1、光通信原理與技術大氣激光通信7.1 概述大氣激光通信的研究進展大氣激光通信的應用優勢大氣激光通信面臨的主要問題7.1.1 大氣激光通信的研究進展 大氣激光通信又被稱為自由空間光通信（free space optics，FSO）。從激光出現至今，激光通信技術的發展大致經過了高峰-低估-復蘇三個階段。高峰期：20世紀6070年代。1961年美國貝爾實驗室和休斯公司分別用紅寶石激光器和氦-氖激光器作了大氣通信實驗。60年代中期，co2激光器和Nd：YAG激光器的發明使大氣激光通信又向前邁進了一步，尤其是co2激光器，它發射的波長為10.6m，正好處于大氣信道傳輸的窗口，逐漸成為大氣激光通信的候選光源

2、60年代中期以后，涌現出了許多大氣激光通信實驗系統，其中包括10.6m外差檢測電視信號傳輸實驗系統，傳輸距離19英里；30Mb/s脈沖編碼調制通信實驗系統，傳輸距離5英里； 10.6m， 224Mb/s脈沖編碼通信實驗系統等衰落期：20世紀7080年代。由于當時技術條件的限制，大氣激光通信系統受氣候條件的影響很大；受大氣湍流的影響，通信質量也很不穩定，因此其應用場合大受限制，無法推廣。70年代后，大氣激光通信在光纖通信研究熱潮中逐漸消退。80年代中后期，國際國內大部分從事激光大氣通信技術研究的單位相繼停止了對它的進一步研究。在近20年的時間內，該項技術沒有取得多大的進展，大氣激光通信的發展步入

3、了低谷。復蘇期：20世紀90年代至今。進入90年代后，大功率半導體激光器件被研制成功并推入市場，激光技術、光電檢測等關鍵技術也日益完善和成熟，隨著空間通信需求的日益增加，大氣激光通信重新喚起了人們的熱情。在探索大容量、高速率通信的研究中，大氣激光通信重新喚起了人們的熱情。在探索大容量、高速率通信的研究中，大氣激光通信技術悄然復蘇并逐漸走向實用化。1988年，巴西AVIBRAS宇航公司研制出一種便攜式半導體激光大氣通信系統1989年，美國FARANTI儀器公司研制出一種短距離、隱藏式大氣激光通信系統1990年，美國成功試驗了一種適合特種戰爭和低強度戰爭需要的紫外光波通信系統，通信距離25km。與

4、此同時，俄羅斯推出10km以內的半導體激光大氣通信系統近年來，美國、日本、英國等相繼推出一系列大氣激光通信系統產品 我國對大氣激光通信的研究幾乎與國際同步1963年，開始大氣激光通信的研究1971年，電子工業部三十四所開始了大氣激光通信技術的研究1974年，推出Nd：YAG激光大氣通信系統樣機1999年，中科院上海光機所分別推出了34Mb/s的激光大氣通信樣機2000年，中科院上海光機所分別推出了155Mb/s的激光大氣通信樣機；信息產業部三十四所推出了8Mb/s的實用型近地大氣激光通信機目前國內一些企業已經推出了大氣激光通信端機產品，并在一些場合得到了應用7.1.2 大氣激光通信的應用優勢無

5、線優勢：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現和機動性要求較高的場所工作；開通周期短，成本低容量優勢：光波頻率高，信息承載能力強電磁兼容優勢：不占用無線電頻率資源、抗電磁干擾能力強，具有很強的軍事應用價值保密優勢：激光良好的方向性使其傳輸的數據具有高度保密性；激光光束的發散角小，信息截獲難尺寸優勢：光波波長短，在提供同樣增益的情況下，其天線尺寸要比微波、毫米波通信天線尺寸小得多；通信終端體積越來越小價格優勢：半導體激光通信系統的容量/價格比極具競爭優勢功耗優勢：由于激光方向性極強，因此光源只需較小的功率即可實現通信，通信終端功耗很低，易于遠程饋電 上述優勢中，無線優勢和容

6、量優勢二者的結合一方面克服了光纖通信在靈活性方面的缺點，另一方面又解決了無線/微波通信在容量方面的缺點，因而最為人們所看重。7.1.3 大氣激光通信面臨的主要問題對大氣信道衰減大及衰減隨機變量大的補償技術問題大氣湍流的影響，使信道折射率發生不均勻的隨機變化，使接收光斑發生閃爍現象和漂移現象。驅動功率小、轉換效率高、激光輸出功率大、調制帶寬大及伺服系統簡單的激光發射器件的制作靈敏度高、噪聲特性好、適合于常溫環境下工作的接收器件的制作體積小、重量輕、光學特性好、便于安裝/調校的光學收發天線的制作背景噪聲濾除技術問題。如果采用光濾波技術，又存在激光器的頻率穩定技術問題在機動性要求高和工作平臺方位穩定

7、性差的場合下的自動跟蹤、瞄準技術 可總結為：解決全天候、高機動性和高靈活性的穩定可靠工作問題 7.2 激光在大氣信道中的傳播特性7.2.1 大氣的特點 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流層，粒子密度隨高度增加而減小，直至穿過電離層（包含電離電子，它形成包圍地球的輻射帶）。實際粒子的分布依賴于大氣層條件。 由于溫度差異、風等原因，大氣中的分子、微粒處于不斷的運動之中，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動狀態7.2.2 大氣對激光束傳播的影響 大氣對激光束傳播的主要影響大氣分子及懸浮微粒對光束的吸收與散射：導致光束能量

8、損失，工程上常稱大氣衰減大氣湍流運動對光束的擾動：引起光束的強度閃爍、光束漂移、擴展與抖動等現象，通常稱為大氣湍流效應1、大氣吸收紫外區（0.20.4m）：主要的吸收來源于O3可見光區：水汽、O2 、O3 均有強吸收紅外區：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組成了吸收帶群，但在吸收帶之間少數幾個區域中存在相對“透明”的“窗口”，在這些窗口中輻射透過率較高，吸收較弱，通常稱大氣窗口。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的氣體分子、灰塵和大的水滴。純散射雖然沒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

9、部分能量偏離接收方向，從而造成接收光功率的下降 大氣對光的散射主要有瑞利散射、米式散射和非選擇散射（又稱幾何散射） 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 在大氣光學領域，湍流是指大氣中局部溫度、壓力的隨機變化而帶來的折射率的隨機變化。湍流產生許多溫度、密度具有微小差異而折射率不同的漩渦元，這些漩渦元隨風速等快速地運動并不斷的產生和消滅。 當光束通過這些折射率不同的漩渦元時會產生光束的彎曲、漂流和擴展畸變等大氣湍流效應，致使接收光強的閃爍與抖動。大氣湍流對光束特性的影響程度與形式同光束直徑d與湍流尺度l有很大關系，大致可分為三種情況：（1

10、）dl，這是一種更常見的情況，此時光束截面內含有許多小湍流漩渦，各自對照射的那一小部分光束起衍射作用，是光束的強度和相位在空間和時間上出現隨機分布，相干性退化，光束面積也會擴大，從而引起接收端的光強起伏，同時衰減總體接收光強在實際情況中，溫差的擾動會使大氣不斷地混合，產生許多無法預料的各種尺度的湍流元，這些湍流元共同作用，加強了接收端的光強起伏（相同時間內的光強起伏還與風速及當時的氣象條件有關）。因此對大氣湍流的探測和觀察是比較困難的，大氣湍流使信號探測變得不容易掌握，對大氣激光通信系統的穩定性造成很大的障礙。目前，自適應光學技術可較好的解決這一問題，但仍需對大氣湍流的變化尺度及變化規律進行更

11、多的實驗探索4、熱暈效應 所謂熱暈效應，是指大功率激光束在大氣中傳播時，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熱，且足以導致空氣折射率發生變化，從而使激光束發生附加的彎曲和畸變等現象，也稱熱畸變效應 原則上講，只要大氣對激光能量有吸收就會產生熱暈效應，但在激光功率較低或吸收系數很小的情況下，熱暈效應對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鍵器件和要求半導體光源窄帶光學濾波器光學天線7.3.1 半導體光源1、工作波長的選擇 大氣的“通信窗口”是工作波長選擇的重要依據。同時還要注意避開背景光的高輻射譜段。 大氣和地面對太陽光的散射形成的背景輻射，對激光大氣通信的

12、接收機來說是一個強的噪聲源。 由圖知，為減小背景輻射的影響，不宜采用可見波段的激光，紫外和紅外是可選擇對象從圖7.1可以看出，在小于300nm的紫外波段，大氣的透過率急劇下降，顯然，該波段雖然避開了太陽的高輻射譜段，但是大氣衰減太大，因此不利于大氣激光通信。對于常用的紅外激光波段都是良好的大氣窗口。考慮到器件的可行性，可以認為810860nm、15501600nm都是無線光通信中可以選擇的通信波長。從更好的抑制背景光噪聲的考慮出發，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一致，可用器件選擇余地大、制造水平高，價格也相應的比較便宜2、發射功率的選擇 激光束在大氣中傳播時，光

13、能量不僅會受到大氣吸收、大氣散射而衰減，還會因光束的發散造成接收光功率損耗。 隨著傳輸距離的增加，單位面積內的光能量越來越小。對口徑一定的接收端來講，接收到的光功率也就減少了，因此在發送端往往需要通過光學天線系統對激光束進行擴束。當不使用發送光學天線時，光束發散損耗較大，1550nm波長尤為顯著，在2km處損耗達到23dB，850nm的波長稍好一些，但也達到了18dB；而使用口徑為10cm的發送光學天線后，光束發散損耗大大降低。 在獲得了光束發散損耗的范圍后，即可結合考慮大氣吸收、散射損耗以及背景噪聲、大氣閃爍等因素，最終獲得激光器發送功率的下限。 由于大氣激光通信系統工作在近地環境，考慮到激

14、光對環境、生物可能造成的危害，激光器的功率不宜過大，按眼睛安全標準，激光器功率應小于17dBm，考慮到光發送天線對激光束的擴束作用分散了激光束的能量，此限制可適當放寬一些3、用于大氣激光通信的半導體激光器（1 ）耦合陣列：難以實現1W以上的大功率衍射限輸出（2）不穩定諧振器結構：加工技術要求太高，不適合大批量生產（3）單片機式有源光柵放大器：單模輸出功率?。?）含外腔結構的多芯片器件：結構復雜、需要精確調整、不適合大批量生產，而且衍射限功率不太高（5）外腔注入寬面積放大器：穩定性差，制作技術復雜，不能單片集成（6）主振功率放大器LD：是目前最理想的結構。在主振功率放大器的典型工作中，主振和功放

15、分別偏置。主振可以固定偏置，此時光輸出功率隨加到放大器的電流呈線性變化；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、關。這種能力是唯主振功率放大器所具備的優點僅幾百毫安控制電流就能獲得幾瓦單模功率7.3.2 半導體光源的光學準直1、激光器的光束發散 半導體激光束的發散特性可以用發散角來描述。發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方向之間的夾角。 在垂直于結平面和平行于結平面的方向上的發散角分別為垂直發散角 和水平發散角 。 deff為有源區的有效厚度，weff為有源區的有效寬度，為激光波長 發散角越小，方向性越好)arcsin(2effd)arcsin(2

16、/effw2、光束準直準直光學系統的功能：（1）能夠將激光束高效率的耦合到光學天線的饋源上（2）對半導體激光器的輸出光束進行整形，壓縮光束發散或光束束腰半徑，改善遠場對稱性和光斑形狀7.3.3 窄帶光學濾波器 用于光信號檢測的PIN、APD等光檢測器件均存在較大波長范圍的響應區，因此落在這些波長范圍內的背景光不可避免的也要形成光電流，使系統信噪比下降。背景光源抑制方法：1、采用不同的焦點成像或加長天線套筒對背景光進行有效地遮擋2、采用光學濾波技術對背景光進行抑制。 用于大氣激光通信的光學濾波器基本類型有吸收濾波器、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格相對較

17、低的DFT干涉型光學濾波器或光纖布拉格光柵型光學濾波器當光纖纖芯經充氫處理，并使用紫外光干涉譜照射一段時間，則可在纖芯的內形成折射率沿軸方向產生周期性擾動，即形成光纖光柵。反射型光纖光柵亦稱光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，FBG）。纖芯中折射率的周期擾動將導致相反方向傳輸模式間的耦合，在滿足相位匹配條件時，對特定波長的光波具有很高的反射率。在大氣激光通信系統中應用FBG時，需要將空間光束耦合進光纖，同時，由于FBG是有選擇地對某一波長范圍的光波進行反射，因此還需要使用光纖環形器調整光傳輸方向，使反射的光波能夠到達光電檢測器。7.3.4 光學天線1、光學天線的作用和類型選

18、擇 光學天線的作用：（1）在發送端，對激光束實現擴束，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 光學天線的結構形式：折射式天線、反射式天線 和折反射組合式天線 在大氣激光通信系統中，出于成本方面的考慮，通常選擇折射式光學天線（由一組透鏡構成） 折射式光學天線的主要優點是成本低，光無遮擋，加之球面透鏡工藝成熟，通過光學設計易消除各種像差，且物鏡組牢固穩定，長期使用不變形。 為減少表面反射，通常各透鏡還需要鍍上一層或多層針對工作波長的增透膜，如采用多層鍍膜技術，實際上此時該透鏡還起到了一定的光學濾波作用，可有效的減少背景光的干擾2、激光束的擴束 激光束是一種高

19、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與透鏡主軸重合時，通過透鏡后仍為高斯光束，只不過表征高斯光束的參量發生改變。由透鏡對高斯光束的變換規律，即可導出擴束透鏡的臨界焦距。擴束透鏡的臨界焦距等于該點波面曲率半徑的1/2。當透鏡的焦距大于臨界焦距時，對激光束起擴束作用，且擴束的最佳透鏡焦距就等于該點波面的曲率半徑；反之，透鏡對激光束起聚焦作用。 通常我們使用透鏡級聯的方法在較小的空間尺寸下實現激光束的擴束。3、光束的聚焦光檢測器應放置在光學接收天線的焦點處7.4 調制方法 目前的數字光通信系統大多設計為強度調制/直接檢測（IM/DD）系統。應用于強度

20、調制/直接檢測光通信系統中的調制方式有很多種，其中最一般的形式是開關監控（OOK）和曼徹斯特編碼。通常，光源由編碼脈沖波形進行強度調制，同時，直接檢測接收機對強度調制后的信號進行解碼。 為了進一步提高傳輸通道抗干擾能力，應用于大氣信道的光通信系統很多采用了脈沖位置調制（PPM）。PPM是一種正交調制方式，相比于開關鍵控調制方式，它的平均功率降低了，但是同時為此付出的代價是增加了對帶寬的需求。 7.4.1 單脈沖脈位調制 單脈沖脈位調制（L-PPM），是將一個二進制的n位數據組映射為由2n個時隙組成的時間段上的某一個時隙處的單個脈沖信號。 如果將n位數據組寫成M=（m1，m2，mn），而將時隙位

21、置記為l，則單脈沖PPM調制的映射編碼關系可以寫成是：l= m1 +2 m2 +2n-1 mn 0，1，n-1例如，對于一個4-PPM調制：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 用來比較不同調制方式的一個參數，是指每秒每赫茲傳輸比特數 =R/B（bit/（sHz） 式中R是傳輸速率（bit/s）,B是信號帶寬（Hz） 在相同傳信率時，單脈沖PPM調制要求傳輸碼率比OOK調制高，相應的帶寬也大PPM的功率及頻帶利用率兩者之間的折中率較好，IEEE802.11委員會于1995年11月推薦PPM調制方式用于速率為0

22、10MHz的紅外無線通信7.4.2 差分脈位調制 差分脈沖位置調制（DPPM）是一種在單脈沖PPM調制基礎上改進的調制方式。對于一個L-PPM碼組，它的位數是固定的L位，其中一位為1，其他的位都為零。而L-DPPM的碼組位數是不定的，它是由一串低電平后跟著一位高電平構成。DPPM調制信號將PPM調制信號的一個碼組中高電平以后的信號全部去掉。在相同傳信率的情況下，DPPM調制比PPM調制占用的信道帶寬少，而與OOK調制相比，它的平均光功率要小。 DPPM調制后的信號數據量是不確定的，這限制了DPPM在某些系統中的應用。7.4.3 多脈沖PPM調制 多脈沖PPM調制方式是將n個二進制的信息元映射為

23、有M個時隙組成的時段上的多個脈沖。 實現上較為復雜。7.4.4 解調及比較 在接收端，要對接收到的信號進行解碼，最重要的就是對信號進行判決。對于無線光通信，不論是室內的光通信還是應用于室外的光通信或是空間光通信，由于各種原因，光脈沖總會有色散延時，脈沖波形會展寬，不僅會導致一個碼組內碼元的串擾，還會引起碼組間信號的相互干擾。這對在接收端的判決解碼會產生很嚴重的影響，需要想辦法克服或盡量減小其影響。對于L-PPM信號，判決可以分為軟判決和硬判決。硬判決解碼就是對每一個抽樣根據判決門限直接進行判決，高電平為1，低電平為0；然后將已經判決的一個L位的碼組的解碼交給解碼器。由解碼器來決定解碼輸出，包括

24、在所有抽樣都為0或者不止一位抽樣為1的情況下的解碼輸出（這個時侯顯然會有誤碼產生）。通常，這種判決解碼較容易實現。軟判決解碼對每一個抽樣值不量化，而是比較一個碼組中的所有L位值，由解碼器選擇L位中值最大的位作為脈沖位值進行解碼。有研究表明，在一定條件下硬判決解碼比軟判決解碼要多1.5dB功率損傷。7.5 大氣通信系統目前，大氣激光通信系統已基本發展成熟，有眾多廠家推出了實用化的產品7.5.1 系統框圖7.5.2 系統各單元功能1、電端機 電端機實現對信息的編碼和還原。目前大多數系統沒有設計這一功能單元，主要原因是多數情況下大氣激光通信系統擔任的角色是提供一條無線寬帶鏈路，換言之，進入系統的已經

25、是經過電編碼的比特流。在這種情況下，大氣激光通信系統的電端機只需要實現輸入輸出接口比特流線路碼型到NRZ碼的還原即可大部分大氣激光通信系統在設計時都考慮了提供光纖接口（數據源到端機之間信號的傳輸通常需要使用光纖來實現）。常見的光纖接口有100/1000（Mb/s）單/多模以太網光接口、155/622/2488 （Mb/s）SDH單模光接口。某些設備稱其接口速率從10155Mb/s，這種接口通常是2R接口，即沒有時鐘恢復電路，只是完成光信號到電信號的變換和放大整形，其優點是對線路協議透明，缺點是信號質量有所下降，誤碼率略高一些，大氣激光通信終端離客戶光端機不能太遠2、線路編解碼 由于大氣信道的不

26、穩定性，大氣激光通信鏈路的誤碼問題較為嚴重，因此有必要使用線路編碼實現前向糾錯。 大氣激光通信中誤碼主要表現為突發誤碼，即在一段時間內激光束傳播受大氣湍流影響或被移動物體短時遮擋，導致接收機誤碼率突然上升3、光調制解調 光調制解調單元實現信號的電-光/光-電轉換。 目前大多數系統使用半導體激光器作光源，PIN或APD作光檢測器。 大氣激光通信發送機中的激光器驅動、保護電路和接收機中的前放、主放、AGC電路以及后續的時鐘恢復、抽樣判決等電路與光纖通信中的光端機電路并無大的不同。4、自動功率控制 自動功率控制電路，在不同的大氣衰減條件下，自動調整發送光功率，降低對接收機AGC電路的動態范圍要求，使系統能夠正常工作。 自動功率控制電路可以從接收信號中獲得控制基準信息。當接收光信號功率上升或下降且保持一段時間不回調時，通常意味著大氣傳輸條件發生了變化，此時控制電路將自動調整半導體激光器的調制電流大小，使發送光功率下降或上升，以補償大氣變化導致的激光束傳播損耗變化滯后調整：防止自動功率控制電路頻繁起作用。5、光學收發天線