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目 錄1緒論11.1引言11.2自由空間光通信11.21定義：11.22特點(diǎn)12自由空間光通信的研究現(xiàn)狀22.1基于光電探測器直接耦合的FSO系統(tǒng)22.11缺點(diǎn)32.2基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)32.21這種新型的FSO系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：32.22基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)的2個(gè)必要因素：42.3國內(nèi)空間光通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展42.31國內(nèi)研究現(xiàn)狀42.32國外研究現(xiàn)狀53關(guān)鍵技術(shù)分析53.1幾種技術(shù)53.11光源及高碼率調(diào)制技術(shù)63.12高靈敏度抗干擾的光信號接收技術(shù)63.13收發(fā)天線63.14快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)63.15大氣信道的研究73.2影響自由空間光通信的重要因素73.21傳輸信道的影響73.22影響激光信號傳輸性質(zhì)73.23氣候條件影響84自由空間光通信系統(tǒng)的基本原理84.1概述84.2系統(tǒng)基本框架94.21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)95常見問題及解決方法105.1大氣媒介的影響105.2傳輸距離的影響105.3收發(fā)端對準(zhǔn)問題116自由空間光通信技術(shù)的應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢116.1應(yīng)用116.2發(fā)展趨勢117結(jié)束語12參考文獻(xiàn)13自由空間光通信技術(shù)的應(yīng)用研究【摘要】：自由空間光通信技術(shù)起源于上個(gè)世紀(jì)70年代，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是光纖通信技術(shù)的普遍應(yīng)用，是的該項(xiàng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。自由空間光通信具有極好的保密性，并且能夠解決通信中“最后一公里”的瓶頸問題，對于人類的通信具有很高的利用價(jià)值。天氣影響嚴(yán)重等問題的制約，其發(fā)展一直停滯不前。目前國內(nèi)對于無線光通信的研究進(jìn)展較慢，與國外先進(jìn)水平還相差較大，因此對無線光通信技術(shù)的研究有重要意義。應(yīng)在及時(shí)采取有效措施的基礎(chǔ)上，借鑒國外的一些先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，以盡快趕上國外先進(jìn)水平，爭取在無線光通信領(lǐng)域獲得更多的成果，擁有更加廣闊的應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】：自由光通信 現(xiàn)狀 趨勢 應(yīng)用【ABTRAT】：Free-space laser communication as a new technology has been developed for more than thirty years.Recently,the free-space laser communication has achieved a great communication. The free-space laser communication has a great performance in data security and capacity, which will be a good choice in communication or as the complement of other communication method. However, due to its technical limitations, such as fairly short transmission distance, severely affected by the weather and other problems, the wireless optical communication is slow in development. At present, the research on wireless optical communication at home makes slow progress, with great difference form the advanced levels abroad. So the study on wireless optical communication technology is of great importance. The effective measures should be timely adopted, the advanced experience abroad be used for reference, so as to catch up with the advanced level, achieve more results and have broader application prospects in the field of wireless optical communications.【Key word】:Free-space optical communication Current situation Development trends Application蘭州交通大學(xué)課程設(shè)計(jì)1緒論1.1引言人類社會(huì)進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域都得到了巨大的發(fā)展，其中最為突出的，對于人類的生活影響最為巨大的莫過于信息技術(shù)的高速發(fā)展。其具體表現(xiàn)在，通信方式的多樣化，網(wǎng)絡(luò)的全球化發(fā)展，有線通信和移動(dòng)無線通信的飛速發(fā)展;通信質(zhì)量的不斷提高，正在日益的滿足不同人群，不通層次的需要，并成為帶動(dòng)其他各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展所不可缺少的必備工具;通信數(shù)據(jù)量的日益擴(kuò)大，對于圖像，音頻、視頻等數(shù)據(jù)相結(jié)合的多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，從上個(gè)世紀(jì)八十年代到現(xiàn)在，移動(dòng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了第三時(shí)代。然而，以微波通信技術(shù)為基礎(chǔ)的衛(wèi)星通信也遇到一系列的新問題，如微波頻帶有限、容量不夠、方向性不好、保密性不樂觀等。因此，通信技術(shù)的另一個(gè)發(fā)展方向“無線激光通信”在全球快速的發(fā)展。自由空間光通信技術(shù)是基于無線電通信和光纖通信技術(shù)，利用激光為信號的載體，在大氣或太空中直接進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)。目前，主要的通信傳輸手段有微波、光纖等。微波通信節(jié)省了大量的原材料，能夠跨越復(fù)雜地形，較靈活的組建點(diǎn)、線結(jié)合的通信網(wǎng)，但具有頻帶窄，信道容量小，碼率低等不足。而光纖通信系統(tǒng)，線路容量大，不易受外界干擾，但必須有安裝光纜用的公用通道，但遇到惡劣地形條件時(shí)，工程施工難度大、建立周期長，費(fèi)用高。無線激光通信與光纖通信屬于同一范疇，既具有微波通信靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有光纖通信碼率高的優(yōu)點(diǎn)，其誤碼率相對于微波通信要低。1.2自由空間光通信1.21定義：自由空間光通信是指利用激光束作為載波在空間(陸地或外太空)直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)，又稱為“自由空間激光通信”(FSO:Free-space optical communication technology、“無纖激光通信”或“無線激光網(wǎng)絡(luò)”（Wireless Optical Network)。1.22特點(diǎn)1、保密性好。由于作為載體的激光光束的發(fā)散角度窄，通常在毫弧級，方向性好，使光通信具有極好的保密性、防竊聽和抗干擾能力;2、信息容量大。光頻頻段在1031017Hz，可利用的帶寬大約是無線射頻波段的10，倍，能夠傳出大于10GbPs的高數(shù)據(jù)碼率;3、功耗小，體積小。激光的能量高度集中，在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上接收到的信號功率密度高，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可大大降低，功耗相對較低重量輕，架設(shè)使用方便靈活，工程周期短，網(wǎng)絡(luò)建立十分靈活;4、天線尺寸小，成本低。由于空間激光通信的能量利用率高，使得發(fā)射機(jī)及其供電系統(tǒng)的重量減輕;由于激光的波長短，在同樣的發(fā)散角和接收視場角的要求下，發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都可以減小。擺脫了射頻系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量減輕、體積減小;5、自由空間對于光波是一種優(yōu)良的傳輸介質(zhì)，光波在自由空間中傳輸損耗小，傳輸同樣速率與信息的設(shè)備，光通信的設(shè)備的性價(jià)比最高，很適合于衛(wèi)星通信。由于激光無線通信具有以上的優(yōu)點(diǎn)，并且近年來大功率半導(dǎo)體激光技術(shù)、自適應(yīng)變焦技術(shù)、光波窄帶濾波技術(shù)、光源穩(wěn)頻技術(shù)、信號壓縮編碼技術(shù)、光學(xué)天線的設(shè)計(jì)制作以及安裝校準(zhǔn)技術(shù)不斷的發(fā)展和成熟，該項(xiàng)技術(shù)能夠解決地面與衛(wèi)星通信之間“最后一公里”的瓶頸問題，在太空中的應(yīng)用前景十分的廣大。此外，由于無線激光通信的尺寸小，建網(wǎng)快速方便，并且能夠大大的降低臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)的成本和工程時(shí)間，該技術(shù)也應(yīng)用于建筑物密集的城區(qū)里大樓之間的網(wǎng)絡(luò)連接，或不易鋪設(shè)光纖的區(qū)域，作為光纖的外設(shè)等。2自由空間光通信的研究現(xiàn)狀2.1基于光電探測器直接耦合的FSO系統(tǒng)早在30多年前，自由空間光通信曾掀起了研究的熱潮，但當(dāng)時(shí)的器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和大氣信道光傳輸特性本身的不穩(wěn)定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，隨著光纖制作技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、光通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善和成熟，光纖通信在20世紀(jì)80年代掀起了熱潮，自由空間光通信一度陷入低谷。然而，隨著骨干網(wǎng)的基本建成以及最后一公里問題的出現(xiàn)，以及近年來大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)、自適應(yīng)變焦技術(shù)、光學(xué)天線的設(shè)計(jì)制作及安裝校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，自由空間光通信的研究重新得到重視。 2.11缺點(diǎn)目前商用的FSO系統(tǒng)通常采用光源直接輸出、光電探測器直接耦合的方式，這種系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：1半導(dǎo)體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發(fā)散角不同，且出射光斑較粗，因此我們需要先將出射光束整形為圓高斯光束再準(zhǔn)直擴(kuò)束后發(fā)射，這樣發(fā)射端的光學(xué)系統(tǒng)就較為復(fù)雜，體積也會(huì)相應(yīng)增大。2在接收端，光斑經(jīng)光學(xué)天線會(huì)聚之后直接送入PD轉(zhuǎn)化為電信號。通常，我們需要提供點(diǎn)到點(diǎn)的，雙向的通信系統(tǒng)，這樣，F(xiàn)SO系統(tǒng)的每個(gè)終端都包括了激光器，探測器，光學(xué)系統(tǒng)，電子元器件和其中有源器件所需要的電源。這種系統(tǒng)的體積通常比較大，重量大，成本也比較高。從FSO系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中可以看出，完成一個(gè)簡單的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路需要6個(gè)OE轉(zhuǎn)換單元。隨著人們對帶寬的需求越來越高，PD的成本也越來越高，6個(gè)OE轉(zhuǎn)換單元大大增加了成本閉。3FSO終端設(shè)備一般安裝于樓頂，如果終端中含有大量的有源設(shè)備，會(huì)給我們的安裝帶來了很多不方便。4系統(tǒng)的可擴(kuò)展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加，那么封裝在一起的整個(gè)FSO系統(tǒng)終端都需要被新的終端取代，安裝新設(shè)備的過程需要再次對準(zhǔn)，整個(gè)升級過程所需要的時(shí)間很長，給人們帶來巨大的損失。 2.2基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng) 光纖輸出、光纖輸入的自由空間光通信系統(tǒng)，激光器輸出的高斯光束耦合至光纖再經(jīng)準(zhǔn)直出射，傳輸一定距離后，光束通過合適的聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光纖纖芯上，沿著光纖傳輸后經(jīng)PD接收還原信號。這樣我們通過在發(fā)射和接收端都采用光纖連接的方式，只需要在樓頂放置光學(xué)天線系統(tǒng)，而將其他的控制系統(tǒng)通過光纖放置于室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的連接，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝。2.21這種新型的FSO系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1減少了不必要的E一O轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要2個(gè)OE接口即可，大大降低了成本。2光學(xué)系統(tǒng)較為簡單，光纖出射的光束一般為圓高斯光，不需要整形，簡化了光學(xué)系統(tǒng)，減小了體積，易于安裝。3易于升級及維護(hù)，當(dāng)用戶的帶寬增加時(shí)，我們只需要對放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行升級即可，免去了復(fù)雜繁瑣的對準(zhǔn)過程。4基于光纖耦合的空間光通信系統(tǒng)能夠很好的與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用現(xiàn)有的比較成熟的光纖通信系統(tǒng)中的器件如發(fā)射接收模塊，EDFA和WDM中所用到的復(fù)用器和解復(fù)用器。5可以與光碼分多址復(fù)用技術(shù)（OCDMA）相結(jié)合，構(gòu)成自由空間OCDMA系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬。2.22基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)的2個(gè)必要因素：1體積小，重量輕的光學(xué)天線系統(tǒng)一個(gè)最佳的光學(xué)天線的設(shè)計(jì)首先必須使盡可能多的光耦合進(jìn)單模光纖，獲得最大的耦合效率；其次要能通過粗跟蹤系統(tǒng)測出入射光的角度；另外，必須滿足盡可能高的通信速率和穩(wěn)定性。2性能良好的跟蹤系統(tǒng)要使光學(xué)接收天線接收到的光能夠有效的耦合進(jìn)纖芯和數(shù)值孔徑都極小的單模光纖，我們必須為系統(tǒng)加上雙向的跟蹤系統(tǒng)。2.3國內(nèi)空間光通信系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 2.31國內(nèi)研究現(xiàn)狀 就國內(nèi) FSO 的發(fā)展來說，還基本在起步階段。有幾家研究所與公司 由于跟蹤這項(xiàng)技術(shù)比較早，所以現(xiàn)在在實(shí)驗(yàn)室作出了自己的樣機(jī)，但是還沒有一家公司規(guī)模性的來生產(chǎn) FSO 設(shè)備。當(dāng)然這也有 FSO 設(shè)備由于本身的可靠性,在國內(nèi)暫時(shí)不被運(yùn)營商看好的因素。這幾家樣機(jī)比較成熟的單位有：桂林三十四所，清華同方有限公司，中科院成都 光電技術(shù)研究所，深圳飛通有限公司，上海光機(jī)所等。中科院成都光電技術(shù)研究所引進(jìn)國外公司先進(jìn)的激光器及其附屬電 路，利用自己在光學(xué)器件上的優(yōu)勢，開發(fā)出了工作波長為 850nm，可 以傳輸 1 公里、4 公里兩種距離的兩款產(chǎn)品。產(chǎn)品主要性能參數(shù)是， 速率：10Mb/s；工作波長：850nm；通信距離：14Km；光發(fā)射功 率：330mW。 上海光機(jī)所承擔(dān)的“無線激光通信系統(tǒng)”項(xiàng)目在 2003 年 1 月 13 日通過 了驗(yàn)收。該系統(tǒng)具有雙向高速傳輸和自動(dòng)跟蹤功能。其傳輸速率可以 達(dá)到 622Mb/s，通信距離可以達(dá)到 2Km，自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度為 0.1mrad，響應(yīng)時(shí)間為 0.2s。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采用雙波長同光路接收鏡 筒和高靈敏度位敏探測器，實(shí)現(xiàn)靈敏的伺服跟蹤，并簡化通信系統(tǒng)的 機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低成本術(shù)上具有自己的特色和創(chuàng)新，已申請一項(xiàng)專利。 深圳飛通有限公司利用自身強(qiáng)大的光電器件的優(yōu)勢， 開發(fā)出了光收發(fā) 模塊加上 EDFA 系統(tǒng)方式的樣機(jī)，其速率有 155Mb/s，622Mb/s,以及 1.25Gb/s 幾種，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 4KM。2.32國外研究現(xiàn)狀在自由空間光通信(FOS)領(lǐng)域,國外已經(jīng)開始了將近10年的研究，但是 FOS產(chǎn)品真正投人使用也就是最近幾年的事情。美國、英國、加拿大等國的十幾家廠商正在從事FOS的相關(guān)研發(fā)工作。目前，國際市場上 Air Fiber、Light pointe等公司是推廣FOS技術(shù)的先行者。FOS技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商Light pointe在今年的2月份推出Flight Lite 100E設(shè)備，它可以支持100M以 太 網(wǎng)1500米距離的 傳輸，每比特價(jià)格優(yōu)勢更優(yōu)越，而且1500米的傳距離幾乎是原來的Flight Lite 100設(shè)備傳輸距離的3倍。Flight Lite自從2004年推出以來一直是Light（MHz）為載體，在真空或大氣中傳遞信息，不需要任何有線信道為傳輸媒介的一種通信技術(shù)。FOS可用于空間及地面間通信，其傳輸特點(diǎn)是光束以直線傳播。和其他無線通信相比，它具有不需要頻率許可證、頻率寬、成本低廉、保密性好，低誤碼率、安裝快速、抗電磁干擾，組網(wǎng)方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。 pointe公司最暢銷的企業(yè)無線網(wǎng)橋 。Light pointe公司的高級副總裁BOB Preston 表示Flight Lite 100E的推出是該公司致力于降低企業(yè)網(wǎng)構(gòu)建瓶頸的努力的體現(xiàn)。Light pointe 又于今年五月份推出Flight Strata 100XA，是第一款集成了快速以太網(wǎng)光無線鏈路和 5.8GHZRF技術(shù)的FOS 產(chǎn)品。采用該公司專利的Dual Path T 架構(gòu)，該產(chǎn)品提供了全天候的工作能力 ，同時(shí)可以提供與 光纖線路一樣的帶寬。 3關(guān)鍵技術(shù)分析3.1幾種技術(shù)3.11光源及高碼率調(diào)制技術(shù)在空間光通信系統(tǒng)中大多采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體泵浦的AYG固體激光器作為信號光和信標(biāo)光源，其工作波長為0.81.5娜近紅外波段。信標(biāo)光源(采用單管或多個(gè)管芯陣列組合，以加大輸出功率)要求能提供在幾瓦量級的連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場、高背景光干擾下，快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)，通常信標(biāo)光地調(diào)制頻率為幾十赫茲到幾千赫茲，或是幾千赫茲到幾十千赫茲，以克服背景光地干擾。信號光源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，但要求輸出光束質(zhì)量好，工作頻率高(可達(dá)到幾十兆赫茲到幾十吉赫茲)。具體選擇視需要而定。3.12高靈敏度抗干擾的光信號接收技術(shù)空間光通信系統(tǒng)中，光接收端機(jī)接收到的信號十分微弱，加之在高背景噪聲場的干擾情況下，會(huì)導(dǎo)致接收端S/N1。為快速、精確地捕獲目標(biāo)和接收信號，通常采取兩方面地措施:一是提高接收端機(jī)的靈敏度，達(dá)到nw到pw數(shù)量級;其次是對所接受信號進(jìn)行處理，在光信道上采用光窄帶濾波器，如干涉濾波片或原子濾波器等，以抑制背景雜散光的干擾，在電信道上則采用微弱信號檢測預(yù)處理技術(shù)。3.13收發(fā)天線為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤，光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一天線，隔離度近100%的精密光機(jī)組件。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差，要求天線增益要高。另外，為適應(yīng)空間系統(tǒng)，天線包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學(xué)元件，總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。現(xiàn)國際上的自由空間光通信系統(tǒng)的天線口徑一般為幾厘米到25厘米。3.14快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)信號實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤，即目標(biāo)的捕獲。粗跟蹤的視場角為幾毫弧度，靈敏度約為1P0W，跟蹤精度為幾十毫弧度;二是跟蹤、瞄準(zhǔn)即精跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能是在完成了目標(biāo)捕獲后，對目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。通常采用四象限紅外探測器QD或Q一APD高靈敏度傳感器來實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)的電子伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百這是保證實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信的必要核心技術(shù)。Al，P系統(tǒng)通常由以下兩部分組成:一是捕獲(粗跟蹤)系統(tǒng)，它是在較大市場范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，捕獲范圍可達(dá)士1“一士200或是更大。通常采用陣列CCD來實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、微弧度，跟蹤精度為幾微弧度，跟蹤靈敏度大約為納瓦級。3.15大氣信道的研究在地對地、地對空的激光通信系統(tǒng)的信號傳輸中，涉及的大氣信道是隨機(jī)的。大氣中的氣體分子、水霧、雪、霆、氣溶膠等粒子，其幾何尺寸與半導(dǎo)體激光波長相近甚至更小，這就會(huì)引起光的吸收、散射，特別是在強(qiáng)湍流的情況下，光信號將受到嚴(yán)重干擾，甚至脫靶。因此，如何保證隨機(jī)信道條件下系統(tǒng)的正常工作，對大氣信道的工程化研究是十分重要的。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以較好的解決這一問題，并已逐漸走向?qū)嵱没４送?，完整的衛(wèi)星間光通信系統(tǒng)還包括相應(yīng)的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)、熱控制、輔助電子學(xué)等部分及系統(tǒng)整體優(yōu)化等技術(shù)。以上對于整個(gè)自由空間光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為具體的分析，就課題側(cè)重于光發(fā)射端機(jī)的設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)為了利于光信號在空間信道中輸出，對信道中影響光通信的各種因素和關(guān)鍵的激光器技術(shù)進(jìn)行了研究。3.2影響自由空間光通信的重要因素3.21傳輸信道的影響自由空間光通信以激光作為信息載體，以大氣或太空作為媒介，因此傳輸媒質(zhì)對于傳輸質(zhì)量的影響是十分巨大的，尤其是大氣和天氣的影響尤為嚴(yán)重。激光輻射通過大氣時(shí)，由于大中存在著各種氣體和微粒，如灰塵、煙霧等，以及刮風(fēng)、下雨、霧氣等氣象變化，部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變成其他形式的能量;部分光輻射能量則被散射而偏離原來的傳播方向，使得傳輸?shù)墓廨椛鋸?qiáng)度受到衰減。3.22影響激光信號傳輸性質(zhì)1激光傳輸路徑上大氣的特性，包括吸收與散射等衰減特性，以及密度與折射特性;2激光束本身的性質(zhì)，如波長、脈沖寬度、位相、光束的空間及時(shí)間分布特性;(3)大氣吸收的動(dòng)力學(xué)特性，這確定了吸收能量到加熱大氣所需要的時(shí)間，特別是對CQ:激光雷達(dá)信號，其初始大氣吸收的動(dòng)力學(xué)冷卻過程對激光雷達(dá)信號的性質(zhì)有較大的影響。3.23氣候條件影響光在傳按時(shí)強(qiáng)度衰減很快，這主要是由于大氣的氣體分子和大氣氣溶膠粒子的“散射”、“吸收”造成的。大氣中使光的性質(zhì)受到影響的主要因素是CQZ、氧、煙、灰塵、水滴、冰粒等。在較低的大氣層中大部分水分以細(xì)水滴、霧和水蒸汽的形式集合起來.它占大氣體積的4%，使大氣能見度變差，光的傳播也受到天氣的影響，霧對通信也有極大的影響。4自由空間光通信系統(tǒng)的基本原理4.1概述人們利用光進(jìn)行通信具有悠久的歷史，從古代的烽火傳遞消息，到近代軍隊(duì)的“旗語”都屬于光通信的應(yīng)用?，F(xiàn)在各種信息通信中廣泛使用的光纖通信是光通信十分成功的應(yīng)用。自由空間光通信(Free Space Optical Communication)是指利用激光作為載波在空間(陸地或外太空)直接進(jìn)行語言、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)，又稱為無線激光通信(Wireless Optical Communication)或是無線激光通信。通信的目的就是把信息有一個(gè)地點(diǎn)傳遞到另一個(gè)地點(diǎn)。自由空間光通信既具有微波通信靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有光纖通信碼率高的優(yōu)點(diǎn)，其誤碼率相對于微波通信要低，保密性能也比微波通信好，主要應(yīng)用如圖4.1所示。圖4.14.2系統(tǒng)基本框架自由空間光通信技術(shù)是在微波通信與光纖通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它兼具微波通信靈活機(jī)動(dòng)與光纖通信碼率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了微波通信和光纖通信在具體應(yīng)用中的不足之處。因此，微波通信與光纖通信技術(shù)的發(fā)展支撐著自由空間光通信技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。簡單的無線電通信系統(tǒng)都包括發(fā)射和接收兩部分，發(fā)射機(jī)由高頻發(fā)射器和振蕩器組成。高頻發(fā)生器用來產(chǎn)生高頻的振蕩，調(diào)制器使高頻振蕩的某一參數(shù)隨信號的變化而變化，然后通過天線將已調(diào)制電磁波發(fā)射出去。當(dāng)已調(diào)制電磁波通過空間傳送到接收天線時(shí)，首先在接收天線感生出同樣變化規(guī)律的電流。檢波器將高頻電流恢復(fù)為原來的信號。4.21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自由空間光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)到聲、光電、通信、信息處理和機(jī)械電子等許多領(lǐng)域，需要各種專業(yè)技術(shù)共伺參與，相互匹配，共同突破高、精、尖的技術(shù)才能將該技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。自由空間光通信主要由數(shù)據(jù)處理模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和光學(xué)天線伺服平臺三個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)平臺構(gòu)成。首先，視頻或是其它需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號通過CCD、CMOS、專用數(shù)據(jù)接口等一系列的方式采集到數(shù)據(jù)處理模塊，對原始信號進(jìn)行放大、濾波等處理，如果信號為模擬信號，在該模塊下將先對數(shù)據(jù)進(jìn)行A心轉(zhuǎn)換，從而得到適于傳輸?shù)臄?shù)字信號。數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)即對信號進(jìn)行編碼，使其成為一種有利于在自由空間信道中傳輸?shù)拇a流，配合光學(xué)天線有效進(jìn)行通信，并且能夠有效的減少數(shù)據(jù)在信道傳輸?shù)恼`碼率，并且降低接收端檢測、還原信號的難度等。光電轉(zhuǎn)換模塊是自由空間光通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)中最為關(guān)鍵的一部分，它是無線電通信和無線光通信的分界點(diǎn)，從該模塊開始，信號的從“高”、“低”電平表示的二進(jìn)制信號形式轉(zhuǎn)換為激光的強(qiáng)弱、通斷、相位、偏振等表述的光信號，從通信方式的角度來講，正是由于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)器件的應(yīng)用為通信解決方法帶來了革命性的改變。光電轉(zhuǎn)換模塊的主要由激光二極管和驅(qū)動(dòng)電路組成，在驅(qū)動(dòng)電路的作用下激光二極管的出射功率是決定傳輸距離的關(guān)鍵參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性也十分重要，影響到出射激光的質(zhì)量，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展將成為未來自由空間光通信向更遠(yuǎn)距離、更高傳輸速率和更多應(yīng)用于更多領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。光學(xué)天線伺服平臺包括光學(xué)天線和ATp(Aequisition、Tracking、pointing)伺服系統(tǒng)兩部分，也是集光學(xué)、機(jī)械、控制和電子等各種技術(shù)于一體的部分。光學(xué)天線部分與激光器的出射面相配合，將射出的信號光和信標(biāo)光作進(jìn)一步的準(zhǔn)直、分光等處理，擴(kuò)大光信號，有利于體統(tǒng)的對準(zhǔn)，同時(shí)易于接收部分對光信號的探測，光學(xué)天線的具體結(jié)構(gòu)和功能如.24圖所示。ATP伺服系統(tǒng)即捕獲、對準(zhǔn)、跟蹤系統(tǒng)，完成光信號的捕捉、粗跟蹤和精跟蹤伺服是收、發(fā)天線接收到的信標(biāo)光入射在探測器的光敏上，粗跟蹤探測器所獲得的信號經(jīng)過誤差信號提取電路提取出誤差信號，誤差信號送入計(jì)算機(jī)處理后，控制計(jì)算機(jī)以伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)光學(xué)天線，使光學(xué)天線對準(zhǔn)信標(biāo)光方向，然后進(jìn)行精定位。5常見問題及解決方法無線光通信技術(shù)作為一種視距范圍內(nèi)的自由空間激光傳輸技術(shù)，也存在一些特有的問題：大氣媒介的影響、傳輸距離的影響、收發(fā)端對準(zhǔn)問題等。這些問題嚴(yán)重影響了傳輸?shù)目煽啃?。因此，?yīng)當(dāng)及時(shí)針對這些問題尋找相應(yīng)的解決方法。5.1大氣媒介的影響由于光信號是裸露在大氣中傳輸，因而勢必會(huì)受到大氣媒介的影響，甚至由于空氣中塵埃、粒子等的散射還會(huì)導(dǎo)致偏差。在晴好的天氣情況下，每公里光信號的功率損耗大約為1 dB，所以，無線光通信系統(tǒng)的最大工作距離就是20 km。在天氣惡劣的條件下，就更容易造成光信號的衰耗，而且惡劣的天氣狀況下，每公里造成的損耗可達(dá)50300 dB，使得無線光通信系統(tǒng)的有效工作距離不到50 m，甚至比局域網(wǎng)傳輸距離還要短。由于接收點(diǎn)固定不動(dòng)，收到的光信號強(qiáng)度就會(huì)有起伏變化，以致于帶來強(qiáng)烈的干擾。目前，針對這一問題可以采取縮短傳輸距離、加大功率、備份鏈路以及采用自適應(yīng)光學(xué)聚焦等解決方法，可以大大改善大氣媒介對接收光強(qiáng)的影響。5.2傳輸距離的影響可以說，傳輸?shù)木嚯x在很大程度上直接影響著傳輸?shù)目煽啃?。傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬；接收的光信號質(zhì)量越差，速率也就會(huì)越低。如果要提高傳輸距離和速率，就必須增大激光器的發(fā)射功率以及提高接收機(jī)的靈敏度，以保證可靠的傳輸。5.3收發(fā)端對準(zhǔn)問題無線光通信技術(shù)是一種可視距寬帶通信技術(shù)，通信設(shè)備安裝在建筑物時(shí)，建筑物會(huì)受風(fēng)力、熱脹冷縮或者輕微地震等原因的影響而不停擺動(dòng)，而這在一定程度上都會(huì)影響激光器的對準(zhǔn)，從而導(dǎo)致接收機(jī)無法正常接收信號。由此可見，針對無線光通信技術(shù)的缺陷，解決系統(tǒng)光鏈路兩端的激光束的對準(zhǔn)和跟蹤是關(guān)鍵?？梢圆捎脛?dòng)態(tài)跟蹤法、多束法來解決這一問題。采用多束法可以提高接收端的能量密度，擴(kuò)大可接收面積，最關(guān)鍵的是能使無線光通信在接收處就能夠得到一個(gè)大而相互重疊的激光光斑。目前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)問題也正在逐步得到解決。6自由空間光通信技術(shù)的應(yīng)用及未來發(fā)展趨勢6.1應(yīng)用FSO 已被多家電信運(yùn)營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)， 比較典 型的有 Terabeam、Airfiber 和 Canon 公司的產(chǎn)品。在悉尼奧運(yùn)會(huì)上， Terabeam 公司成功地使用 FSO 設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四 季飯店成功地實(shí)現(xiàn)了利用 FSO 設(shè)備向客戶提供 100Mb/s 的數(shù)據(jù)連接。 該公司還計(jì)劃 4 年內(nèi)在全美建設(shè) 100 個(gè) FSO 城市網(wǎng)絡(luò)。而 Airfiber 公司則在美國波士頓地區(qū)將 FSO 通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過光節(jié) 點(diǎn)連接在一起，完成了該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。2003 年 5 月, 佳能 美國公司宣布他們的多套自由空間光通信 FSO 系統(tǒng)成功應(yīng) 用到美國 紐約州地方法院系統(tǒng)， 并在 911 恐怖襲擊之后的重建工作中發(fā)揮了出 色作用。在國內(nèi)，2003年3月17日上海鐵通宣布已經(jīng)采購至少3套無線光通信設(shè)備廠商的系統(tǒng)。上海鐵通最初的系統(tǒng)安裝將從陸家嘴金融區(qū)開始,FOS Terabeam FOS系統(tǒng)將服務(wù)陸家嘴的企業(yè)網(wǎng)以及為吉通， 網(wǎng)通，聯(lián)通等提供網(wǎng)絡(luò)租借服務(wù)。上海鐵通表示采用Terabeam 的設(shè)備將大大縮短他們提供服務(wù)的時(shí)間，有利于他們獲得新客戶。2003年3月15日Terabeam 公司在上海宣布中國長城寬帶公司將選擇他們的設(shè)備建設(shè)15個(gè)城市的寬帶網(wǎng)絡(luò)。長城寬帶表示他們將在未來2年選