第七章大气激光通信系统案例

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一种用于大气激光通信透明传输的光端机

一种用于大气激光通信透明传输的光端机卫斌;杨乾远;徐林;朱宏韬【摘要】提出了一种解决大气激光通信中断问题的方案,详细介绍了该方案中光端机的设计.实验表明,该方案能有效实现大气激光通信中透明传输10Mb/s-160Mb/s的各种数据,并提高了大气激光通信系统的可通率.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2010(034)007【总页数】3页(P54-56)【关键词】大气激光通信;透明传输;数据复接;数据分接【作者】卫斌;杨乾远;徐林;朱宏韬【作者单位】中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】TN9190 引言大气激光通信又叫自由空间光通信是一种以激光作为载波信号，利用大气作为传输信道直接进行语音、数据、图像信息等双向传输的一种技术，具有无电磁干扰、无辐射、不占用频谱资源、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好和通信容量大等优点，所以非常适用于应急抢通、临时通信、不便铺设光纤场地的通信和通信保密性要求高等场合[1]。

由于大气激光通信的两端之间不能有障碍物阻挡光路，所以大气激光通信设备通常选择架设在至高点，但在实际应用中由于建筑物自身的晃动、风力影响等诸多环境因素造成激光大气通信设备的发射端激光束会慢慢偏离接收端，最终导致通信中断的问题。

为了解决这一问题，提出了一种在开通通信链路时能够自动捕获信号并使发射端和接收端始终对准的解决方案，及实现这一方案的光端机的设计。

1 大气激光通信系统及方案原理大气激光通信系统主要由光学天线和光端机组成。

光学天线具有自动瞄准功能，提供控制接口和光纤口。

控制接口控制光学天线的位置调整，光纤口用于激光的发射与接收。

光端机实现用户光信号的透明传输，提供控制接口和光接口。

大气激光通信在陆军船艇上的应用初探

大气激光通信在陆军船艇上的应用初探刘　珊　珊3摘要随着科技的迅猛发展,船艇也要寻找和发展更高频率、更大容量、能快速架设、隐蔽性更好的信息载体,以适应密集技术条件要求。

本文讨论的大气激光通信技术,由于其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点,可有效地改善船艇通信。

关键词:大气激光通信　载波通信　信道折射率Appli ca ti on of A to m ospher i c La ser Comm un i ca ti onon Ar m y W a terckaftL iu ShanshanAbstractW ith Science and Technol ogy rap id devel opment shi p s are needed for better inf or mati oncarrier with high frequency,more inf or mati on,fast install and better hidden capacity t o meet the dense technical require ment1/the paper fives the discussi on of laser communica2 ti on technol ogy,because of its better chr ome,str ong directi on,f ocusing of light power,l ower cost,quick installati on,this communicati on can i m p r ove the communicati on be2 t w een shi p s1Key words:laser communicati on　carrier communicati on　rate of channel defecti on一、引言随着反“台独”军事斗争准备的进一步深入,陆军船艇的主要任务也逐步由重点保障边防侦察巡逻和水上运输转变到重点保障部队渡海登陆作战上来,因此,在未来的渡海登陆作战中,陆军船艇除了保持顺畅的远距离短波无线电台通信以外,实际上,保证海军护卫舰只与登陆编队之间,以及编队与编队、船艇与船艇之间这种近距离的通信联络,对作战任务的完成起着更为重要的作用。

一种便携式大气激光通信系统设计与实现

一种便携式大气激光通信系统设计与实现曾文锋;李东;李申鹏;谭威;易志刚【摘要】设计了一种以光纤技术为核心的大气激光通信系统,采用半导体激光器和PIN接收管收发合一的以太网端机和视、音频端机,并分别用光纤与光学天线连接,实现了端机与光学天线之间的软性连接,结合EDFA光纤放大技术实现对1550 nm 半导体激光器的功率放大,使结构稳定可靠,安装调试方便,适于野外环境使用,通信距离可达2 km,传输带宽100 MBit/s,样机试验证明通信效果良好.%A kind of atmosphere laser communication system with fiber technology as its core is designed. Ethernet terminal and video-audio terminal with transceiver composed of semiconductor laser and PIN are used. They are connected to the optical antenna with fiber,so the flexible connection between terminal machine and optical antenna is realized. By EDFA technology,the power of the 1550 nm semiconductor laser is amplified. The scheme and structure of the system make it to be more steady and reliable and the installation is more convenient. It is suitable for field application. A prototype's communication distance reaches 2 kilometers and the transmission bandwidth is 100 Mbit/s. Experiments prove that the performance of the system is quite good.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)006【总页数】3页(P617-619)【关键词】大气激光通信;光纤耦合;光放大【作者】曾文锋;李东;李申鹏;谭威;易志刚【作者单位】武汉军械士官学校,湖北武汉430075;武汉军械士官学校,湖北武汉430075;武汉军械士官学校,湖北武汉430075;武汉军械士官学校,湖北武汉430075;武汉军械士官学校,湖北武汉430075【正文语种】中文【中图分类】TN929.121 引言大气激光通信是一种以激光为载体、大气为传输介质的通信方式，具有带宽大、建网速度快、电磁兼容性好等特点［1］。

一种大气激光通信系统抗干扰调制解调技术

３
ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏＳａｃｅＰｈｏｔｏ－ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏＣｈａｎｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｆｐｇｙ，ｇｙｆｇｙ，Ｃｈａｎｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａｇ
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新型大气激光通信系统的设计与研究

东南大学硕士学位论文新型大气激光通信系统的设计与研究姓名：宋成杰申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：崔一平20040406东南大学硕士学位论文第二章大气激光通信原理及系统构成２．１大气激光通信原理２．１．１工作原理概述无线激光通信是光通信的一种，图２．１是光通信的典型框图。

图中所包含的各个标准通信模块在任何光通信系统中都是适用的。

由源所产生的某种形式的信息将被传送到远端的目的地。

这个源的输出被调制到一个光载波上，光载波以光波或光束的形式通过光通道进行传输。

在接收端，光场被收集和检测，并进行相关处理，从而得到源所发出的信息。

围２．１光通信系统框图光发送机与调制器是用来将信号源的信息调制到光载波上，然后将要传输的光场聚集成光束，以电磁场的形式发送到传输介质中进行传播。

把信号源的信息调制到光载波上可以采用不同的方式，如幅度调制（ＡＭ）、频率调制（ＦＭ）等，还可以极化调制，即对光场的空间特性进行调制。

光发送机与调制器部分主要包含调制光源模块和光学发射模块。

光接收机是用于收集入射的光场，并处理和恢复传输的信号。

一个典型的光接收机包括三个基本的模块：光学接收模块、光检测器和信息处理器。

光学接收系统把接收的光场进行滤波和聚焦，使其入射到光检测器上，光检测器把光信号转变为电信号，最后信息处理器完成必要的信号放大、信号过滤及处理，最后从探测器的输出中恢复所需要的信息。

图２１２无线激光通信示意圉无线激光通信系统作为光通信的一种，也可以用图２．１来描述，其中的光学信道就是自由空间或大气层。

图２．２为无线激光通信的工作原理示意图，这是一个典型的点对点无线激光通信系统。

经信号调制过的激光被发射天线（透镜或抛物面反射镜）聚集成一束发散角很８第二章大气激光通信原理及系统构成图中存在几个相对“透明”的“窗口”，在这些窗口中光场透射率比较高，通常称大气窗口，比较重要窗口分别是Ｏ．８５ｐ．ｍ附近、１．５５ｐｍ附近、３．４～４．１ｐ．ｍ和８～１３ｐａｎ。

大气激光通信技术与应用

大气激光通信技术与应用摘要:大气激光通信技术以激光光波为载波，以大气为传输介质，结合了光纤通信、微波通信两大技术优势，不仅容量大、传输速度快，而且无需铺设光纤，因而应用优势显著。

文章结合大气激光通信技术原理与特点，分别从民用、军事两方面出发，就大气激光通信技术的应用加以探讨，以供参考与借鉴。

关键词:大气激光通信技术；民用；军事；应用自20世纪60年代激光出现后，有研究者就开始将激光作为通信介质，由此催生了激光通信这项全新的技术。

随着科学技术的开展，大气激光通信技术以良好的单色性、极强的方向性、集中的光功率及其架设迅速、灵活方便、隐蔽性佳、保密性好、本钱低廉等特点，在民用、军事领域得到了广泛而深入的应用。

1大气激光通信技术的原理与特点激光通信是以激光光束为信息载体，用以传送信息的通信方式，与传统电通信相似，激光通信包括两种，即有线与无线激光通信。

前者即以光导纤维为传输媒质的光纤通信技术，如今已经开展成为高速有线信息传输之骨干技术；后者即所谓的大气激光通信技术，作为一种无线连接方式，其借助高功率二极管、激光管生成的激光作为载波，以视距内两点间的互通而设计，可实现数据、视频、语音信号的传输。

大气激光通信技术原理与无线电通信相似，由两台激光通信工具构成通信系统，为使激光通信具备全双工通信能力，各系统均具备信号调制电路、激光器与光发射天线，激光发射过程中，受调制信号途径调制电路促使激光器发光，确保承载信号的激光借助光学天线进行受控扩散光束的发射，以实现天线接受。

接收过程中，系统借助光学天线收集光信号，并会聚到光电探测器上，并将该光信号成功转换为电信号，经滤波解调成功获取原信息。

如图1所示。

大气激光通信技术具有如下特点：1〕光波频带宽，信息容量大。

由于光频比微波基频高出千倍，因而赋予该技术极高的潜在传输速率，其信息载体可传输超过10Gbps数据码率，假设能同时利用光频带宽，那么全球可同时利用一束光线加以通信。

大气激光通信

大气激光通信技术及应用摘要：大气激光通信其载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输，并采用半导体激光器为光源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用作应急抢通，其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆及光缆的近距离场合。

大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应用前景。

随着技术的不断完善和新器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。

本文主要论述大气激光通信的基本原理、关键技术及其发展现状和应用领域。

关键词：大气激光通信、军事应用、激光器、通信系统大气激光通信技术即无纤光通信技术，是近年来出现的一种新兴技术。

1、激光传输大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信，可传递语音以及进行计算机间数据通信。

受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。

接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。

当传递数据时进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统，它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。

其中含有接口电路，它的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。

调制器的作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。

一种大气激光通信信道测试系统的设计

一种大气激光通信信道测试系统的设计冯杰;徐林【摘要】介绍了一种大气激光通信信道测试系统的设计方案,并使用该系统在桂林进行了长期的大气信道测试.通过对测试数据的处理分析,给出了天气状况与FSO设备通信质量的关系.%A testing system about laser atmospheric transmission characteristics for free space optical communication (FSO) is introduced in this paper. Using the system, a long-term laser atmospheric transmission characteristics test was completed. The testing data is analyzed and the relation of weather status and FSO communication quality is present.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】3页(P51-53)【关键词】FSO;大气激光通信;信道测试;环境指标【作者】冯杰;徐林【作者单位】总参信息化部驻桂林地区军事代表室,广西桂林541004;中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN929.120 引言大气激光通信是一种无需光纤进行通信的方式，是现代光纤通信技术与无线电通信技术的结合。

大气激光通信不使用光纤等导波介质，直接利用激光在大气环境中进行信息传递。

它与其它无线通信技术相比具有带宽大、抗电磁干扰能力强、对其它传输设备不干扰、保密性强、小型化、成本低、安装便捷、使用方便等优点，因此在目前的高科技通信领域已引起了各国的高度重视。

虽然大气激光通信技术具有上述的种种优点，但由于其传输信道是大气，易受雨、雪、雾、霾、云、尘埃、大气湍流等各种环境影响，造成大气激光通信系统的稳定性较差，例如在晴天通信距离能达到5km的大气激光通信系统，大雾时可能连1km也无法保证。

大气湍流中的激光传输

Cn2随高度的变化实验值
大气湍流对激光传输的影响
1
大气闪烁（光强起伏）
定义为激光传播一定距离后，在探测器平面上光密度在空间和时间上的变化。这种信号的起伏是激光在传播时，沿途温度变化引起大气折射率变化的缘故。大气信道各部分就像棱柱和透镜，如果在湍流大气中与光源相距一定距离处测量光的强度，会出现光强I随时间围绕平均值<I>做随机起伏的现象。因为光强起伏是影响工作于大气环境中系统性能的一个重要参量，所以人们希望预测光强起伏的大小。光强起伏的理论和实验研究一般主要集中在闪烁方差和闪烁概率密度上。
1 n xcn xci n i 1
若各束光的漂移互不相关，并且假设每束光的光斑重心漂移的方差为σρ2，则n束光叠加之后的光束漂移方差：
n 1 2 n2 n i 1
即n束漂移互不相关的光叠加后所形成的光斑重心漂移与单束光的光斑重心漂移相比，方差减小了n倍。
多光束传输的数值模拟
大气湍流
流体的运动主要分为层流和湍流，层流属于规则运动，湍流则属于不规则运动。大气湍流是大气中的一种不规则的随机运动，湍流上的每一点的压强、速度、温度等物理特性都会随机涨落。大气湍流中空气密度的无规则变化导致了折射率的变化，也就使光在大气中的传播不再是线性的。
大气湍流最常发生的三个区域： 1、大气底层的边界层内 2、对流云的云体内部 3、大气对流层上部的西风急流区内
3
光束漂移
主要起因于大尺度涡旋折射率的作用。如果在接受平面上，取一个足够短的观察时间，我们可以看到一个直径为ρs的被加宽的光斑被折射而偏离了一个距离ρc。
接受平面上则会观察到一个均方直径为ρL2=ρs2+ρc2的大光斑。称ρs为短期平均光斑半径，ρL为长期光斑半径，ρc为平均束漂移量。

一种便携式大气激光通信系统设计与实现

图２以太网收发端机原理框图
３２视音频收发端机．
视、频收发端机由视音频输入输出端口、／音ＡＤ转换器、／ＤＡ转换器、缩编码器、码器、收发压解光
合一模块等六部分组成。其工作原理框图如图３
３３基于光纤技术的光放大．
纤通过光纤接口传输至以太网收发端机和视、频音
收发端机的接收端；略瞄准镜用于两台通信机之概间的概略瞄准。
３系统设计
以太网收发端机和视、频收发端机中的光收音发合一模块均都采用了工作波长为１５ｍ的半导５０ｎ体激光器。由于１５ｍ半导体激光器的功率和调５０ｎ制速率不能同时满足系统传输距离和传输数率的要求，首先满足传输速率的前提下，在系统选择了调制速率为１０Ｍｐ，率为一４ｄｍ的光收发合一模０ｂｓ功Ｂ块。为实现２ｋｍ距离的通信，系统要求光发射功率需达到１Ｂ为此需要加光放大器，输出光信２ｄｍ，对号进行放大，以满足通信距离对光发射功率的要求。由于ＥＦＤＡ光纤放大器具有增益高、噪声低、频
大气激光通信是一种以激光为载体、气为传大输介质的通信方式，有带宽大、网速度快、具建电磁兼容性好等特点 … 。该技术已被广泛应用于各领

大气激光通信技术及应用

2018年8月业务,为消费者提供更加方便的服务。

在这一工作中,可以应用移动通信平台,对各种移动通信信息进行全面监管,避免一些消费者浑水摸鱼,对各种移动通信信息技术系统化管理,从而促进移动通信技术应用到物联网的实现。

3推进移动通信网络技术在物联网应用点开有效措施3.1改进移动终端在当前的移动终端工作中,信息的传输方式主要是以语言和各种信息信号为主,导致其控制物体的功能难以实现,影响了移动终端在物联网中的进一步应用。

所以在实际的应用过程中,必须要注重对移动终端的改进,使其能够更好地实现对物体的控制,促进移动通信技术在物联网中的应用和发展。

在这一方面,要根据物联网的发展需求,对移动终端进行合理改进。

例如:在改进移动终端时,可以适当增加移动终端的控制和传感功能,从而实现移动终端的控制物体功能,更好地适应物联网的发展需求,满足物联网在实际发展过程中的解决所面临的各种问题的需求,全面推进我国的物联网发展[3]。

3.2改进网络管理改进网络管理是促进移动通信网络技术在物联网中应用的有效举措,但是在实际工作中,改进网络管理要根据物联网的发展需要进行,避免影响到物联网的未来发展。

物联网在实际应用时,会涉及到许多方面的内容,所以移动通信网络必须要具备足够的容量,保障能够有足够的空间来容纳这些信息。

同时物联网在应用移动通信技术时,其信息传输的安全性和可靠性也会受到诸多因素的影响,所以在实际工作过程中,必须要注重保障信息传输的稳定性和安全性。

这就为改进物联网工作提供了方向,在改进是必须要注重满足物联网对移动通信技术的应用要求。

同时还要提高对物联网新业务开发的重视,将其作为推进移动通信网络技术在物联网中应用的有效举措,为提升其应用效果提供保障。

4结束语社会经济的高速发展和信息科技的日渐成熟,使得移动通信技术和物联网逐渐实现了融合发展。

但是在实际的发展中,相应的问题依然存在,必须要注重强化基于移动通信网络的物联网应用研究,全面促进二者的融合发展,推进移动通信网络在物联网中的应用,带动社会的发展变革。

大气激光通信接收系统的光学天线

大气激光通信接收系统的光学天线设计报告大气激光通信，是近年来出现的通信研究热点。

它是以大气为媒介，让载波激光在大气中传输有效信息，达到通信目的。

有无线电通信的便利性，同时也继承了光纤通信的绝大部分优点，尤其是大通信容量的特点，是“无线＋带宽”的有效解决方案。

一个简单的大气激光通信终端由声像信号编码、激光发射光学天线、激光接收光学天线、声像信号滤波解码等部分组成。

对于接收端光学天线，应尽量多地接收包含目标信号在内的自由空间微弱光辐射，然后将光信号耦合到滤波器的接收端，滤除“噪声”，保留目标信号。

所以对于接收端的光学天线，其光学特性特点：入瞳直径大、具有一定视场、相对孔径大、工作波长一般为近红外（与激光器波长有关，常取 1.55 μm，透过率高、大气损耗小、人眼安全），结构尽量简单以增加透过率。

光学系统设计：1、要求：焦距：60mm，D/F=1/1.2,视场角+0.1°,激光波长1.55微米，波长漂移1.53-1.57微米。

探测器的光敏面直径为0.3mm该天线属于大孔径，小视场光学系统，可以采用望远镜物镜或照相物镜形式，工作波长为近红外，波长带宽不算很宽，为获得足够透过率，天线片数要少，可以采用无色光学玻璃材料。

像差校正主要集中在轴上点的单色像差和高级像差，色差估计不大，也加以控制。

像质评价可以采用弥散圆和MTF指标。

2、过程：输入表中数据，孔径光阑放在第1光学面上，第8面到Image面的距离（像距）可以取为近轴像距，确定方法为：用鼠标单击“Lens Data Editor”中第8面的“Thickness栏”，选择该栏并右击鼠标，从弹出的“下拉选项框”中选取“Marginal Ray Height”，设置Height和Pupil Zone均为0，表示近轴，确定以后，该栏计算得到的数据后会有“M”显示。

选择“System → Wavelength…→波长输入对话框”，输入波长1.53，1.55，和1.57，选择主波长为1.55选择“System → Field…→视场输入对话框”，选择Angle，在Y-field框中输入视场1为0，视场2为0.05，表示物点在子午面内选择“System → General…→ Aperture →孔径输入对话框”，选择Aperture Type为Entrance Pupil Diameter，在Aperture Value中输入34选择“Tools → Make Focal →输入数据”中输入60，后选择“OK”，完成焦距缩放，并将厚度（Thickness）一栏数据归整后，得到优化前的初始结构数据。

大气激光通信系统

光接收是把从远处传来的已被调制的光信号通过光学接收透镜汇聚、滤波器滤波、光电
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探测器进行光电转换的过程。接收方法有直接检测接收和外差检测接收。直接检测接收是利用光学系统和光电探测器把光学信号直接转换成电信号的过程，它是一种简单而实用的接收方式，如砷化镓激光通信就是直接检测接收，缺点是灵敏度低，信噪比小。
光学原理图目前在自由空间激光通信中，一般传输距离为 500m－4km。 FSO 利用点对点连结来建构网络点到点、点到多点（星形）和格形网。路由(Routing) 及多任务(Multiplexing)功能须由外接的路由器(Router)或交换器(Switch)及 ADM 提供。可广泛用于局域网，最后一公里接入，光纤通信系统的备份，应急通信，无线机站数据回传。面对当前多种接入技术，比如 FSO、光纤、DSL 以及 LMDS 等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设周期长及投资高，并且一旦用户离开，应运商想要收回投资就变得十分困难；LMDS 技术日渐成熟，它比 FSO 的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），该种接入技术不如 FSO 经济；尽管铜缆是一种非常普及的传输方式，但由于 DSL 的带宽太低，使得这种基于铜缆的接入方式并不能解决完全解决“最后一公
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接口电路的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。调制器的作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。解调是调制的逆过程，它是把接收的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号送到接口电路。同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，使收端和发端步调一致。 1．激光器

基于APD的高灵敏度大气激光通信接收机系统设计

基于APD的高灵敏度大气激光通信接收机系统设计王平;耿天文;伞晓刚;高世杰;吴志勇【摘要】为了满足大气激光通信系统对接收端高灵敏度的要求,通过分析APD和接收机的温度电压特性,以及电压和温度的波动对接收机灵敏度的影响,设计了一种大气激光通信接收机,包括低纹波APD偏压控制电路、APD温度控制电路和主放大器电路等.实验结果表明,偏置电压为46.35V、温度为290K、误码率为10-9时,接收机灵敏度达到-39.1dBm,满足通信系统要求.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2015(039)012【总页数】4页(P51-54)【关键词】激光通信;接收机;灵敏度;APD【作者】王平;耿天文;伞晓刚;高世杰;吴志勇【作者单位】中国科学院大学,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033【正文语种】中文【中图分类】TN929.11大气激光通信是指利用激光作为信息载体在大气环境中进行通信的通信方式［1］。

在长距离通信时，激光通信系统的接收端所接收的信号具有功率小、信噪比低的特点，这要求接收机系统拥有较高的灵敏度。

因此接收机中的光电探测器需要采用高灵敏度、低噪声的雪崩二极管（APD）［1-6］。

APD作为信号接收器件虽然具有高灵敏度的优点，但是温度和电压影响其增益及噪声，进而影响接收机灵敏度，因此需要对APD偏置电压和工作温度进行控制［6］。

现有接收机系统多采用偏置电压对温度变化进行补偿的方式进行电压和温度的控制，但是这种方式并不能使APD工作在最佳的工作状态。

为此，本文分析了电压和温度对APD雪崩增益以及对接收机灵敏度的影响，并基于此设计了大气激光通信接收机，主要包括低纹波电压控制电路、精确温度控制电路和主放大器电路。

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大气湍流对光束特性的影响程度与形式同光束直径d与湍流尺度l有很大关系，大致可分为三种情况：（1）d<<l，湍流主要使光束随机产生随机偏折，接收机端光束漂移

（2） d≈l。湍流主要使光束截面发生随机偏转，从而形成到达角起伏，使接收端的焦平面上出现像点抖动。（3） d>>l，这是一种更常见的情况，此时光束截面内含有许多小湍流漩涡，各自对照射的那一小部分光束起衍射作用，是光束的强度和相位在空间和时间上出现随机分布，相干性退化，光束面积也会扩大，从而引起接收端的光强起伏，同时衰减总体接收光强
7.3用于大气激光通信的关键器件和要求

半导体光源窄带光学滤波器光学天线
7.3.1 半导体光源
1、工作波长的选择大气的“通信窗口”是工作波长选择的重要依据。同时还要注意避开背景光的高辐射谱段。大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射，对激光大气通信的接收机来说是一个强的噪声源。由图知，为减小背景辐射的影响，不宜采用可见波段的激光，紫外和红外是可选择对象
2、大气散射大气散射是由大气中不同大小的颗粒的反射或折射造成的，这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和大的水滴。纯散射虽然没有造成光波能量的损失，但是改变了光波能量的传播方向，使部分能量偏离接收方向，从而造成接收光功率的下降大气对光的散射主要有瑞利散射、米式散射和非选择散射（又称几何散射）在近地面大气层中，分子散射的影响是很小的，造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射
光通信原理与技术
大气激光通信
7.1.2 大气激光通信的应用优势
无线优势：安装便捷、使用方便，很适合于在特殊地形地貌及有限通信难以实现和机动性要求较高的场所工作；开通周期短，成本低 2. 容量优势：光波频率高，信息承载能力强 3. 电磁兼容优势：不占用无线电频率资源、抗电磁干扰能力强，具有很强的军事应用价值 4. 保密优势：激光良好的方向性使其传输的数据具有高度保密性；激光光束的发散角小，信息截获难 5. 尺寸优势：光波波长短，在提供同样增益的情况下，其天线尺寸要比微波、毫米波通信天线尺寸小得多；通信终端体积越来越小 6. 价格优势：半导体激光通信系统的容量/价格比极具竞争优势 7. 功耗优势：由于激光方向性极强，因此光源只需较小的功率即可实现通信，通信终端功耗很低，易于远程馈电上述优势中，无线优势和容量优势二者的结合一方面克服了光纤通信在灵活性方面的缺点，另一方面又解决了无线/微波通信在容量方面的缺点，因而最为人们所看重。
7.2.2 大气对激光束传播的影响
大气对激光束传播的主要影响大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射：导致光束能量损失，工程上常称大气衰减大气湍流运动对光束的扰动：引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象，通常称为大气湍流效应
1、大气吸收紫外区（0.2~0.4μm）：主要的吸收来源于O3 可见光区：水汽、O2 、O3 均有强吸收红外区：最活跃的吸收气体分子是水汽、 O3和 CO2 。气体分子的大量吸收谱线组成了吸收带群，但在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明”的 “窗口”，在这些窗口中辐射透过率较高，吸收较弱，通常称大气窗口。
3、大气湍流在大气光学领域，湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。湍流产生许多温度、密度具有微小差异而折射率不同的漩涡元，这些漩涡元随风速等快速地运动并不断的产生和消灭。当光束通过这些折射率不同的漩涡元时会产生光束的弯曲、漂流和扩展畸变等大气湍流效应，致使接收光强的闪烁与抖动。
4、热晕效应所谓热晕效应，是指大功率激光束在大气中传播时，激光束路径上的大气分子或悬浮微粒将吸收部分激光能量而发热，且足以导致空气折射率发生变化，从而使激光束发生附加的弯曲和畸变等现象，也称热畸变效应原则上讲，只要大气对激光能量有吸收就会产生热晕效应，但在激光功率较低或吸收系数很小的情况下，热晕效应对激光束传播影响极小，通常可不考虑
2、发射功率的选择激光束在大气中传播时，光能量不仅会受到大气吸收、大气散射而衰减，还会因光束的发散造成接收光功率损耗。随着传输距离的增加，单位面积内的光能量越来越小。对口径一定的接收端来讲，接收到的光功率也就减少了，因此在发送端往往需要通过光学天线系统对激光束进行扩束。

当不使用发送光学天线时，光束发散损耗较大， 1550nm波长尤为显著，在2km处损耗达到23dB， 850nm的波长稍好一些，但也达到了18dB；而使用口径为10cm的发送光学天线后，光束发散损耗大大降低。
1.
7.2 激光在大气信道中的传播特性

7.2.1 大气的特点大气是由大气分子、水蒸气及各种杂志微粒组成的混合物，这些粒子密度最大的地方是在靠近地面的对流层，粒子密度随高度增加而减小，直至穿过电离层（包含电离电子，它形成包围地球的辐射带）。实际粒子的分布依赖于大气层条件。由于温度差异、风等原因，大气中的分子、微粒处于不断的运动之中，其组成、湿度、密度等都在不断的变化，使得大气常处于湍流运动状态

在实际情况中，温差的扰动会使大气不断地混合，产生许多无法预料的各种尺度的湍流元，这些湍流元共同作用，加强了接收端的光强起伏（相同时间内的光强起伏还与风速及当时的气象条件有关）。因此对大气湍流的探测和观察是比较困难的，大气湍流使信号探测变得不容易掌握，对大气激光通信系统的稳定性造成很大的障碍。目前，自适应光学技术可较好的解决这一问题，但仍需对大气湍流的变化尺度及变化规律进行更多的实验探索

对于常用的红外激光波段都是良好的大气窗口。

考虑到器件的可行பைடு நூலகம்，可以认为 810~860nm、1550~1600nm都是无线光通信中可以选择的通信波长。从更好的抑制背景光噪声的考虑出发，1550nm附近是更适合的通信窗口，且与目前光纤通信使用的波长一致，可用器件选择余地大、制造水平高，价格也相应的比较便宜