第8、9章 空間激光通信

1、光通信原理與技術(shù) 空間光通信概念 n空間光通信是一種利用光波在空間中的傳播達(dá) 成的通信方式 n優(yōu)點(diǎn)： n與傳統(tǒng)的無線電通信（微波通信）相比 n承載能力更強(qiáng) n與光纖通信相比 n在靈活性、成本、建設(shè)周期方面具有明顯優(yōu)勢(shì) 空間光通信分類 自由空間光通信 大氣（近地） 星間（外太空） 水下 江河岸間 建筑物/山間 島嶼間 星地間 GEO-GEO GEO-LEO LEO-LEO 天空（衛(wèi)星/飛機(jī)）-水下 水下-水下 第8章 大氣激光通信 本章內(nèi)容 n概述 n激光在大氣信道中的傳播特性 n用于大氣激光通信的關(guān)鍵器件和技術(shù) n調(diào)制方式 n大氣激光通信系統(tǒng) n大氣激光通信的應(yīng)用 8.1 概述 大氣激光通信的

2、研究進(jìn)展 n又被稱為自由空間光通信（FSO，F(xiàn)ree Space Optics） n發(fā)展大致經(jīng)過了高峰低谷復(fù)蘇三個(gè)階段 n20世紀(jì)6070年代，研究高峰期 n特點(diǎn)：激光剛出現(xiàn)，使用激光實(shí)現(xiàn)大氣光通信，獨(dú)占光通信舞臺(tái) n20世紀(jì)7080年代，衰落期 n光纖出現(xiàn)，光纖通信壓倒性優(yōu)勢(shì) n20世紀(jì)90年代至今，復(fù)蘇期 n作為光纖通信的補(bǔ)充，與其它無線通信方式競(jìng)爭(zhēng) 大氣激光通信的應(yīng)用優(yōu)勢(shì) n無線優(yōu)勢(shì) n容量?jī)?yōu)勢(shì) n電磁兼容優(yōu)勢(shì) n保密優(yōu)勢(shì) n尺寸優(yōu)勢(shì) n價(jià)格優(yōu)勢(shì) n功耗優(yōu)勢(shì) 面臨的主要問題 n大氣信道問題 n大氣信道衰減 n大氣湍流的影響 n大氣信道散射 n背景光干擾 n其它問題 n飛行物遮擋 n工作平

3、臺(tái)方位穩(wěn)定性 8.2 激光在大氣信道中的傳播特性 大氣效應(yīng) n大氣吸收 n在紫外、可見光及紅外區(qū)域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的 CO、CH4、N2O等。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率較高，吸收較弱，通常稱大氣窗口 n大氣散射 n造成光能量衰減的主要原因是懸浮粒子的散射，一般說來，對(duì)于半徑r0.3m 的粒子（如氣體分子），波長(zhǎng)在1m附近，瑞利定律的誤差1%，當(dāng)粒子半 徑r0.3m時(shí)（如懸浮塵埃等），須采用米氏定律。當(dāng)粒子半徑比輻射波長(zhǎng)至 少大40m時(shí)（如霧滴、雨滴等）才出現(xiàn)非選擇性散射 n大氣散射造成光衰減，是大氣窗口上主要

4、的損耗來源，但也可有意利用大氣 散射構(gòu)成散射信道 n大氣湍流 n湍流是指大氣中局部溫度、壓力的隨機(jī)變化而帶來的折射率的隨機(jī)變化 n其它 n背景光/熱暈 大氣透射譜 天天頂頂角角= =0 0 大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比= =1 1 0.30.50.70.91.11.3 6 60 0，2 2 能能見見度度極極佳佳（31km） 對(duì)對(duì)大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時(shí)時(shí) 7 70 0. .5 5，3 3 波波長(zhǎng)長(zhǎng) （ m） 0 20 40 60 80 100 透透射射率率（%） 天天頂頂角角= =0 0 大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比= =1 1 0.30.50.70.91.11.3 6 60 0，2 2 能能見見度度

5、極極佳佳（31km） 對(duì)對(duì)大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時(shí)時(shí) 7 70 0. .5 5，3 3 波波長(zhǎng)長(zhǎng) （ m） 0 20 40 60 80 100 透透射射率率（%） 瑞利散射與米氏散射 n瑞利散射 n光子與空氣粒子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生 n特點(diǎn)：散射的強(qiáng)度和波長(zhǎng)的四次方成反比；散射光 的散射強(qiáng)度與觀察方向之間有著比較簡(jiǎn)單的關(guān)系； 前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散 射光幾乎是偏振的 n米氏散射 n散射顆粒的大小可以與輻射波長(zhǎng)可比擬時(shí)產(chǎn)生米氏 散射 n特點(diǎn)：主要的散射能量集中在前向方向上 大氣綜合衰減系數(shù)表 不同天氣時(shí)的大氣綜合衰減系 數(shù)和能見度表（工作波長(zhǎng)850nm） 天氣情況 能見

6、度 大氣衰減系數(shù)（ dB/km） 非常晴朗 5020 km 0.200.52 晴朗 2010 km 0.521.0 輕霾 104 km 1.02.9 陰 42 km 2.95.8 薄霧 21km 5.814.0 輕霧 1000500 m 14.034.0 中霧 500200 m 34.084.9 濃霧 20050 m 84.9339.6 大氣散射損耗經(jīng)驗(yàn)公式 n當(dāng)工作波長(zhǎng)選擇在低損耗窗口時(shí)，大氣 損耗主要由散射造成 n大氣散射損耗經(jīng)驗(yàn)公式： () 3.91 / 550 q a Np km Vnm l sb - 驏 = 桫 kmV kmVkmV kmVkmV kmVkm kmV q 5 . 00

7、 15 . 05 . 0 6134. 016. 0 5063 . 1 506 . 1 能見度 V 定義為最初光功率衰減到2%的距離 非視線紫外大氣散射信道 背景光噪聲 00.511.522.5 0 500 1000 1500 2000 光譜輻照度 Wm-2 m-1 波長(zhǎng)（m） 00.511.522.5 0 500 1000 1500 2000 光譜輻照度 Wm-2 m-1 波長(zhǎng)（m） 8.3 關(guān)鍵器件和技術(shù) 光源 n工作波長(zhǎng) n不僅要考慮低損耗窗口，還要注意避開背景光的高輻射譜段 n可以認(rèn)為810860 nm、15501600 nm都是無線光通信中可 以選擇的通信波長(zhǎng) n功率要求 n大氣吸收/

8、散射問題 n光束發(fā)散問題 n通常選擇在 數(shù)十mW以上 光檢測(cè)器 n半導(dǎo)體光檢測(cè)器 nPD和APD n真空器件 n真空光電管 n真空光電倍增管（PMT） n原理：光陰極產(chǎn)生的一次光電子被高電場(chǎng)加速，發(fā)射到打 拿極并產(chǎn)生二次電子發(fā)射；二次電子多少重復(fù)以上過程， 如此電子的數(shù)目也得到可觀倍增；一般打拿極的級(jí)數(shù)可達(dá) 10級(jí)以上，平均倍增系數(shù)可達(dá)105107 n優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、暗電流小、光電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng) 速度快、信號(hào)檢測(cè)能力強(qiáng)、穩(wěn)定、較為可靠 n缺點(diǎn)：需要高壓，體積大，易碎，缺少長(zhǎng)波長(zhǎng)器件 光束發(fā)散等效損耗 0 10 20 30 40 50 0 510 1520 2530 3540 =850nm

9、， 0=5cm =1550nm，0=1mm =850nm， 0=1mm =1550nm， 0=5cm 距離（km） 衰減（dB） 0 10 20 30 40 50 0 510 1520 2530 3540 =850nm， 0=5cm =1550nm，0=1mm =850nm， 0=1mm =1550nm， 0=5cm 距離（km） 衰減（dB） 接收天線 光強(qiáng)光錐 發(fā)散角 )(2 2 2 1 1 lg10 L D e 光學(xué)天線 n作用 n在發(fā)送端，對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，壓縮光束發(fā)散角，減少光束 發(fā)散損耗，降低對(duì)光源的光發(fā)射功率要求 n在接收端，增大接收面積，大大提高了所接收到的信號(hào)光功 率，壓縮接

10、收視野，減少背景光干擾 n大氣光通信常用折射式光學(xué)天線 目鏡 物鏡 準(zhǔn)直輸出 8.4 調(diào)制方式 調(diào)制方式 n脈沖位置調(diào)制（PPM） n目的：提高傳輸通道抗干擾能力 n常用的PPM包括： n單脈沖脈位調(diào)制（L-PPM n差分脈沖位置調(diào)制（DPPM） n多脈沖PPM調(diào)制方式 n與OOK調(diào)制的比較 n平均發(fā)送光功率都有所降低 nL-PPM調(diào)制和L-DPPM調(diào)制都有不同程度的帶寬擴(kuò)張 n多脈沖PPM調(diào)制在選擇合適的脈沖數(shù)時(shí)可以減小帶寬擴(kuò)張甚至沒有 帶寬擴(kuò)張 8.5 大氣激光通信系統(tǒng) 系統(tǒng)框圖 電端機(jī) 線路編/解碼 光調(diào)制/解調(diào)光學(xué)收/發(fā)天線 自動(dòng)跟瞄 自適應(yīng)光學(xué) 波前校正 信源/信宿 自動(dòng)功率控制 各

11、部件功能 n電端機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的編碼和還原 n線路編碼實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò) n光調(diào)制解調(diào)單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電-光/光-電變換 n自動(dòng)功率控制補(bǔ)償大氣條件變化導(dǎo)致的激光束傳播損 耗變化 n光學(xué)收發(fā)天線：接收光學(xué)天線的任務(wù)是將一定面積內(nèi) 的信號(hào)光會(huì)聚到光檢測(cè)器上，目的是增大接收光信號(hào) 功率；發(fā)送光學(xué)天線的任務(wù)是壓縮光束發(fā)散角，降低 激光束在大氣中傳播時(shí)的發(fā)散損耗 構(gòu)成光學(xué)天線的主要方式 n收發(fā)分離式 n收發(fā)合一式 光學(xué)帶通 濾波片 LD APD 光學(xué)帶通 濾波片 遮擋和晃動(dòng) n陣列發(fā)射接收解決遮擋問題 n散光法和自動(dòng)跟蹤解決建筑物晃動(dòng)問題 接收天線 光強(qiáng) 光錐發(fā)散角 大氣光通信設(shè)備實(shí)例 光學(xué)天線光學(xué)天線 發(fā) 收

12、 6芯光纜 除霜電源線 光端機(jī)光端機(jī) 2芯光纜 光口 用戶通信設(shè)備用戶通信設(shè)備 SDH-155 PSH-144 1-64 E1 100BaseT ATM-155 8E1+100BT PFM用戶信號(hào) 110220V AC 或-48V DC 大氣光通信設(shè)備實(shí)例 用戶光纖接口 用戶光纖接口 發(fā) 收 發(fā)射組件 接收組件 發(fā) 發(fā) 發(fā) 發(fā) 收 收 管理和控制 光纖內(nèi)纜光驅(qū)動(dòng)設(shè)備光學(xué)天線 8.6 大氣激光通信的應(yīng)用 大氣激光通信的應(yīng)用 n城域網(wǎng)擴(kuò)展 n局域網(wǎng)互聯(lián) n最后1km接入 n光纖鏈路的備份 n寬帶網(wǎng)接入 n無線基站數(shù)據(jù)回傳 n與DWDM設(shè)備集成 n快速業(yè)務(wù)開通 n其它特殊場(chǎng)合 第9章 星間激光通信

13、衛(wèi)星光通信鏈路分類 n星間鏈路 nISL nIOL n星地鏈路 GEOGEO LEO LEO 地球地面 站 ISL IOL 同步軌道 低軌道 星地鏈路 GEOGEO LEO LEO 地球地面 站 ISL IOL 同步軌道 低軌道 星地鏈路 9.3.1 主要問題及對(duì)策 主要問題 n共性問題 n損耗 n通信光束的對(duì)準(zhǔn)、捕捉和跟蹤 n背景噪聲 n多譜勒頻移 n星地光通信面臨的問題 n大氣信道 n衰減/湍流 損耗 n 自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與 波長(zhǎng)的平方成反比 n 星間距離通常在數(shù)千到數(shù)萬公里 n 自由空間損耗 在250dB以上 2 4 lg10 d L f 光學(xué)天線-解決損耗問題 n

14、天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長(zhǎng)的平 方成反比 n光波波長(zhǎng)在m數(shù)量級(jí)，小口徑天線即可獲得巨大增益 n工作波長(zhǎng)為1550 nm時(shí)，20cm口徑的天線即可實(shí)現(xiàn) 110dB以上的增益 )(lg10 2 D G 發(fā)散角問題 n圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長(zhǎng) 成正比，與天線口徑成反比 n20cm口徑的天線工作在1550nm波長(zhǎng)時(shí)，其3dB光束發(fā) 散角僅為7.9 rad n開環(huán)方式基本上不可能實(shí)現(xiàn)通信雙方光束的對(duì)準(zhǔn) d P 02. 12 2/ PAT子系統(tǒng)-解決對(duì)準(zhǔn)問題 n瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤（PAT）子系統(tǒng) n瞄準(zhǔn)-天線指向 n捕獲-實(shí)現(xiàn)通信光束的對(duì)準(zhǔn) n跟蹤-吸收衛(wèi)星機(jī)械振動(dòng)引起

15、的光束偏移 廣譜宇宙噪聲 0.60.40.81.01.21.41.6 20 40 60 80 100 SiGe InGaAsP 波波長(zhǎng)長(zhǎng) ( m) 量量 子子 效效 率率 % 幾種常用光電檢測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)特性 光學(xué)濾波器-解決背噪問題 n光電檢測(cè)前，在光域?qū)π盘?hào)進(jìn)行窄帶濾波，僅 讓特定波段的信號(hào)光通過，從而大大減少背景 光產(chǎn)生的噪聲光電流 n光學(xué)濾波技術(shù)成熟，大量應(yīng)用于DWDM系統(tǒng) n閃耀光柵 n多層介質(zhì)薄膜 n陣列波導(dǎo)干涉型 n光纖光柵型 多普勒頻移 n光載波頻移大?。?nIOL鏈路存在此問題影響 nGEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz， 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化范圍約0.08nm v 光源

16、光源 觀察者觀察者 光源運(yùn)動(dòng)方向 光傳播方向 ff 1 cos1 1 2 c v 大氣信道 n大氣效應(yīng) n大氣吸收 n大氣散射 n大氣湍流 n對(duì)光束的影響 n衰減 n多徑色散 n到達(dá)角起伏 n閃爍 選擇工作波長(zhǎng) 天天頂頂角角= =0 0 大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比= =1 1 0.30.50.70.91.11.3 6 60 0，2 2 能能見見度度極極佳佳（31km） 對(duì)對(duì)大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時(shí)時(shí) 7 70 0. .5 5，3 3 波波長(zhǎng)長(zhǎng) （ m） 0 20 40 60 80 100 透透射射率率（%） 天天頂頂角角= =0 0 大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比= =1 1 0.30.50.70.9

17、1.11.3 6 60 0，2 2 能能見見度度極極佳佳（31km） 對(duì)對(duì)大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時(shí)時(shí) 7 70 0. .5 5，3 3 波波長(zhǎng)長(zhǎng) （ m） 0 20 40 60 80 100 透透射射率率（%） 避開大氣 高損耗波長(zhǎng) AO-部分解決大氣湍流問題 n自適應(yīng)光學(xué)（AO）技術(shù)，在天文觀察領(lǐng)域提 出，用于改善大氣湍流條件下的天體成像質(zhì)量 nAO主要改善光束聚焦質(zhì)量，在通信中可抑制 光電檢測(cè)器上光斑的功率波動(dòng)，提高接收性能 9.3.2 衛(wèi)星光通信系統(tǒng) 總體功能框圖 調(diào)制器信號(hào)光源 光電檢測(cè) 誤差檢測(cè) 誤差信號(hào) 處理 伺服機(jī)械 合束器分束器 精瞄跟蹤裝置 光學(xué)收發(fā)天線 粗瞄裝置 信

18、標(biāo)信號(hào)信標(biāo)光源 接收機(jī) 光學(xué)天線平臺(tái) 發(fā)射光束 接收光束 信息數(shù)據(jù) 輸入 輸出 控制計(jì)算機(jī) n系統(tǒng)組成 n光學(xué)天線子系統(tǒng) nPAT子系統(tǒng) n光波調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng) 光學(xué)天線子系統(tǒng) n星間激光通信中，光學(xué)天線的作用十分重要， 主要表現(xiàn)在兩方面： n在發(fā)送端 n對(duì)激光束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束，增大激光束的束腰半徑，可以有效的 壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對(duì)光源的光發(fā) 射功率要求 n在接收端 n增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，可充分 提高光接收機(jī)的信噪比，延伸系統(tǒng)的通信距離 光學(xué)天線類型 n常見類型 n折射式天線 n伽利略式 n開普勒式 n反射式天線 n單反射面 n雙（多）反射面 n折反射組合式

19、天線 幾種雙反射面光學(xué)天線 n牛頓式光學(xué)天線的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側(cè)方 n卡塞格倫式光學(xué)天線的副鏡面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，內(nèi)側(cè)焦點(diǎn) 與主鏡焦點(diǎn)重合，成像于主鏡后方的外側(cè)焦點(diǎn)處 n格雷果里式光學(xué)天線的副鏡面為旋轉(zhuǎn)橢圓面，近側(cè)焦點(diǎn) 與主鏡焦點(diǎn)重合，成像于主鏡后方的遠(yuǎn)側(cè)焦點(diǎn)處 牛頓式卡塞格倫式格雷果里式 卡塞格倫天線-常見選擇 n優(yōu)點(diǎn) n沒有實(shí)焦點(diǎn) n重量輕 n光路設(shè)計(jì)方便 M N F1 F2 饋源 2b 2a PAT子系統(tǒng) 光學(xué) 天線 發(fā)送光束 接收光束 光發(fā)送機(jī) 光束 方向 驅(qū)動(dòng) 功能 單元 光接收機(jī) 開環(huán)瞄準(zhǔn)功能單元 跟蹤功能單元 捕獲功能單元 信標(biāo) 光源 PAT工作流程 n開環(huán)瞄準(zhǔn) n捕獲

20、n掃描 n誤差檢測(cè) n天線方向調(diào)整 n跟蹤 n誤差檢測(cè) n光束方向微調(diào) 掃描方式 n單方掃描（StareScan） n光束掃描 nFOV掃描 n雙方掃描（ScanScan） 掃描過程 n主動(dòng)方按完善的掃描策略計(jì)算出若干掃描點(diǎn)，確保在某掃描點(diǎn)上 發(fā)送光束一定可以覆蓋被動(dòng)方； n主動(dòng)方驅(qū)動(dòng)天線逐一瞄準(zhǔn)各個(gè)掃描點(diǎn)，并在每個(gè)掃描點(diǎn)作一定時(shí) 間的駐留； n在某掃描點(diǎn)上主動(dòng)方發(fā)送光束出現(xiàn)在被動(dòng)方的 FOV 中（因?yàn)楸粍?dòng) 方有足夠大的FOV，因此在其未實(shí)現(xiàn)天線精確對(duì)準(zhǔn)的情況下，也 能在 FOV 中捕獲到主動(dòng)方投射來的發(fā)送光束）； n在主動(dòng)方于該掃描點(diǎn)上駐留的時(shí)間內(nèi)，被動(dòng)方衛(wèi)星根據(jù) FOV 中主 動(dòng)方出現(xiàn)的位

21、置計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)誤差，并進(jìn)一步計(jì)算出糾正數(shù)據(jù)，驅(qū) 動(dòng)本方天線實(shí)現(xiàn)精確接收對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了本方發(fā)送光束到主 動(dòng)方的對(duì)準(zhǔn)； n被動(dòng)方出現(xiàn)在主動(dòng)方的接收 FOV 中，主動(dòng)方計(jì)算出對(duì)準(zhǔn)誤差和糾 正數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，停止掃描。掃描過程完成。 掃描策略 n誤差檢測(cè)部件 n4QD n光束方向調(diào)整部件 n快速傾斜鏡（FSM） n目前：快速調(diào)整 跟蹤以吸收衛(wèi)星振動(dòng) IA ID I B I C x y PAT典型光路 二軸 反射鏡 天線方向 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) CCD 信標(biāo) 光源 半反鏡 卡塞格倫 光學(xué)天線 誤差計(jì)算 開環(huán)瞄準(zhǔn) 衛(wèi)星狀態(tài)信息 掃描控制 跟蹤 反射鏡 跟蹤 驅(qū)動(dòng) 誤差 計(jì)算 QD 光學(xué)濾波片 捕獲 跟蹤 控制 APD 光束 準(zhǔn)直 LD 跟蹤殘差 0 -200 200 0 -30 30 0 -60 80 AO子系統(tǒng) -0.5 0 0.5 -0.5 0 0.5 -10 -5 0 5 10 波前探測(cè)器 透鏡陣列 CCD陣列 單個(gè)透鏡成像 nH-S波前傳感器 AO對(duì)接收性能的改善 0.0 1.0 時(shí)間（秒） 0 -10 -20 -30 -40 接收光功率（dBm） 無AO 0 -10 有AO 調(diào)制/解調(diào)子系統(tǒng) n光強(qiáng)調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD ） n為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈