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：n與傳統(tǒng)的無線電通信（微波通信）相比n承載能力更強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-GEOGEO-LEO LEO-LEO 天空（衛(wèi)星/飛機）-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研究進(jìn)展 n又被稱為自由空間光通信（FSO，F(xiàn)ree Spa

2、ce Optics）n發(fā)展大致經(jīng)過了高峰低谷復(fù)蘇三個階段 n20世紀(jì)6070年代，研究高峰期n特點：激光剛出現(xiàn)，使用激光實現(xiàn)大氣光通信，獨占光通信舞臺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n20世紀(jì)90年代至今，復(fù)蘇期n作為光纖通信的補充，與其它無線通信方式競爭大氣激光通信的應(yīng)用優(yōu)勢 n無線優(yōu)勢n容量優(yōu)勢n電磁兼容優(yōu)勢n保密優(yōu)勢n尺寸優(yōu)勢n價格優(yōu)勢n功耗優(yōu)勢 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工作平臺方位穩(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

3、分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收帶之間少數(shù)幾個區(qū)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 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，對于半徑r0.3m的粒子（如氣體分子），波長在1m附近，瑞利定律的誤差1%，當(dāng)粒子半徑r0.3m時（如懸浮塵埃等），須采用米氏定律。當(dāng)粒子半徑比輻射波長至少大40m時（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、壓力的隨機變化而帶來的折射率的隨機變化 n

4、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 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能見見度度極極佳佳（31km）對對大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時時7 70 0. .5 5，3 3波波長長 （ m）020406080100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 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能見見度度極極佳佳（31km）對對大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時時7 70 0. .5 5，3 3波波長長 （ m）020406080100透透射射率率（%）瑞利散射與米氏散射n瑞利

5、散射n光子與空氣粒子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生n特點：散射的強度和波長的四次方成反比；散射光的散射強度與觀察方向之間有著比較簡單的關(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可比擬時產(chǎn)生米氏散射n特點：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 不同天氣時的大氣綜合衰減系 數(shù)和能見度表（工作波長850nm） 天氣情況 能見度 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

6、 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)驗公式n當(dāng)工作波長選擇在低損耗窗口時，大氣損耗主要由散射造成n大氣散射損耗經(jīng)驗公式：()3.91/550qaNp kmVnmlsb-驏=桫kmVkmVkmVkmVkmVkmVkmkmVq5 . 0015 . 05 . 06134. 016. 05063 . 1506 . 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00.511.522.50500100015002000光譜輻照度Wm-2 m-1波長（m）00.511.5

7、22.50500100015002000光譜輻照度Wm-2 m-1波長（m）8.3 關(guān)鍵器件和技術(shù)光源n工作波長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n功率要求n大氣吸收/散射問題n光束發(fā)散問題 n通常選擇在 數(shù)十mW以上 光檢測器n半導(dǎo)體光檢測器nPD和APDn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；一般打拿極的級數(shù)可達(dá)10級以上，平均倍增系數(shù)可達(dá)1051

8、07n優(yōu)點：靈敏度高、暗電流小、光電轉(zhuǎn)換能力強、動態(tài)響應(yīng)速度快、信號檢測能力強、穩(wěn)定、較為可靠n缺點：需要高壓，體積大，易碎，缺少長波長器件光束發(fā)散等效損耗010203040500 510 1520 2530 3540 =850nm，0=5cm=1550nm，0=1mm=850nm，0=1mm=1550nm，0=5cm距離（km）衰減（dB）010203040500 510 1520 2530 3540 =850nm，0=5cm=1550nm，0=1mm=850nm，0=1mm=1550nm，0=5cm距離（km）衰減（dB）接收天線光強光錐發(fā)散角)(22211lg10LDe光學(xué)天線n作用n在

9、發(fā)送端，對激光束實現(xiàn)擴束，壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對光源的光發(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光功率，壓縮接收視野，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-PPMn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張n多脈沖PPM調(diào)制在選擇合適的脈沖數(shù)時可以減小帶寬擴張甚至沒有帶寬擴張8.5 大氣激光通信系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

10、電端機線路編/解碼光調(diào)制/解調(diào)光學(xué)收/發(fā)天線自動跟瞄自適應(yīng)光學(xué)波前校正信源/信宿自動功率控制各部件功能n電端機實現(xiàn)對信息的編碼和還原n線路編碼實現(xiàn)前向糾錯n光調(diào)制解調(diào)單元實現(xiàn)信號的電-光/光-電變換n自動功率控制補償大氣條件變化導(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)的信號光會聚到光檢測器上，目的是增大接收光信號功率；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LDAPD光學(xué)帶通濾波片遮擋和晃動n陣列發(fā)射接收解決遮擋問題n散光法和自動跟蹤解決建筑物晃動問題接收天線光強光錐發(fā)散

11、角大氣光通信設(shè)備實例光學(xué)天線光學(xué)天線發(fā)收6芯光纜除霜電源線光端機光端機2芯光纜光口用戶通信設(shè)備用戶通信設(shè)備SDH-155PSH-1441-64 E1100BaseTATM-1558E1+100BTPFM用戶信號110220V AC或-48V DC大氣光通信設(shè)備實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其它特殊場合第9章 星間激光通信 衛(wèi)星光通信鏈路分類n星間鏈路nISLnIO

12、Ln星地鏈路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步軌道低軌道星地鏈路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步軌道低軌道星地鏈路9.3.1 主要問題及對策主要問題n共性問題n損耗n通信光束的對準(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24lg10dLf光學(xué)天線-解決損耗問題n天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長的平方成反比 n光波波長在m數(shù)量級，小口徑天線即可獲得巨大增益n工作波長為1550 nm時，20cm

13、口徑的天線即可實現(xiàn)110dB以上的增益)(lg102DG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成正比，與天線口徑成反比 n20cm口徑的天線工作在1550nm波長時，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現(xiàn)通信雙方光束的對準(zhǔn)dP02. 122/PAT子系統(tǒng)-解決對準(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-實現(xiàn)通信光束的對準(zhǔn)n跟蹤-吸收衛(wèi)星機械振動引起的光束偏移廣譜宇宙噪聲0.60.40.81.01.21.41.620406080100SiGeInGaAsP波長波長 ( m)量量子子效效率率%幾種常用光電檢測器的波長響應(yīng)特性光學(xué)濾

14、波器-解決背噪問題n光電檢測前，在光域?qū)π盘栠M(jìn)行窄帶濾波，僅讓特定波段的信號光通過，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光載波頻移大小：nIOL鏈路存在此問題影響nGEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz，對應(yīng)的波長變化范圍約0.08nmv光源光源觀察者觀察者光源運動方向光傳播方向ff1cos112cv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閃爍選擇工作波長天天頂頂角角= =0 0大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比= =1 10.30.50.70.

15、91.11.36 60 0，2 2能能見見度度極極佳佳（31km）對對大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時時7 70 0. .5 5，3 3波波長長 （ m）020406080100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 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能見見度度極極佳佳（31km）對對大大氣氣質(zhì)質(zhì)量量比比等等于于1時時7 70 0. .5 5，3 3波波長長 （ m）020406080100透透射射率率（%）避開大氣高損耗波長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nA

16、O主要改善光束聚焦質(zhì)量，在通信中可抑制光電檢測器上光斑的功率波動，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)制器信號光源光電檢測誤差檢測誤差信號處理伺服機械合束器分束器精瞄跟蹤裝置光學(xué)收發(fā)天線粗瞄裝置信標(biāo)信號信標(biāo)光源接收機光學(xué)天線平臺發(fā)射光束接收光束信息數(shù)據(jù)輸入輸出控制計算機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對激光束實現(xiàn)擴束，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

17、，可充分提高光接收機的信噪比，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)焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的外側(cè)焦點處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)焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的遠(yuǎn)側(cè)焦點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n沒有實焦點n重量輕n光路設(shè)計方便MNF1F2饋源2b 2aPAT子系統(tǒng)光學(xué)天線發(fā)送光束接收光束光發(fā)送機光束方向驅(qū)動功能單元光接收機

18、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n掃描n誤差檢測n天線方向調(diào)整n跟蹤n誤差檢測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主動方按完善的掃描策略計算出若干掃描點，確保在某掃描點上發(fā)送光束一定可以覆蓋被動方；n主動方驅(qū)動天線逐一瞄準(zhǔn)各個掃描點，并在每個掃描點作一定時間的駐留；n在某掃描點上主動方發(fā)送光束出現(xiàn)在被動方的 FOV 中（因為被動方有足夠大的FOV，因此在其未實現(xiàn)天線精確對準(zhǔn)的情況下，也能在 FOV 中捕獲到主動方投射來的發(fā)送光束）；n在主動方于該掃描點上駐留的時間內(nèi)，被

19、動方衛(wèi)星根據(jù) FOV 中主動方出現(xiàn)的位置計算出對準(zhǔn)誤差，并進(jìn)一步計算出糾正數(shù)據(jù)，驅(qū)動本方天線實現(xiàn)精確接收對準(zhǔn)，同時也實現(xiàn)了本方發(fā)送光束到主動方的對準(zhǔn)；n被動方出現(xiàn)在主動方的接收 FOV 中，主動方計算出對準(zhǔn)誤差和糾正數(shù)據(jù)并驅(qū)動天線實現(xiàn)精確對準(zhǔn)，停止掃描。掃描過程完成。掃描策略n誤差檢測部件n4QDn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IAIDIBICxyPAT典型光路二軸反射鏡天線方向驅(qū)動系統(tǒng)CCD信標(biāo)光源半反鏡卡塞格倫光學(xué)天線誤差計算開環(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)動誤差計算QD光學(xué)濾波片捕獲跟蹤控制APD光束準(zhǔn)直LD跟蹤殘差0-2002000-30300-6080AO子系統(tǒng)-0.500.5-0.500.5-10-50510波前探測器透鏡陣列CCD陣列單個透鏡成像nH-S波前傳感器AO對接收性能的改善 0.0 1.0時間（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）無AO0-10有AO調(diào)制/解調(diào)子系統(tǒng)n光強調(diào)制/直接檢測（IM/DD ）n為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調(diào)制（PPM） n單脈沖PPM