大气激光通信系统的研究教材

大气激光通信系统的研究

摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。

由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。

本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。

并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光

强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。

关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器

一．激光通信的概述

1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。

激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。

大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。

大气激光通信系统的主要应用和优点

大气激光通信系统是无线激光通信的一种，因此具有无线激光通信的优点。与微波通信系统相比，大气激光通信系统具有不挤占频带，通信容量大，传输率高，抗电磁干扰和防止窃听等优势。此外，与有线通信系统相比，它还具有机动灵活、经济实用、架设快捷、使用方便、不影响市政建设等诸多优点。随着大气通信技术的日益成熟，该系统的应用将会越来越广泛。根据其特点，它可应用于下列场合:

民用上:

①有强电磁干扰的场所;

②一些不宜布线的场所，比如在具有纪念意义的古建筑，危险性大的工厂、车间;

③在走线成本高、施工难度大或经市政部门审批困难的场合，如马路两侧建筑物之间、不易架桥的江河两岸之间、山头之间及边远山区等;

④一些临时性的场所，如展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境下，可作为有线系统的应急备用系统;

二. 本课题国内外的研究现状分析

2.1国际研究概况

国际上大气激光通信的研究是综合卫星、飞机、地面等方面进行的，从事这方面研究的主要机构在美国、日本和欧洲。由于该系统主要是以国防军为主要目的，因此欧美日的主要研究机构一般都是国家或军事部门，如美国的航空宇宙航行局(NASA)和美国空军;日本的邮政省通信研究室(CTL)和宇宙开发事业团(NASDA );欧洲的欧洲航天署(ESA)等。这里我们主要介绍世界各公司推出的用于地面无线光通信的已商用化的产品。

美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家，也是研究技术走在最前沿的国家之一，2000年夏季由国际通信业巨头美国郎讯推出的光通信商用系统。他们采用四波长波分复用技术，每路波长速率为2. 5Gbps，总容量达l OGbps，工作距离达5公里。

2.2日本及欧洲

目前，日本的Hamamatsu公司研制出了用于Intranet的传输速率久155Mbps 的产品;Sony公司研制出了带跟踪瞄准性能的传输速率叉622Mbps的产品;Canon 公司也研制出了DT 50产品，其传输速率戈25一622Mbps o

此外，英国的PA V公司、德国的CBL公司、韩国的Taehan公司等多家企业也都各自推出了不同技术水平的产品。

2.3国内研究概况

和国际相比，我国的研究相对单一，但对大气激光通信技术的研究起步并不比国际晚，早在1963年我国就开始了对大气激光通信的研究。1974年电子工业部34所推出了Nd:YAG激光大气通信系统实验样机，并成功进行了外场实验，通信距离约13km"'。与此同时，电子科技大学、桂林激光研究所、北京邮电大学、武汉邮电科学研究院及北京、长春、合肥等地的一些单位也相继展开了对大气激光通信的研究。

三．系统组成和总体方案

大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的系统，它们相互向对方发

射被调制的激光信号(声音或数据)，接收并解调来自对方的激光信号，实现双工通信，即通信双方都可同时发送和同时接收信息。其中一台激光通信机的基本工作原理如图所示(图中只画出系统的发射和接收部分)。

大气传输光通信系统原理框图

由图可见，每套端机包括发射机和接收机，安装于一个机箱之内。

发射机的主要组成部件有:(1)半导体激光器发射光源以及它的夔动电源。(2)发射望远镜。(3)信号输入和处理的电路。要传输的信号可以从电端口输入，也可以从光纤端口输入，经放大输出到激光器跳驱动器，来推动激光器。

接收机的主要组成部件有:(1)硅APD探测器。(2)接收望远镜(3)信号放大处理电路。探测到的光信号在APD管转化为光电流后，经前置放大、整形放大。输出方式也有二种:一是放大后以ECL或TTL电信号从电端口输出。另一种是输出到1. 3微米激光器的驱动器，推碳激光器，从光纤端口输出光信号。另外每台样机都配置一个瞄准望远镜，由于该通信端机既有电端口又有光纤端口，实现了与其它通信设摊接口匹配的问题，可灵活地适应各种场合的使用，实用价值得到了提高设备发出的调制信号不仅可在大气传输，也能直接利用光纤作为载体桂输，克服了在天气恶劣情况下无法通信的缺陷。

3. 1光发射端机的基本原理与结构

1.光发射端机的设计考虑

在光通信系统中，由光发射机来完成将电信号转变为光信号的功能。光发射机的关键器件就是光源，因此必须合理选取光源。在3. 2节中将详细介绍光源的选取。此外，光发射机主要由接口电路、调制电路、温控及驱动电路等单元电路组成，在设计中，为保证设备能适应野外环境，所有电路器件的选择应从严要求，尽量选用宽温器件;为保证设备工作的可靠性，尽量采用成熟的单元电路功能模块。

2.光发射端机的基本结构