开普勒式反射式天线单反射面双（多）反射面折反射组合式天线几种双反射面光学天线牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远侧焦点处牛顿式卡塞格伦式格雷果里式卡塞格伦天线----常见选择优点没有实焦点重量轻光路设计方便MNF1F2馈源2b2aPAT子系统光学天线发送光束接收光束光发送机光束方向驱动功能单元光接收机开环瞄准功能单元跟踪功能单元捕获功能单元信标光源PAT工作流程开环瞄准捕获扫描误差检测天线方向调整跟踪误差检测光束方向微调扫描方式单方扫描（Stare—Scan）光束扫描FOV扫描双方扫描（Scan—Scan）扫描过程主动方按完善的扫描策略计算出若干扫描点，确保在某扫描点上发送光束一定可以覆盖被动方；主动方驱动天线逐一瞄准各个扫描点，并在每个扫描点作一定时间的驻留；在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的FOV中（因为被动方有足够大的FOV，因此在其未实现天线精确对准的情况下，也能在FOV中捕获到主动方投射来的发送光束）；在主动方于该扫描点上驻留的时间内，被动方卫星根据FOV中主动方出现的位置计算出对准误差，并进一步计算出纠正数据，驱动本方天线实现精确接收对准，同时也实现了本方发送光束到主动方的对准；被动方出现在主动方的接收FOV中，主动方计算出对准误差和纠正数据并驱动天线实现精确对准，停止扫描。扫描过程完成。扫描策略误差检测部件4QD光束方向调整部件快速倾斜镜（FSM）目前：快速调整跟踪以吸收卫星振动IAIDIBICxyPAT典型光路二轴反射镜天线方向驱动系统CCD信标光源半反镜卡塞格伦光学天线误差计算开环瞄准卫星状态信息扫描控制跟踪反射镜跟踪驱动误差计算QD光学滤波片捕获跟踪控制APD光束准直LD跟踪残差0-2002000-30300-6080AO子系统波前探测器透镜阵列CCD阵列单个透镜成像H-S波前传感器AO对接收性能的改善0.01.0时间（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）无AO0-10有AO调制/解调子系统光强调制/直接检测（IM/DD）为提高传输通道抗干扰能力，可采用脉冲位置调制（PPM）单脉冲PPM差分PPM多脉冲PPM9.3.3典型系统简介SILEXSILEX：Semiconductor-laserInter-satelliteLinkEXperiment，半导体激光星间链路实验ESA于80年代后期确立的星间激光通信计划1994年通过设备级方案评审1996年进行子系统的性能测试1998年3月22日LEO卫星发射2001年7月12日GEO卫星发射2001年11月22日实现星间激光通信SILEX示意图ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波对地链路SILEX工作参数设计传输距离45000km，上行速率50Mbps，下行速率2Mbps通信子系统采用IM/DD方案发送端光源使用GaAlAs半导体激光器，GEO发送波长819nm，LEO发送波长847nm，平均输出功率60m