第七章大氣激光通信系統(tǒng)

1、光通信原理與技術(shù)大氣激光通信7.1.2 大氣激光通信的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)無(wú)線(xiàn)優(yōu)勢(shì)：安裝便捷、使用方便，很適合于在特殊地形地貌及有限通信難以實(shí)現(xiàn)和機(jī)動(dòng)性要求較高的場(chǎng)所工作；開(kāi)通周期短，成本低容量?jī)?yōu)勢(shì)：光波頻率高，信息承載能力強(qiáng)電磁兼容優(yōu)勢(shì)：不占用無(wú)線(xiàn)電頻率資源、抗電磁干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的軍事應(yīng)用價(jià)值保密優(yōu)勢(shì)：激光良好的方向性使其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有高度保密性；激光光束的發(fā)散角小，信息截獲難尺寸優(yōu)勢(shì)：光波波長(zhǎng)短，在提供同樣增益的情況下，其天線(xiàn)尺寸要比微波、毫米波通信天線(xiàn)尺寸小得多；通信終端體積越來(lái)越小價(jià)格優(yōu)勢(shì)：半導(dǎo)體激光通信系統(tǒng)的容量/價(jià)格比極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)功耗優(yōu)勢(shì)：由于激光方向性極強(qiáng)，因此光源只需較小的功率即可實(shí)

2、現(xiàn)通信，通信終端功耗很低，易于遠(yuǎn)程饋電 上述優(yōu)勢(shì)中，無(wú)線(xiàn)優(yōu)勢(shì)和容量?jī)?yōu)勢(shì)二者的結(jié)合一方面克服了光纖通信在靈活性方面的缺點(diǎn)，另一方面又解決了無(wú)線(xiàn)/微波通信在容量方面的缺點(diǎn)，因而最為人們所看重。7.2 激光在大氣信道中的傳播特性7.2.1 大氣的特點(diǎn) 大氣是由大氣分子、水蒸氣及各種雜志微粒組成的混合物，這些粒子密度最大的地方是在靠近地面的對(duì)流層，粒子密度隨高度增加而減小，直至穿過(guò)電離層（包含電離電子，它形成包圍地球的輻射帶）。實(shí)際粒子的分布依賴(lài)于大氣層條件。 由于溫度差異、風(fēng)等原因，大氣中的分子、微粒處于不斷的運(yùn)動(dòng)之中，其組成、濕度、密度等都在不斷的變化，使得大氣常處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)7.2.2 大氣對(duì)

3、激光束傳播的影響 大氣對(duì)激光束傳播的主要影響大氣分子及懸浮微粒對(duì)光束的吸收與散射：導(dǎo)致光束能量損失，工程上常稱(chēng)大氣衰減大氣湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)光束的擾動(dòng)：引起光束的強(qiáng)度閃爍、光束漂移、擴(kuò)展與抖動(dòng)等現(xiàn)象，通常稱(chēng)為大氣湍流效應(yīng)1、大氣吸收紫外區(qū)（0.20.4m）：主要的吸收來(lái)源于O3可見(jiàn)光區(qū)：水汽、O2 、O3 均有強(qiáng)吸收紅外區(qū)：最活躍的吸收氣體分子是水汽、 O3和 CO2 。氣體分子的大量吸收譜線(xiàn)組成了吸收帶群，但在吸收帶之間少數(shù)幾個(gè)區(qū)域中存在相對(duì)“透明”的“窗口”，在這些窗口中輻射透過(guò)率較高，吸收較弱，通常稱(chēng)大氣窗口。2、大氣散射 大氣散射是由大氣中不同大小的顆粒的反射或折射造成的，這些顆粒包括組成大氣

4、的氣體分子、灰塵和大的水滴。純散射雖然沒(méi)有造成光波能量的損失，但是改變了光波能量的傳播方向，使部分能量偏離接收方向，從而造成接收光功率的下降 大氣對(duì)光的散射主要有瑞利散射、米式散射和非選擇散射（又稱(chēng)幾何散射） 在近地面大氣層中，分子散射的影響是很小的，造成光能量衰減的主要原因是懸浮粒子的散射3、大氣湍流 在大氣光學(xué)領(lǐng)域，湍流是指大氣中局部溫度、壓力的隨機(jī)變化而帶來(lái)的折射率的隨機(jī)變化。湍流產(chǎn)生許多溫度、密度具有微小差異而折射率不同的漩渦元，這些漩渦元隨風(fēng)速等快速地運(yùn)動(dòng)并不斷的產(chǎn)生和消滅。 當(dāng)光束通過(guò)這些折射率不同的漩渦元時(shí)會(huì)產(chǎn)生光束的彎曲、漂流和擴(kuò)展畸變等大氣湍流效應(yīng)，致使接收光強(qiáng)的閃爍與抖動(dòng)。

5、大氣湍流對(duì)光束特性的影響程度與形式同光束直徑d與湍流尺度l有很大關(guān)系，大致可分為三種情況：（1）dl，這是一種更常見(jiàn)的情況，此時(shí)光束截面內(nèi)含有許多小湍流漩渦，各自對(duì)照射的那一小部分光束起衍射作用，是光束的強(qiáng)度和相位在空間和時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)分布，相干性退化，光束面積也會(huì)擴(kuò)大，從而引起接收端的光強(qiáng)起伏，同時(shí)衰減總體接收光強(qiáng)在實(shí)際情況中，溫差的擾動(dòng)會(huì)使大氣不斷地混合，產(chǎn)生許多無(wú)法預(yù)料的各種尺度的湍流元，這些湍流元共同作用，加強(qiáng)了接收端的光強(qiáng)起伏（相同時(shí)間內(nèi)的光強(qiáng)起伏還與風(fēng)速及當(dāng)時(shí)的氣象條件有關(guān)）。因此對(duì)大氣湍流的探測(cè)和觀察是比較困難的，大氣湍流使信號(hào)探測(cè)變得不容易掌握，對(duì)大氣激光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很

6、大的障礙。目前，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可較好的解決這一問(wèn)題，但仍需對(duì)大氣湍流的變化尺度及變化規(guī)律進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)探索4、熱暈效應(yīng) 所謂熱暈效應(yīng)，是指大功率激光束在大氣中傳播時(shí)，激光束路徑上的大氣分子或懸浮微粒將吸收部分激光能量而發(fā)熱，且足以導(dǎo)致空氣折射率發(fā)生變化，從而使激光束發(fā)生附加的彎曲和畸變等現(xiàn)象，也稱(chēng)熱畸變效應(yīng) 原則上講，只要大氣對(duì)激光能量有吸收就會(huì)產(chǎn)生熱暈效應(yīng)，但在激光功率較低或吸收系數(shù)很小的情況下，熱暈效應(yīng)對(duì)激光束傳播影響極小，通常可不考慮7.3用于大氣激光通信的關(guān)鍵器件和要求半導(dǎo)體光源窄帶光學(xué)濾波器光學(xué)天線(xiàn)7.3.1 半導(dǎo)體光源1、工作波長(zhǎng)的選擇 大氣的“通信窗口”是工作波長(zhǎng)選擇的重要依據(jù)。

7、同時(shí)還要注意避開(kāi)背景光的高輻射譜段。 大氣和地面對(duì)太陽(yáng)光的散射形成的背景輻射，對(duì)激光大氣通信的接收機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)強(qiáng)的噪聲源。 由圖知，為減小背景輻射的影響，不宜采用可見(jiàn)波段的激光，紫外和紅外是可選擇對(duì)象對(duì)于常用的紅外激光波段都是良好的大氣窗口?？紤]到器件的可行性，可以認(rèn)為810860nm、15501600nm都是無(wú)線(xiàn)光通信中可以選擇的通信波長(zhǎng)。從更好的抑制背景光噪聲的考慮出發(fā)，1550nm附近是更適合的通信窗口，且與目前光纖通信使用的波長(zhǎng)一致，可用器件選擇余地大、制造水平高，價(jià)格也相應(yīng)的比較便宜2、發(fā)射功率的選擇 激光束在大氣中傳播時(shí)，光能量不僅會(huì)受到大氣吸收、大氣散射而衰減，還會(huì)因光束的發(fā)散造

8、成接收光功率損耗。 隨著傳輸距離的增加，單位面積內(nèi)的光能量越來(lái)越小。對(duì)口徑一定的接收端來(lái)講，接收到的光功率也就減少了，因此在發(fā)送端往往需要通過(guò)光學(xué)天線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)激光束進(jìn)行擴(kuò)束。當(dāng)不使用發(fā)送光學(xué)天線(xiàn)時(shí)，光束發(fā)散損耗較大，1550nm波長(zhǎng)尤為顯著，在2km處損耗達(dá)到23dB，850nm的波長(zhǎng)稍好一些，但也達(dá)到了18dB；而使用口徑為10cm的發(fā)送光學(xué)天線(xiàn)后，光束發(fā)散損耗大大降低。 在獲得了光束發(fā)散損耗的范圍后，即可結(jié)合考慮大氣吸收、散射損耗以及背景噪聲、大氣閃爍等因素，最終獲得激光器發(fā)送功率的下限。 由于大氣激光通信系統(tǒng)工作在近地環(huán)境，考慮到激光對(duì)環(huán)境、生物可能造成的危害，激光器的功率不宜過(guò)大，按眼睛

9、安全標(biāo)準(zhǔn)，激光器功率應(yīng)小于17dBm，考慮到光發(fā)送天線(xiàn)對(duì)激光束的擴(kuò)束作用分散了激光束的能量，此限制可適當(dāng)放寬一些3、用于大氣激光通信的半導(dǎo)體激光器（1 ）耦合陣列：難以實(shí)現(xiàn)1W以上的大功率衍射限輸出（2）不穩(wěn)定諧振器結(jié)構(gòu)：加工技術(shù)要求太高，不適合大批量生產(chǎn)（3）單片機(jī)式有源光柵放大器：?jiǎn)文］敵龉β市。?）含外腔結(jié)構(gòu)的多芯片器件：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需要精確調(diào)整、不適合大批量生產(chǎn)，而且衍射限功率不太高（5）外腔注入寬面積放大器：穩(wěn)定性差，制作技術(shù)復(fù)雜，不能單片集成（6）主振功率放大器LD：是目前最理想的結(jié)構(gòu)。在主振功率放大器的典型工作中，主振和功放分別偏置。主振可以固定偏置，此時(shí)光輸出功率隨加到放大器的電

10、流呈線(xiàn)性變化；相反，放大器也可以固定電流偏置，輸出功率改變振蕩器電流開(kāi)、關(guān)。這種能力是唯主振功率放大器所具備的優(yōu)點(diǎn)僅幾百毫安控制電流就能獲得幾瓦單模功率7.3.2 半導(dǎo)體光源的光學(xué)準(zhǔn)直1、激光器的光束發(fā)散 半導(dǎo)體激光束的發(fā)散特性可以用發(fā)散角來(lái)描述。發(fā)散角的定義為光功率密度下降為最大輻射方向功率密度的一半的兩個(gè)方向之間的夾角。7.3.3 窄帶光學(xué)濾波器 用于光信號(hào)檢測(cè)的PIN、APD等光檢測(cè)器件均存在較大波長(zhǎng)范圍的響應(yīng)區(qū)，因此落在這些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的背景光不可避免的也要形成光電流，使系統(tǒng)信噪比下降。背景光源抑制方法：1、采用不同的焦點(diǎn)成像或加長(zhǎng)天線(xiàn)套筒對(duì)背景光進(jìn)行有效地遮擋2、采用光學(xué)濾波技術(shù)對(duì)背景

11、光進(jìn)行抑制。 用于大氣激光通信的光學(xué)濾波器基本類(lèi)型有吸收濾波器、干涉濾波器和原子共振濾波器。出于成本考慮，通常在大氣激光通信中可以使用價(jià)格相對(duì)較低的DFT干涉型光學(xué)濾波器或光纖布拉格光柵型光學(xué)濾波器當(dāng)光纖纖芯經(jīng)充氫處理，并使用紫外光干涉譜照射一段時(shí)間，則可在纖芯的內(nèi)形成折射率沿軸方向產(chǎn)生周期性擾動(dòng)，即形成光纖光柵。反射型光纖光柵亦稱(chēng)光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）。纖芯中折射率的周期擾動(dòng)將導(dǎo)致相反方向傳輸模式間的耦合，在滿(mǎn)足相位匹配條件時(shí)，對(duì)特定波長(zhǎng)的光波具有很高的反射率。在大氣激光通信系統(tǒng)中應(yīng)用FBG時(shí)，需要將空間光束耦合進(jìn)光纖，同時(shí)，由于FBG是有選擇地對(duì)某

12、一波長(zhǎng)范圍的光波進(jìn)行反射，因此還需要使用光纖環(huán)形器調(diào)整光傳輸方向，使反射的光波能夠到達(dá)光電檢測(cè)器。7.3.4 光學(xué)天線(xiàn)1、光學(xué)天線(xiàn)的作用和類(lèi)型選擇 光學(xué)天線(xiàn)的作用：（1）在發(fā)送端，對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，增大激光束的束腰半徑（2）在接收端，增大接受面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾 光學(xué)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式：折射式天線(xiàn)、反射式天線(xiàn) 和折反射組合式天線(xiàn) 在大氣激光通信系統(tǒng)中，出于成本方面的考慮，通常選擇折射式光學(xué)天線(xiàn)（由一組透鏡構(gòu)成） 折射式光學(xué)天線(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，光無(wú)遮擋，加之球面透鏡工藝成熟，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)易消除各種像差，且物鏡組牢固穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用不變形。 為減少表面反射，通常各透鏡還需要鍍上一層或多

13、層針對(duì)工作波長(zhǎng)的增透膜，如采用多層鍍膜技術(shù)，實(shí)際上此時(shí)該透鏡還起到了一定的光學(xué)濾波作用，可有效的減少背景光的干擾2、激光束的擴(kuò)束 激光束是一種高斯光束，高斯光束可看作是均勻球面波的一種推廣，博伊德各和戈登已證明，高斯光束的傳播軸線(xiàn)與透鏡主軸重合時(shí)，通過(guò)透鏡后仍為高斯光束，只不過(guò)表征高斯光束的參量發(fā)生改變。由透鏡對(duì)高斯光束的變換規(guī)律，即可導(dǎo)出擴(kuò)束透鏡的臨界焦距。擴(kuò)束透鏡的臨界焦距等于該點(diǎn)波面曲率半徑的1/2。當(dāng)透鏡的焦距大于臨界焦距時(shí)，對(duì)激光束起擴(kuò)束作用，且擴(kuò)束的最佳透鏡焦距就等于該點(diǎn)波面的曲率半徑；反之，透鏡對(duì)激光束起聚焦作用。 通常我們使用透鏡級(jí)聯(lián)的方法在較小的空間尺寸下實(shí)現(xiàn)激光束的擴(kuò)束。3

14、、光束的聚焦光檢測(cè)器應(yīng)放置在光學(xué)接收天線(xiàn)的焦點(diǎn)處7.4 調(diào)制方法 目前的數(shù)字光通信系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)為強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)。應(yīng)用于強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)光通信系統(tǒng)中的調(diào)制方式有很多種，其中最一般的形式是開(kāi)關(guān)監(jiān)控（OOK）和曼徹斯特編碼。通常，光源由編碼脈沖波形進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，同時(shí)，直接檢測(cè)接收機(jī)對(duì)強(qiáng)度調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行解碼。 為了進(jìn)一步提高傳輸通道抗干擾能力，應(yīng)用于大氣信道的光通信系統(tǒng)很多采用了脈沖位置調(diào)制（PPM）。PPM是一種正交調(diào)制方式，相比于開(kāi)關(guān)鍵控調(diào)制方式，它的平均功率降低了，但是同時(shí)為此付出的代價(jià)是增加了對(duì)帶寬的需求。 7.4.1 單脈沖脈位調(diào)制 單脈沖脈位調(diào)制（L-PPM），是

15、將一個(gè)二進(jìn)制的n位數(shù)據(jù)組映射為由2n個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)間段上的某一個(gè)時(shí)隙處的單個(gè)脈沖信號(hào)。 如果將n位數(shù)據(jù)組寫(xiě)成M=（m1，m2，mn），而將時(shí)隙位置記為l，則單脈沖PPM調(diào)制的映射編碼關(guān)系可以寫(xiě)成是：l= m1 +2 m2 +2n-1 mn 0，1，n-1例如，對(duì)于一個(gè)4-PPM調(diào)制：若M=（0，0），則l=0；若M=（1，0），則l=1；若M=（0，1），則l=2；若M=（1，1），則l=3；單位傳信率 用來(lái)比較不同調(diào)制方式的一個(gè)參數(shù)，是指每秒每赫茲傳輸比特?cái)?shù) =R/B（bit/（sHz） 式中R是傳輸速率（bit/s）,B是信號(hào)帶寬（Hz） 在相同傳信率時(shí)，單脈沖PPM調(diào)制要求傳輸碼率比OO

16、K調(diào)制高，相應(yīng)的帶寬也大PPM的功率及頻帶利用率兩者之間的折中率較好，IEEE802.11委員會(huì)于1995年11月推薦PPM調(diào)制方式用于速率為010MHz的紅外無(wú)線(xiàn)通信7.4.2 差分脈位調(diào)制 差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）是一種在單脈沖PPM調(diào)制基礎(chǔ)上改進(jìn)的調(diào)制方式。對(duì)于一個(gè)L-PPM碼組，它的位數(shù)是固定的L位，其中一位為1，其他的位都為零。而L-DPPM的碼組位數(shù)是不定的，它是由一串低電平后跟著一位高電平構(gòu)成。DPPM調(diào)制信號(hào)將PPM調(diào)制信號(hào)的一個(gè)碼組中高電平以后的信號(hào)全部去掉。在相同傳信率的情況下，DPPM調(diào)制比PPM調(diào)制占用的信道帶寬少，而與OOK調(diào)制相比，它的平均光功率要小。 DPPM調(diào)制后的信號(hào)數(shù)據(jù)量是不確定的，這限制了DPPM在某些系統(tǒng)中的應(yīng)用。7.4.3 多脈沖PPM調(diào)制 多脈沖PPM調(diào)制方式是將n個(gè)二進(jìn)制的信息元映射為有M個(gè)時(shí)隙組成的時(shí)段上的多個(gè)脈沖。 實(shí)現(xiàn)上較為復(fù)雜。7.4.4 解調(diào)及比較 在接收端，要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼，最重要的就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決。對(duì)于無(wú)線(xiàn)光通信，不論是室內(nèi)的光通信還是應(yīng)用于室外的光通信或是空間光通信，由于各種原因，光脈沖總會(huì)有色散延時(shí)，脈沖波形會(huì)展寬，不僅會(huì)導(dǎo)致一個(gè)碼組內(nèi)碼元的串?dāng)_，還會(huì)引起碼組間信號(hào)的相互干擾。這對(duì)在接收端的判決解碼會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的影響，需