第七章大氣激光通信系統(tǒng)

第七章大氣激光通信系統(tǒng)第一頁，共39頁。7.1.2大氣激光通信的應(yīng)用優(yōu)勢無線優(yōu)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(shí)現(xiàn)和機(jī)動性要求較高的場所工作；開通周期短，成本低容量優(yōu)勢：光波頻率高，信息承載能力強(qiáng)電磁兼容優(yōu)勢：不占用無線電頻率資源、抗電磁干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的軍事應(yīng)用價值保密優(yōu)勢：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：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(yōu)勢：半導(dǎo)體激光通信系統(tǒng)的容量/價格比極具競爭優(yōu)勢功耗優(yōu)勢：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)現(xiàn)通信，通信終端功耗很低，易于遠(yuǎn)程饋電上述優(yōu)勢中，無線優(yōu)勢和容量優(yōu)勢二者的結(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線/微波通信在容量方面的缺點(diǎn)，因而最為人們所看重。第二頁，共39頁。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(shí)際粒子的分布依賴于大氣層條件。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)動狀態(tài)第三頁，共39頁。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(dǎo)致光束能量損失，工程上常稱大氣衰減大氣湍流運(yùn)動對光束的擾動：引起光束的強(qiáng)度閃爍、光束漂移、擴(kuò)展與抖動等現(xiàn)象，通常稱為大氣湍流效應(yīng)第四頁，共39頁。1、大氣吸收紫外區(qū)（0.2~0.4μm）：主要的吸收來源于O3可見光區(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組成了吸收帶群，但在吸收帶之間少數(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。第五頁，共39頁。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第六頁，共39頁。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)動并不斷的產(chǎn)生和消滅。當(dāng)光束通過這些折射率不同的漩渦元時會產(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。第七頁，共39頁。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(guān)系，大致可分為三種情況：（1）d<<l，湍流主要使光束隨機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)偏折，接收機(jī)端光束漂移第八頁，共39頁。（2）d≈l。湍流主要使光束截面發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，從而形成到達(dá)角起伏，使接收端的焦平面上出現(xiàn)像點(diǎn)抖動。（3）d>>l，這是一種更常見的情況，此時光束截面內(nèi)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(qiáng)度和相位在空間和時間上出現(xiàn)隨機(jī)分布，相干性退化，光束面積也會擴(kuò)大，從而引起接收端的光強(qiáng)起伏，同時衰減總體接收光強(qiáng)第九頁，共39頁。在實(shí)際情況中，溫差的擾動會使大氣不斷地混合，產(chǎn)生許多無法預(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（相同時間內(nèi)的光強(qiáng)起伏還與風(fēng)速及當(dāng)時的氣象條件有關(guān)）。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(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的障礙。目前，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可較好的解決這一問題，但仍需對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)探索第十頁，共39頁。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，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，也稱熱畸變效應(yīng)原則上講，只要大氣對激光能量有吸收就會產(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)對激光束傳播影響極小，通?？刹豢紤]第十一頁，共39頁。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)天線第十二頁，共39頁。7.3.1半導(dǎo)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(jù)。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，對激光大氣通信的接收機(jī)來說是一個強(qiáng)的噪聲源。由圖知，為減小背景輻射的影響，不宜采用可見波段的激光，紫外和紅外是可選擇對象第十三頁，共39頁。對于常用的紅外激光波段都是良好的大氣窗口。第十四頁，共39頁?？紤]到器件的可行性，可以認(rèn)為810~860nm、1550~1600nm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(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一致，可用器件選擇余地大、制造水平高，價格也相應(yīng)的比較便宜第十五頁，共39頁。2、發(fā)射功率的選擇激光束在大氣中傳播時，光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(fā)散造成接收光功率損耗。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(fā)送端往往需要通過光學(xué)天線系統(tǒng)對激光束進(jìn)行擴(kuò)束。第十六頁，共39頁。當(dāng)不使用發(fā)送光學(xué)天線時，光束發(fā)散損耗較大，1550nm波長尤為顯著，在2km處損耗達(dá)到23dB，850nm的波長稍好一些，但也達(dá)到了18dB；而使用口徑為10cm的發(fā)送光學(xué)天線后，光束發(fā)散損耗大大降低。第十七頁，共39頁。

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，考慮到激光對環(huán)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(biāo)準(zhǔn)，激光器功率應(yīng)小于17dBm，考慮到光發(fā)送天線對激光束的擴(kuò)束作用分散了激光束的能量，此限制可適當(dāng)放寬一些第十八頁，共39頁。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：單模輸出功率?。?）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(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第十九頁，共39頁。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方向之間的夾角。第二十頁，共39頁。7.3.3窄帶光學(xué)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(yīng)區(qū)，因此落在這些波長范圍內(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。第二十一頁，共39頁。背景光源抑制方法：1、采用不同的焦點(diǎn)成像或加長天線套筒對背景光進(jìn)行有效地遮擋2、采用光學(xué)濾波技術(shù)對背景光進(jìn)行抑制。用于大氣激光通信的光學(xué)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)濾波器第二十二頁，共39頁。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，即形成光纖光柵。反射型光纖光柵亦稱光纖布拉格光柵（fiberbragggrating，F(xiàn)BG）。纖芯中折射率的周期擾動將導(dǎo)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。第二十三頁，共39頁。在大氣激光通信系統(tǒng)中應(yīng)用FBG時，需要將空間光束耦合進(jìn)光纖，同時，由于FBG是有選擇地對某一波長范圍的光波進(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)光電檢測器。第二十四頁，共39頁。7.3.4光學(xué)天線1、光學(xué)天線的作用和類型選擇光學(xué)天線的作用：（1）在發(fā)送端，對激光束實(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)天線的結(jié)構(gòu)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(tǒng)中，出于成本方面的考慮，通常選擇折射式光學(xué)天線（由一組透鏡構(gòu)成）第二十五頁，共39頁。

折射式光學(xué)天線的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，光無遮擋，加之球面透鏡工藝成熟，通過光學(xué)設(shè)計(jì)易消除各種像差，且物鏡組牢固穩(wěn)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(shù)，實(shí)際上此時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第二十六頁，共39頁。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(fā)生改變。由透鏡對高斯光束的變換規(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，對激光束起擴(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，透鏡對激光束起聚焦作用。通常我們使用透鏡級聯(lián)的方法在較小的空間尺寸下實(shí)現(xiàn)激光束的擴(kuò)束。第二十七頁，共39頁。3、光束的聚焦光檢測器應(yīng)放置在光學(xué)接收天線的焦點(diǎn)處第二十八頁，共39頁。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（IM/DD）系統(tǒng)。應(yīng)用于強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測光通信系統(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，直接檢測接收機(jī)對強(qiáng)度調(diào)制后的信號進(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，相比于開關(guān)鍵控調(diào)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。第二十九頁，共39頁。7.4.1單脈沖脈位調(diào)制

單脈沖脈位調(diào)制（L-PPM），是將一個二進(jìn)制的n位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)組寫成M=（m1，m2，…，mn），而將時隙位置記為l，則單脈沖PPM調(diào)制的映射編碼關(guān)系可以寫成是φ：l=m1+2m2+…+2n-1mn∈{0，1，…，n-1}第三十頁，共39頁。例如，對于一個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；第三十一頁，共39頁。單位傳信率用來比較不同調(diào)制方式的一個參數(shù)，是指每秒每赫茲傳輸比特?cái)?shù)

γ=R/B（bit/（s·Hz））式中R是傳輸速率（bit/s）,B是信號帶寬（Hz）

第三十二頁，共39頁。在相同傳信率時，單脈沖PPM調(diào)制要求傳輸碼率比OOK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委員會于1995年11月推薦PPM調(diào)制方式用于速率為0~10MHz的紅外無線通信第三十三頁，共39頁。7.4.2差分脈位調(diào)制

差分脈沖位置調(diào)制（