第8、9章 空间激光通信课件
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X
max min T R R
·
P
有效 散射体
F1
发送端
T
F2
Z
接收端
背景光噪声
2000
W· m-2 · m-1
光 1500 谱 辐 照 1000 度
500 0
0
0.5
波长（ m）
太阳光谱
1
1.5
2
2.5
8.3 关键器件和技术
光源
工作波长
不仅要考虑低损耗窗口，还要注意避开背景光的高辐射谱段 可以认为810～860 nm、1550～1600 nm都是无线光通信中可
自 由 空 间 光 通 信
第8章 大气激光通信
本章内容
概述 激光在大气信道中的传播特性 用于大气激光通信的关键器件和技术 调制方式 大气激光通信系统 大气激光通信的应用
8.1 概述
大气激光通信的研究进展
又被称为自由空间光通信（FSO，Free Space Optics）
米氏散射
大气综合衰减系数表
不同天气时的大气综合衰减系 数和能见度表（工作波长850nm） 天气情况 非常晴朗 晴朗 能见度 dB/km） 大气衰减系数（
50～20 km
20～10 km 10～4 km 4～2 km 2～1km 1000～500 m 500～200 m 200～50 m
0.20～0.52
( Np / km)
V 50km 1.6 1.3 6km V 50km q 0.16V 0.34 1km V 6km V 0.5 0.5km V 1km V 0.5km 0
能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离
非视线紫外大气散射信道
以选择的通信波长
功率要求
大气吸收/散射问题
光束发散问题
通常选择在 数十mW以上
光检测器
半导体光检测器
PD和APD 真空光电管 真空光电倍增管（PMT）
真空器件
某型PMT光谱响应曲线
原理：光阴极产生的一次光电子被高电场加速，发射到打 拿极并产生二次电子发射；二次电子多少重复以上过程， 如此电子的数目也得到可观倍增；一般打拿极的级数可达 10级以上，平均倍增系数可达105~107 优点：灵敏度高、暗电流小、光电转换能力强、动态响应 速度快、信号检测能力强、稳定、较为可靠 缺点：需要高压，体积大，易碎，缺少长波长器件
0.52～1.0 1.0～2.9 2.9～5.8 5.8～14.0 14.0～34.0 34.0～84.9 84.9～339.6
轻霾
阴 薄雾 轻雾 中雾 浓雾
大气散射损耗经验公式
当工作波长选择在低损耗窗口时，大气 损耗主要由散射造成 大气散射损耗经验公式：
- q
3.91 骣 l ÷ ç s = ba = ÷ ç 桫 V ç 550nm ÷
光通信原理与技术
空间光通信概念
空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达 成的通信方式
优点：
与传统的无线电通信（微波通信）相比
承载能力更强
与光纤通信相比
在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势
空间光通信分类
江河岸间 大气（近地） 建筑物/山间 岛屿间 星地间 星间（外太空） GEO-GEO GEO-LEO LEO-LEO 水下 天空（卫星/飞机）-水下 水下-水下
光束发散等效损耗
接收天线 发散角 光锥 光强
50 40
=1550nm，0=1mm =850nm， 0=1mm
10 lg
1 e
1
D2 2 2 ( L )
衰 减 30 （
dB
）
20 10
=1550nm， 0=5cm =850nm， 0=5cm
0
0
5
10
15
距离（km）
天顶角=0º 大气质量比=1
60 º ，2
70.5º ，3
%
1.6
2.0
3.0 波长 （m）
4.0
4.5
5.0
瑞利散射与米氏散射
瑞利散射
光子与空气粒子发生碰撞而产生 特点：散射的强度和波长的四次方成反比；散射光 的散射强度与观察方向之间有着比较简单的关系； 前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散 射光几乎是偏振的 散射颗粒的大小可以与辐射波长可比拟时产生米氏 散射 特点：主要的散射能量集中在前向方向上
发展大致经过了高峰——低谷——复苏三个阶段
20世纪60～70年代，研究高峰期
特点：激光刚出现，使用激光实现大气光通信，独占光通信舞台
20世纪70～80年代，衰落期
光纤出现，光纤通信压倒性优势
20世纪90年代至今，复苏期
作为光纤通信的补充，与其它无线通信方式竞争
大气激光通信的应用优势
大气湍流
其它
大气透射谱
100 80
透 60 射 率 （ 40 ）
20 0 0.3
º =0 1 角 比= 顶 天 质量 ，2 60 º 气 大 ，3 5º 70.
%
能见度极佳（ >31km） 对大气质量比等于 1时 0.5 0.7 0.9 波长 （m） 1.1 1.3
100 80 透 60 射 率 （ 40 ） 20 0 1.2
无线优势
容量优势 电磁兼容优势 保密优势 尺寸优势
价格优势
功耗优势
面临的主要问题
大气信道问题
大气信道衰减 大气湍流的影响 大气信道散射 背景光干扰
其它问题
飞行物遮挡 工作平台方位稳定性
8.2 激光在大气信道中的传播特性
大气效应
大气吸收
在紫外、可见光及红外区域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的 CO、CH4、N2O等。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
20
25
30
35
40
光学天线
作用
在发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束 发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功 率，压缩接收视野，减少背景光干扰
大气散射
造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射，一般说来，对于半径r≤0.3m 的粒子（如气体分子），波长在1m附近，瑞利定律的误差≤1%，当粒子半 径r>0.3m时（如悬浮尘埃等），须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至 少大40m时（如雾滴、雨滴等）才出现非选择性散射
大气散射造成光衰减，是大气窗口上主要的损耗来源，但也可有意利用大气 散射构成散射信道 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 背景光/热晕
max min T R R
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P
有效 散射体
F1
发送端
T
F2
Z
接收端
背景光噪声
2000
W· m-2 · m-1
光 1500 谱 辐 照 1000 度
500 0
0
0.5
波长（ m）
太阳光谱
1
1.5
2
2.5
8.3 关键器件和技术
光源
工作波长
不仅要考虑低损耗窗口，还要注意避开背景光的高辐射谱段 可以认为810～860 nm、1550～1600 nm都是无线光通信中可
自 由 空 间 光 通 信
第8章 大气激光通信
本章内容
概述 激光在大气信道中的传播特性 用于大气激光通信的关键器件和技术 调制方式 大气激光通信系统 大气激光通信的应用
8.1 概述
大气激光通信的研究进展
又被称为自由空间光通信（FSO，Free Space Optics）
米氏散射
大气综合衰减系数表
不同天气时的大气综合衰减系 数和能见度表（工作波长850nm） 天气情况 非常晴朗 晴朗 能见度 dB/km） 大气衰减系数（
50～20 km
20～10 km 10～4 km 4～2 km 2～1km 1000～500 m 500～200 m 200～50 m
0.20～0.52
( Np / km)
V 50km 1.6 1.3 6km V 50km q 0.16V 0.34 1km V 6km V 0.5 0.5km V 1km V 0.5km 0
能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离
非视线紫外大气散射信道
以选择的通信波长
功率要求
大气吸收/散射问题
光束发散问题
通常选择在 数十mW以上
光检测器
半导体光检测器
PD和APD 真空光电管 真空光电倍增管（PMT）
真空器件
某型PMT光谱响应曲线
原理：光阴极产生的一次光电子被高电场加速，发射到打 拿极并产生二次电子发射；二次电子多少重复以上过程， 如此电子的数目也得到可观倍增；一般打拿极的级数可达 10级以上，平均倍增系数可达105~107 优点：灵敏度高、暗电流小、光电转换能力强、动态响应 速度快、信号检测能力强、稳定、较为可靠 缺点：需要高压，体积大，易碎，缺少长波长器件
0.52～1.0 1.0～2.9 2.9～5.8 5.8～14.0 14.0～34.0 34.0～84.9 84.9～339.6
轻霾
阴 薄雾 轻雾 中雾 浓雾
大气散射损耗经验公式
当工作波长选择在低损耗窗口时，大气 损耗主要由散射造成 大气散射损耗经验公式：
- q
3.91 骣 l ÷ ç s = ba = ÷ ç 桫 V ç 550nm ÷
光通信原理与技术
空间光通信概念
空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达 成的通信方式
优点：
与传统的无线电通信（微波通信）相比
承载能力更强
与光纤通信相比
在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势
空间光通信分类
江河岸间 大气（近地） 建筑物/山间 岛屿间 星地间 星间（外太空） GEO-GEO GEO-LEO LEO-LEO 水下 天空（卫星/飞机）-水下 水下-水下
光束发散等效损耗
接收天线 发散角 光锥 光强
50 40
=1550nm，0=1mm =850nm， 0=1mm
10 lg
1 e
1
D2 2 2 ( L )
衰 减 30 （
dB
）
20 10
=1550nm， 0=5cm =850nm， 0=5cm
0
0
5
10
15
距离（km）
天顶角=0º 大气质量比=1
60 º ，2
70.5º ，3
%
1.6
2.0
3.0 波长 （m）
4.0
4.5
5.0
瑞利散射与米氏散射
瑞利散射
光子与空气粒子发生碰撞而产生 特点：散射的强度和波长的四次方成反比；散射光 的散射强度与观察方向之间有着比较简单的关系； 前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散 射光几乎是偏振的 散射颗粒的大小可以与辐射波长可比拟时产生米氏 散射 特点：主要的散射能量集中在前向方向上
发展大致经过了高峰——低谷——复苏三个阶段
20世纪60～70年代，研究高峰期
特点：激光刚出现，使用激光实现大气光通信，独占光通信舞台
20世纪70～80年代，衰落期
光纤出现，光纤通信压倒性优势
20世纪90年代至今，复苏期
作为光纤通信的补充，与其它无线通信方式竞争
大气激光通信的应用优势
大气湍流
其它
大气透射谱
100 80
透 60 射 率 （ 40 ）
20 0 0.3
º =0 1 角 比= 顶 天 质量 ，2 60 º 气 大 ，3 5º 70.
%
能见度极佳（ >31km） 对大气质量比等于 1时 0.5 0.7 0.9 波长 （m） 1.1 1.3
100 80 透 60 射 率 （ 40 ） 20 0 1.2
无线优势
容量优势 电磁兼容优势 保密优势 尺寸优势
价格优势
功耗优势
面临的主要问题
大气信道问题
大气信道衰减 大气湍流的影响 大气信道散射 背景光干扰
其它问题
飞行物遮挡 工作平台方位稳定性
8.2 激光在大气信道中的传播特性
大气效应
大气吸收
在紫外、可见光及红外区域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的 CO、CH4、N2O等。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
20
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30
35
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光学天线
作用
在发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束 发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功 率，压缩接收视野，减少背景光干扰
大气散射
造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射，一般说来，对于半径r≤0.3m 的粒子（如气体分子），波长在1m附近，瑞利定律的误差≤1%，当粒子半 径r>0.3m时（如悬浮尘埃等），须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至 少大40m时（如雾滴、雨滴等）才出现非选择性散射
大气散射造成光衰减，是大气窗口上主要的损耗来源，但也可有意利用大气 散射构成散射信道 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 背景光/热晕