大气激光通信系统的研究解析

大气激光通信系统的研究解析
大气激光通信系统的研究解析

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

图中,接口电路的作用是将计算机网卡与调制电路连接起来,使之能同步协调工作。关于接口电路的研究在后面的章节中会具体提及。调制电路的作用是把二进制脉冲调制成适宜在信道上传输的波形。由于半导体激光器的输出功率与温度密切相关,因此一般还有自动温度控制(ATC)电路。由于本论文的目标是研制作用距离数公里量级、定点工作的通信机,暂时不考虑光信号的自动跟踪瞄准。因此瞄准装置(瞄准镜)可以采用市场采购的方式解决。

3.光接收端机的基本原理与结构

1.光接收端机的设计考虑

光接收端机的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号,并进行放大输出。它主要由光电探测器、前置放大电路、主放大电路、自动增益控制电路、均衡电路、码型变换、输出接口电路等部分构成。设计时,元器件的选择和单元电路的设计同光发射机一样,尽量采用成熟的单元电路功能模块;此外,设计时除了认真研究分析电子线路中的量子噪声、热噪声、散弹噪声外,还要考虑恶劣气候(雨、雾、雪、湍流等)出现的附加噪声;为保证系统具有强的抗干扰能力和抵御大气衰减的能力,设计光发射功率要足够大,这就要求光接收机具有很宽的光动态范围;最后,如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考虑的一个问题。

光接收端机的基本结构

2.接收端机的噪声分析

在信号的传输过程中对信号影响的因素都可以归结为噪声,噪声主要来自三个方面:发射机方面、大气方面、接收部分方面。发射方面的噪声主要是激光器自身的原因和各种匹配等因素造成的,大气的影响主要是由大气中的粒子对红外光的吸收和散射造成的。这两点在前面文章中己有叙述,这里就不再介绍。接收部分的主要噪声源有:暗电流噪声、散粒噪声、热噪声、放大器噪声和背景噪声,这里将作详细分析。

四. 大气激光传输链路的设计方案

4.1激光光源

1.大气激光通信系统对光源的要求

在大气激光通信中,将电信号转变成光信号是由光发射机来完成的。光发射机的关键器件是光源,激光通信对光源的要求可以概括为:

a.光源发射的峰值波长,应在大气通信窗口内,大气窗口在近红外谱段主要有路径效应[ys}。使得激光束在大气中产生光斑闪烁、漂移、断裂等因素,影响通信链路的稳定性。因此大气因素和天气状况是影响通信链路的主要因素。

1)大气效应对通信链路的影响

大气中对激光信号的影响主要体现在大气的散射效应、吸收效应、湍流效应三部分。

i)散射效应

大气散射效应主要有灰尘颗粒和气溶胶颗粒对光束的散射效应最严重。灰尘颗粒尺寸分布从10恤m到,um量级。当激光波长远远大于散射粒子直径时,就会产生瑞利散射,

其散射系数可表示为

上式中N为单位体积的粒子数目,入为光波波长,n为折射率。在干燥的空气

中瑞利散射系数可近似表示为

从上式中看出,瑞利散射系数和波长有关,波长越小,力越强。当粒子尺寸小于0.03,um时,其散射误差小于1%0当激光波长接近散射粒子直径时,就会产生米耶散射,瑞利散射系数越大。散射能其散射系数可表示为

上式中,N(d)表示单位体积的粒子数,d为粒子直径,Q、为米耶散射效率。米耶散射效率是粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比,它是粒子的相对尺度和复折射率的函数。n, Ko分别是复折射率的实部和虚部。当粒子半径在p和r:之间连续分布时,米耶散射系数可由下列积分求

得:

通常情况下,小雨、雾、霆等颗粒尺寸接近于激光波长,此时的灰尘与水蒸气都满足米耶散射效应。

大气的散射效应会改变激光光束的能量分布却不会损失光束能量。经过大气散射的激光束在原来的传播方向上能量减少。因此要尽可能的增大光学天线的接收面积,减少光束在传播方向上的能量损失。

ii)吸收效应

大气对激光光束具有吸收效应,气体分子对每个波段的吸收强弱不尽相同。气体分子对不同波段的吸收谱线形成的谱带群,使得对极少数的波长的吸收较弱,对大部分的吸收较强。因此,适合在大气中传输的激光波长应处在气体分子吸收较弱的大气窗口之内图3.1是大气对光波波长的吸收示意图。

850nm附近和1550nm附近,激光波长只有在此范围,其大气损耗最低,才能应用与激从图3.1可以看出,在可见光波段、0.85,um波段、1.0伽m波段、1.55伽m波段、10.伽m波段,其大气透射百分比较大,气体分子对其吸收能力较小。大气散射与吸收的作用气体散射与吸收主要表现为激光束的大气衰减,光波的大

气透射率可以表示为

a(幻表示为波长兄的大气透射率;z为传输距离,a(幻一am+a。为散射损耗系数和吸收损耗系数的总衰减系数。常用的大气透射率和能见度可表示为

式子中Y为能见度,单位为km,传输距离z的单位也是km,波长兄的单位是,um, q的取值和能见度有关,当Y较大时,q=1.6;能见度中等时,q=1.3;当h<6km时,q=0.585 V。

(iv)湍流效应

由于温差而产生的大气流动,形成不同的气流漩涡,这些漩涡的温度、压强、密度、流速等参数各不相同。并且这些漩涡也在随时间的变化而变化着,他们之间相互叠加后形成随即的湍流运动]。因此,在大气中局部的温度、压强、大气密度等参数随机变化,从而引起光通信的湍流效应。首先体现在波阵面产生随即畸变,传播方向发生随即偏转。其次是产生光照度的随即起伏,光斑强度发生随即变化。也就是所说的光斑闪烁、漂移。

表征湍流大小的函数可以用大气折射率函数表示,即

其中,h为高度,单位为米,Q-(Qosmee)一SO为上升流的热通量(Wm.z}} Q的大小和太阳光与地面夹”·风速等“关。昧示太阳”。一0.35h引,其中·为风速,·的单位为ms。夏季的湍流效应最强,晴朗天气湍流效应较强,每天的10点一15点湍流效应较强。利用开普勒望远镜型的接收天线可以减小湍流效应的影响。

(2)天气条件对通信链路的影响

天气条件对激光传输链路的影响表现在不同的天气(雨、雾、霆等)对激光的强度衰减。处在大气窗口的激光信号,随着天气的恶化,其衰减系数不断增大,散射系数也不断增大,激光信号强度急剧减小[24]。因而长距离激光通信需要选择高功率的激光器,抑制天气条件所引起的信号衰减,以满足通信链路的正常化。不同天气条件下的能见度和衰减情况

4.2激光器的选择

1.常用激光器性能比较

根据激光通信的条件,通信波长应穿在大气窗口内。常用的位于大气窗口的波长有1550nm, 1064nm, 850nm和780nm波段。表3.2是市场是各波段的激光器的性能比较。

常用激光器的性能比较

从上表中可以看出,从激光器的体积、价格、使用寿命和信号加载难易程度等四个方面考虑,本文选用激光通信中占主导地位的半导体激光器。半导体激光器的优点首先是性能稳定,技术成熟,安全系数比较高;其次是激光器体积较小,便于携带,发光高效率,使用寿命长,不容易损坏;第三,半导体激光器的初涉光斑为发散度较低的圆形光斑,有利于后续光学发射的聚焦处理。VCSEL激光器的价格便宜,维修方便,检测费用低。

2.大气激光通信系统模型

典型的大气无线激光通信链路的框图如图2.2所示。和其他通信技术一样,一个无线激光通信系统主要由发射机、信道和接收机三部分组成。

五.大气湍流信道中随机光强信号的检测

5.1无线激光通信中的光强信号检测

在FSO系统中,如果用户信息被调制到信号强度上后发射到大气中,在接收机端,探测器直接将接收到的信号功率转换为电信号,则这种探测称为直接探测,其调制和探测过程也称为强度调制和直接探测。在利用OOK调制方式的强度调制和直接探测系统中,接收机的输出在一个符号(比特)周期结束时和一个与噪声有关的闽值几进行比较后做出判决。对于具有正反两个极性的信号集合来说,判决闽值始终是零。然而,对于OOK调制方式来说,判决闽值与噪声有关,所以必须动态设定。

1.无湍流时的光强信号检测

忽略信道中湍流引起的退化效应时,则信道变为具有高斯加性噪声的非退化信道,接收电流i_的最优判决机制可表示为6s}

通过假设,该检测机制变为

2.己知完整信道状态的光强信号检测

信道状态信息是指在接收机端获得的关于信道系数h的瞬时信息。如果己知信道状态信息,则最优探测器的设计变得非常简单。假设使用最优检测的接收机接收的功率被规范化,则最大似然机制的闽值由下式给出

六.结论

大气激光通信是目前光通信发展的一个重要分支,本文通过阅读大量技术文献,对该领域的研究现状、各个主要组成部件、关键技术等方面进行了深入的研究和广泛的调研。在选择和实现了前人提出的电信号输入输出方式、单个激光器通过单路光学天线发射和接收的同时,根据实际情况,对其中的接口电路进行了改进和创新,最后得到一个既有电接口又有光接口的完整的大气激光通信系统,使其实用性得到了广泛的延伸。本论文主要内容包括以下几点:

1.深入研究分析了半导体激光器的选取和调制驱动方式,并用集成芯片MAX3667设计出了半导体激光器的调制驱动电路,完成了半导体激光器的调制实验。

2.详细讨论了光学发射天线的准直特性,并明确了设计准直系统时数值孔径的选取原则等。

3.根据光传输特性的噪声分析,合理选取了光电探测器,用MAXIM公司的集成芯片MAX3266和MAX3964设计出了”D光接收模块,并定量地计算出了它的接收灵敏度。

4.通过定量地讨论光束发散角、光学接收天线孔径、接收灵敏度与传输距离、传输扩展损耗的关系,合理选取了接收光学天线的口径,同时也验证了课题方案中对能量的估算。

5.论证了以计算机作为信源和信宿的大气激光通信系统的总体方案。设计出了具体的光发射机和接收机,并对系统的保密性能、光电性能进行了分析,提出了改善意见。由于时间、经费以及本人能力所限,我对大气激光通信系统的研究

工作仅仅是个开始,还有很多实际工作尚未完成。大气激光通信系统涉及的领域比较广泛,整个系统也较为复杂,需要有更多的人力、物力投入到这项研究工作中去,希望下一位研究者能继续深入研究并完成这一使命。

参考文献

[1] 卢栋,吉紫娟大气激光通信系统的研究2005.12

[2] 易湘刘增基大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究2013.4

[3] 杨牧,魏计林,杨旭东大气光通讯系统设计及相关测试技术与研究2013.6

[4] 张璐吴志勇大气激光通信中随机无信号的建模和检测寞法研究2013.5

[5] 曾智龙,徐林,杨乾远,莫海涛,何晓垒,王志勇,雷利娟天气因素对大气激光通信质量影响分析TN929.11 1002-5561(2009)10-0056-02

[6] Dong tang Ma(马东堂),Jibo wei (魏急波),Zhao wen Zhuang (庄钊文),and TaoWen(温涛) Design and analysis of the optical transceiver for mobile atmospheric laser communication Received April10,2003

激光通信的应用

激光通信的应用 1. 激光的定义:由受激发射的光放大产生的辐射。 2. 激光通信: 定义1:利用激光进行信息传递的通信。 定义2:利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同,可分为大气激光通信和光纤通信。 3. 激光通信的原理: 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架,部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波,也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同,激光的频率为几亿兆周,是微波(超高频电磁波)频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知,激光的波长非常短,所以其波动性远比无线电波差。相反,激光却具有奇特的粒 子性,因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似,在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器,调制器控制载波的某个参数(频率、振幅或相位)使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上,通过发射望远镜(也称发射天线)发送出去在媒质中传播。在接收端,接收望远镜(也称接收天线)将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同,激光通信可分为宇宙通信(激光在大气层以外的宇宙空间传播)、大气通信(激光在大气层以内传播)、水下通信(激光在水下传播)以及光纤通信(激光在光导纤维内传播)。四.激光通信的优缺点: 相比于微波通信等其他几种接入方式,无线激光通信主要优势包括: 1.无须授权执照 无线激光通信工作频段在365~326 THz(目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm~920nm),设备间无射频信号干扰,所以无需申请频率使用许可证。 2.安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄,方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度,甚至微弧度量级,因此具有数据传递的保密性,除非其通信链路被截断,否则数据不易外泄。

大气激光通信系统的研究解析

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

激光无线通信技术

激光无线通信技术 激光通信是一种以光波作为“载波”,大气、海水或太空作为传输介质的通信方式,与利用电磁波作载波的通信原理一样,只是承载信号的载波是激光,其波长更短,频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的,激光通信也形成了无线通信及有线通信,军事通信所关注的主要是激光无线通信。 激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于,一:激光具有高度定向性,发射波束非常短,通常发散角小于1弧度,在毫弧度级,二:信道速率高,能在短时间内大量发送数据,从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强,通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外,及激光通信的传输带宽宽,比较适合侦察图像等的实时传输。

美国航天局(NASA )在2014年6月6日宣布,该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面,成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”,也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的,完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。

应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率 卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右,近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率,采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率,使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信 由于激光通信的光束发散角很小,大大降低了通信过程中信息被截取的可能性,目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段,这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高,发射机的发射功率可大大降低,功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信 此外,激光在水下通信中也有很大的应用空间,电磁波在水中的衰减程度较大,传统的无线电波想要穿透海水,必须使用频率极低的波段,携带的信息量十分有限,传输时间长。然而,研究发现,激光中存在一个频段——光波波长为450~570nm 的蓝绿光,海水对其吸收损耗较小,它通过海水时,不仅穿透能力强,而且方向性极好。因此,激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一,可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。 限制因素: 但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播,因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信,尤其是星地间的通信,最大的限制就是经过大气层时受到湍流,及其他天气、环境因素的影响。 其次,空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等,并且链路之间不可能有中继放大,这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路,由于距离太过遥远,激光的几何损耗极大,点对点的瞄准也更为困难。

大气激光通信机基本参数测试

大气激光通信机基本参数测试 2011/08/19 【产品介绍】 此红外线传输设备为上海毅得通讯设备有限公司生产的AO-1系列,可以在300m 至4000m 之内保证高质量的宽带数据通信,通信速率为155Mb/s (11/13/14)和622Mb/s(12),通信端机正面示意图如图1: Pin 探测器 口径 红光指示发射器 图1 通信端机正面示意图 通信端机背面示意图如图2: 尾纤 外置光源尾纤 显示区 PIN 探测器显示区 显示区域 接线区域 望远目镜 图2 通信机背面示意图

图2中, TX:外接光源指示灯,灯亮表示正常 PW:电源接通指示灯,灯亮表示正常 LD1:指示红光指示灯,灯亮表示正常 LD2:内置光源指示灯,灯亮表示正常,内置LD6dBmW(4mW),发散角为0.8mrad。 PIN探测器显示区显示1023为最小,显示0000为最大,155M动态范围为:-4~-30db。 电源红线接地,黄线接负极。 1.通信机信号光源发射端前功率 使用3Sigma功率计及PM3探头,因为通信机光源发射端面处的光斑直径比较小(小于PM3探头面积),且功率小于4mW ,故将光直接打在PM3探头上分别测量信号光源发射功率,测试结果如表1: 表1通信机信号光源发射端前功率 1号通信机相比2号通信机功率略小。 产品说明中提到内置LD的发散角为0.8mrad,在做整体实验前,我们需要对其进行测量。在科技楼12楼楼道内,将通信端机置于楼道一端,因激光器有一定的发散角,(假定激光器束腰在距发射端口较近的距离下,在相距40m的距离处形成一定直径的光场分布(初步估计约约3~4cm)。我们采用3Sigma功率计及OP-2功率探头(直径5mm)对此处光场分布进行测量。)。在试验时,距离发射机端口有近及远测量中,发现在约40m处,OP-2(直径5mm)探头接收到的功率最大,说明激光器的束腰在该位置。要想测得其发散角需要进行远距离测试。 2.1(2)号指示红光与2(1)号接收口径轴线夹角

为什么说激光通信最保密

自上个世纪以来,由于通信技术发展极为迅速,中波、长波、超长波、短波、超短波以及微波通信以惊人的速度向前发展。然而事物的发展总是离不开矛和盾,随着电子通信技术的发展,电子对抗也就随之产生并发展起来了,电子侦察已成为现代作战获取情报的重要手段。无线电通信的电磁波犹如空气一样遍及全球,给敌方的无线电侦听带来了十分便利的条件,很容易泄密,给军事行动造成意想不到的损失。因此世界各国无不在保密方面狠下功夫,制定了各种保密措施防止无线电通信泄密。利用有线电通信的信号电流是沿着金属导线流动的,虽然比无线电通信保密,但也不是万无一失的。因为信号电流在导线周围会产生磁场,根据电磁感应原理:电生磁,磁生电,同样也很容易遭到敌方的窃听造成泄密。无线电波很容易被敌方接收,即使是加密的电波,在现代电子计算机技术充分发展的年代里也很容易被破译,于是人们感到必须改变传统的通信手段,才能适应保密的需要。1960年7月,光家族的新秀―――激光问世了,伴随激光的产生,一种新颖奇特的通信―――激光通信也进入了人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀,以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点给通信业的发展带来了明媚的春天,成为现代通信领域中引人入胜的“热门”。激光作为一种光波,虽然和电磁波有所不同,但是它仍属于电磁波家族中的成员,具有电磁波的特性,能在空间以波动的形式传播。但是它和电磁波又有区别,它的频率极高,具有奇特的粒子性。 随着激光技术的发展,激光通信也出现了两种方式:一是“有线”的光纤通信;二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有自己的保密特性。 光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播,光缆深埋地下、江、河、海底或敷设在管道中,不易被发现和破坏,尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波,不会招惹是非,使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现,它也不像金属导线那样容易“旁路”窃听;弄不好纤细的玻璃纤维竟会立即断成几节,散落四处,使侦听的企图落空,可谓“宁碎不泄密”。 大气激光通信中激光传输是一束平行而准直的细线,发散角小、方向性好,不像电磁波那样在空中到处乱窜,不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号,由于激光通信的频率极高,比微波的频率起码高10万倍以上,用现代的电子设备无法侦听,难以截获和破译。 因此看来,激光通信具有天然的保密性,它将给军事通信事业开辟崭新而广阔的天地。

无线激光通信调制方式性能分析

万方数据

无线激光通信调制方式性能分析 作者:赵婷, 陈宇, 宋宇, 闫志强, 张景萃, 齐雷 作者单位:长春理工大学电信学院,长春,130022 刊名: 科技资讯 英文刊名:SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年,卷(期):2011(16) 参考文献(4条) 1.何攀;李晓毅;侯倩基于LED的紫外光通信调制方式研究[期刊论文]-光通信技术 2010(4) 2.毛昕蓉;李荣无线光通信调制技术的性能分析[期刊论文]-通信技术 2009(42) 3.柯熙政;席晓莉无线激光通信概论 2004 4.David JT;David R Wisely lan Neild et OPtieal wlreless:the story so far 1998 本文读者也读过(5条) 1.柯熙政.陈锦妮.KE Xi-zheng.CHEN Jin-ni无线激光通信类脉冲位置调制性能比较[期刊论文]-激光技术2012,36(1) 2.赵丽丽.王挺峰.孙文涛.郭劲无线激光通信协议的设计[期刊论文]-中国光学2011,04(6) 3.卫斌.杨乾远.徐林.朱宏韬.WEI Bin.YANG Qian-yuan.XU Lin.ZHU Hong-tao一种用于大气激光通信透明传输的光端机[期刊论文]-光通信技术2010,34(7) 4.李国军.敬守钊.黄自力.唐湘成.LI Guo-un.JING Shou-zhao.HUANG Zi-li.TANG Xiang-cheng无线激光通信光发射模块的研究[期刊论文]-电子设计工程2011,19(5) 5.王鹏.邢柳.马永青.WANG Peng.XING Liu.MA Yong-qing无线激光通信APT系统设计[期刊论文]-光通信技术2011,35(3) 本文链接:https://www.360docs.net/doc/346467729.html,/Periodical_kjzx201116019.aspx

激光通信技术简介

激光通信技术简介 日前,由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波,在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强,还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点,将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。 未来,空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术,并实现与地面光纤网络的互补,从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网,彻底颠覆现有的全球通信系统,成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好,世界!”这句看似普通的话,或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频,跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提,但若不是采用了激光通信技术,传统的无线电传输则至少需要10分钟。 从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷,不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量,想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是,随着空间通信数据形式的不断丰富,单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求,易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。 曾几何时,人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信,将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后,利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信,可能还有点陌生,但如果一提到光纤通信,我想大家都耳熟能详。其实,光纤通信只是激光通信的一个具体应用,是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体,将信息加载到激光上发送,并在外太空等自由空间内进行信息传输,到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。

【CN109743106A】一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910158419.2 (22)申请日 2019.03.04 (71)申请人 兰州理工大学 地址 730050 甘肃省兰州市七里河区兰工 坪路287号 (72)发明人 曹明华 武鑫 王惠琴 彭清斌  康中将 张伟 杨顺信  (74)专利代理机构 兰州振华专利代理有限责任 公司 62102 代理人 董斌 (51)Int.Cl. H04B 10/11(2013.01) H04B 10/079(2013.01) H04B 10/548(2013.01) H04B 17/382(2015.01) H04B 17/391(2015.01)H04L 25/03(2006.01) (54)发明名称 一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方 法 (57)摘要 一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方 法,该方法发端引入FTN技术, 将QPSK信号转换成FTN信号,使符号速率大于Nyquist速率;收端利 用数字信号处理(DSP)技术,即CMA线性均衡器技 术,有效的补偿了引入FTN技术带来的码间干扰。 相对于传统的QPSK传输系统,FTN技术的引入有 效提高了大气激光通信系统的传输速率及频谱 效率,并且改善了大气激光通信系统的误码性 能,这对实际工程中移动通信系统的具体设计由 一定的参考价值。权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 109743106 A 2019.05.10 C N 109743106 A

1.一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法,其特征在于,发端引入FTN技术构建大气激光通信系统,使符号速率大于Nyquist速率,从而提高系统的传输速率;接收端利用数字信号处理技术,即CMA线性均衡器技术,能有效的补偿了由FTN技术带来的码间干扰,实现了系统频谱效率的提高;计算湍流信道下FTN传输系统的平均误码率。 2.根据权利要求书1所述的大气激光通信的FTN速率传输方法,其特征在于,其步骤为:步骤1:在发送端,X、Y两路二进制信息序列首先被分别映射成QPSK信号x n 和y n ,再经FTN 成形滤波器后生成FTN信号x FTN 和y FTN ; 其中,x n 、y n 分别为独立的复数符号,g(t)为信号脉冲波形, 且k=0,±1,±2,…,τ(0<τ<1)为加速因子; 步骤2:两路FTN信号分别通过IQ调制器调制到激光上形成x(t)、y(t)两路偏振信号,再经偏振耦合器耦合后s(t)由光学天线发出; 步骤3:假设光学接收天线接收的两路接收信号分别为r x (t)、r y (t);两路光信号与本振光信号r LO (t)分别经过2×4 90°混频器、光电平衡探测器后形成四路电信号;将四路信号分别合并成r 1(t)、r 2(t)两路复数信号, 再经匹配滤波器后分别进行ADC采样得到 其中,E s 为脉冲能量,P t 为平均发射光功率,P LO 本振光光功率,h为光强衰落系数,η为光电转换系数, X、 Y两路信号噪声的相关性可表示为: 对于噪声信号 其方差为其中,G(f)为g (t)的频谱函数;假设理想情况下匹配滤波器完全匹配,则 步骤4:将采样后的信号送入DSP模块进行处理,并恢复出用户信息,其中,均衡器采用CMA线性均衡器,主要目的是补偿合并后复信号间的码间干扰;经CMA均衡器输出判决变量 为: 权 利 要 求 书1/2页2CN 109743106 A

激光通信技术1解析

激光通信经历了大气通信和光波导(光纤)通信两个重要的发展阶段。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮,许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、财力和物力,对激光大气通信进行了广泛的研究开发。早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳气体激光器、YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等。二氧化碳气体激光器输出激光波长为10.6μm,此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口,是较为理想的通信用光源。与激光大气通信技术研究基本同步展开的还有光纤波导通信,从而在技术上形成了激光通信中与传统通信相对应的激光无线通信(激光空间通信)和激光有线通信(激光光纤通信)。 1975年,世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国芝加哥开通,揭开了光纤通信应用的序幕。此后,随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟,光纤通信从80年代起在全世界掀起了应用的热潮,并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要的通信手段,以致得到了一日千里的发展和推广应用。与此同时,激光大气通信技术由于器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素一时得不到很好的解决和弥补,便在轰轰烈烈的光纤通信热潮中,隐退得几乎无影无踪。 1.存在的主要问题 一段时间以来,激光大气通信技术之所以难以得到应有的发展和推广应用,存在的主要技术问题是: 对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题;大气湍流的影响,使信道折射率发生不均匀的随机变化,其结果使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响,有许多技术工作要做;

驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件的制作;灵敏度高、噪声特性好,适合于常温环境下工作的接收器件的制作;体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作;背景噪声的滤除技术问题;如果采用窄带光滤波技术,又是存在激光器的频率稳定技术;在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用,自动跟瞄技术也很关键。上述可归纳为:解决全天候、高机动性和高灵活性稳定可靠工作问题。 2.悄然复兴的激光大气通信技术 激光问世后,将激光应用于通信的想法就随之产生了。在国际上,美国、英国、日本、前苏联等国家,广泛开展了对激光大气通信的深入研究。 然而,进入80年代中后期,国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了进一步研究。有的国家甚至还宣布了走激光大气通信研究的路是一条“死胡同”,“走不通”。尽管如此,国内外仍有单位和人员始终在坚持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。 1998年,巴西AVIBRAS宇航公司公布了该公司研制的一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置,其外形如同一架双筒望远镜,在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时,一方将双筒镜对准另一方即可实现通信,通信距离为1km,如果将光学天线固定下来,通信距离可达15km。1989年美国FARANT1仪器公司成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统。1990年,美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信,这种通信系统完全符合战术任务的要求,通信距离为5~2km。如果对光束进行适当处理后,通信距离可达5~10km。

浅谈激光大气通信及其军事应用

浅谈激光大气通信及其军事应用 随着社会信息化建设的不断发展,人类对通信的要求越来越高,激光大气通信以其独特的优势而备受重视,尤其在军事通信中更是如此。文章简要回顾了激光大气通信的发展历程,论述了激光大气通信的优点,并由此对其军事应用进行了阐述。 标签:激光大气通信;优点;军事应用 2014年6月6日,美国航天局宣布,该机构利用激光束从距离地面400多千米且高速运行的国际空间站上,将一段高清视频传送回地面。这项演示的成功可能会根本性地改变未来太空通信技术,标志着激光通信进入一个新的发展阶段,更进一步增强人类对激光通信发展前景的信心。 通信是人类进行信息交流的重要手段,随着科学技术的发展,人类已进入信息社会,信息量之大、信息增长速度之快前所未有,军事通信作为现代战争的中枢神经系统,尤其受到各国军方的高度重视,因此改进通信技术手段、提高通信速度、增强通信保密性是通信研究的重要内容。激光大气通信由于其独特的优势而格外受到重视,但其发展历程却不是一帆风顺的。 1 激光大气通信简要发展历程 激光是一种特殊的光,因此提到激光通信,人们很自然地联想到光通信。广义地讲,光通信不仅起源早,且在当今社会也被广泛运用,如古时的烽火台、现代的旗语、交通红绿灯、信号弹等,都是利用光进行信息传递的;但从狭义上理解,这些都是用可见光进行的视觉通信,是非常原始的方式,称不上是完全意义上的光通信;真正意义上光通信指的是运用光作为载体而传送信息的通信方式。光在大气中的传送要受到气象条件的限制,此外,太阳光、灯光等光源,并不适合作为通信光源,因为从通信技术上看,它们都带有“噪声”。 1960年7月,梅曼发明了红宝石激光器,从此人们便可获得频率稳定的光源。激光问世后,人们就产生了将激光应用于通信的想法。美、英、日、前苏联等国家,对激光大气通信进行了深入研究。虽然在80年代中后期,激光大气通信技术研究遇到“瓶颈“,但科学家们始终在坚持不懈地探求解决激光大气通信技术问题,先后攻克激光大气通信多项关键技术难题,使激光大气通信的距离不断提高,如前文所述,2014年6月5日,美国航天局将激光大气通信的距离提高到400多千米,使激光大气通信进入了一个新的发展阶段。 2 激光大气通信的主要优点 人们之所以如此重视对激光大气通信的研究,是因为激光束的高亮度、高频率、良好的单色性和方向性,使激光大气通信系统具有其他通信方式所不具备的独特优势。

激光大气信道

激光大气信道相关总结 1、大气对信道传输的影响 激光在大气中传输主要受到两个方面因素的影响:衰减效应、湍流效应。其中,衰减效应主要影响激光信号的功率,使到达接收端光信号的功率降低,作用方式包括:吸收、散射、折射、反射等。湍流效应主要由大气的不规则随机运动引起,影响光信号的质量,对光信号的相位、强度分布以及光斑的位置等都有较大影响,主要表现形式包括:光束漂移、扩展、闪烁以及到达角起伏等。 1.1衰减效应对激光通信的影响 衰减效应主要由大气分子、气溶胶以及空气中的微小颗粒物产生,包括吸收、散射、反射、折射的等,是大气的固有属性,可采取相应的措施进行有效的规避或补偿。 (1)吸收 作用机理:激光穿过大气时,大气中的分子在光波电场的作用下被极化,并以入射光的频率做受迫振动,使部分辐射的光能转换成气体分子的内能,消耗了光波的能量,形成吸收效应。(经相关研究表明,气溶胶粒子由于直径较大,对光的吸收作用不明显) 作用特点:使激光功率衰减,但不改变光束的质量。 决定因素:分子对光波能量的吸收由分子结构、浓度和吸收光频率所决定,不同的气体分子对不同频率的光吸收的能力不同,具有一定选择性。 衰减规律: Pλ,x=P(λ,0)exp?[?kλx] kλ----吸收系数; x----传输距离; 大气窗口:大气对某些波段光波的吸收较弱,透过率较高,称这些透过率较高的波段为大气窗口。 由于大气是不同分子的复杂混合体,且气体分子的浓度还随着海拔的变化而变化,并考虑散射等因素影响,通过统计分析,地球大气的透过率如下: 图 1-1 不同波长激光在大气信道中传输的透过率

(2)大气散射 散射是光在传播过程中遇到微小粒子,使其传播方向发生改变的现象,是电磁波在大气微粒作用下的衍射效应造成(只有当微粒的直径小于或相当于辐射波长时才会发生明显的作用)。其结果会使光在原传播方向上的能量减小,影响光斑形状和光强分布。常用的散射模型:瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。 大气散射的效果主要表现为两个方面:减小在传播方向上的光能量、改变光斑内的强度分布,使光斑内部有明暗之分。 瑞利散射: 产生条件:散射微粒直径远小于波长时产生,也称作气体分子散射(10?8cm量级)。对波长小于40nm的光波作用明显作用比较明显。(大气分子(0.1nm);可见光(400~760nm);近红外短波(780~1100nm);近红外长波(1100~2526nm))主要作用粒子:大气分子。 特点:散射粒子较小,散射光分布较均匀,对波长小于40nm的光波才作用明显比较明显。随着散射分子半径增大,散射增强;随着波长的增大,散射减弱。由此可以推论,可见光比红外光散射强烈,蓝光比红外光散射强烈(形成蓝色天空)。 经验公式: σm=0.827×N×A3/λ4 A——散射元横截面积(cm2) N ——单位体积内分子数(cm?3) λ——光波波长(μm) T——表示热力学温度 图1-2 散射强度与波长的关系 米氏散射: 产生条件:当空气中粒子的直径大于入射光的波长或者和光的波长可以比拟的时产生,粒子对入射光散射后的散射光分布比较复杂且不对称,瑞利散射不再适用。 作用粒子:云、雾、雨、雪等气溶胶粒子以及雾霾等微小粒子。 特点:散射光角度分布较为复杂,并且随着粒子直径的增加,散射光集中的角度也越来越窄。(对光信号的影响也相对更大)

激光技术及其在现代通讯技术中的应用

激光技术及其在现代通讯技术中的应用 姓名:杨春有学号:20141060138 学院:信息学院专业:通信工程(国防) 摘要20世纪以来,激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下,激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量,缓和通信频段拥挤,提高安全等方面都发挥着极为重要的作用。 关键词:激光通信技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减 引言 事实上,1916 年激光的原理被著名的物理学家爱因斯坦发现之后一直没有研制成功,原因在于科学实验所需要的器材没有现在发达,一直到1958 年激光才被首次成功制造。激光是计入20世纪,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,它的亮度非常之高,大约为太阳光的100亿倍。因此激光一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,也正是因为这个原因,历史悠久的光学科学和光学技术体会了新生的快乐,更重要的是导致整个一门新兴产业——激光产业——的诞生。 一激光通信的发展阶段 激光通信经历了大气通信和光波导(光纤)通信两个重要的发展阶段。CO2气体激光器是比较符合要求的早期通信用光源,其输出激光波长为10.6μm,在大气通行当中,信道传输的低损耗窗口要求的标准波长是10.6μm。早期的激光大气通信所用光源还包括YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等等。其中的早期激光大气通信曾经掀起了全球性的研究浪潮,大量的人力、财力和物力在这个阶段投入了进去,对激光大气通信进行了广泛的研究开发。但是这项研究只有少数的经济和技术力量雄厚的发达国家才能够承担得起。光纤波导通信技术大约与激光大气通信技术的研究工作同步展开,从而在技术上形成了激光无线通信和激光有线通信两种通信方式,这两种通信技术与传统通信技术大不相同。 腔面发射激光器(VCSEL)列阵光接受发射模块的处理能力不仅速度高而且容量特别大。微电子电路的多功能的逻辑控制、具有高强度并行操作功能的电子集成器件的优越性、光本身的高速传输能力、超高规模集成技术的优越性在垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵光接受发射模块当中得到了完美的体现。现代通信技术研究中,在激光通信领域,最引人瞩目的就要属垂直腔面发射激光器(VCSEL)了。包括制造成本很低、易与光纤耦合、阈值电流低、调制频率高、单模工作时温度和电流范围宽、易于集成等在内的特点都是垂直腔面发射激光器(VCSEL)的优点,这也是它一出世便被世人瞩目的重要原因。垂直腔面发射激光器(VCSEL)在激光通信当中最主要的用途就是作为信号光源,除了作为信号光源之外,它的应用非常广泛,例如在高速光开关、各种固体激光器的泵浦源、高密度光盘读写光源、图像处理与模式识别以及计算机芯片光互连和多值逻辑电路中都可以见到垂直腔面发射激光器(VCSEL)的靓丽身影。但是当前实际的研究情况表明,只有850nm的较短波长的垂直腔面发射激光器(VCSEL)在接入网中取得了比较广的实际应用效果,虽然现在市场上应经有了1310nm和1550nm长波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)的产品推向市场,但是1310nm和1550nm长波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)要想取得更好的发展必须完善自己的技术并逐渐走向成熟。在国际上,有许多国家和大公司均对垂直腔面发射激光器(VCSEL)的研究非常感兴趣;在国内,我国中科院半导体所、北京大学、吉林大学等单位在面发射激光器上都有非常深入的研究,也取得了累累硕果。 二光技术的发展机遇

自由空间激光通信技术概述

自由空间激光通信技术概述 06061118 刘晓彪 摘要:本文对自由空间激光通信技术经行了大体上的介绍,具体分析了其中的关键技术和研究重点,并对这一前沿技术的未来发展趋势经行了展望。 关键词:激光通信 自由传输 大气信道 空间激光通信系统是指以激光光波作为载波,大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点,既具有大通信容量、高速传输的优点,又不需要铺设光纤,因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力,并取得了很大进展。 一、传输原理 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。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光,从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。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,然后将这一光信号转换成电信号,再将信号放大,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。当开关K掷向下时,可传递数据,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。接口电路将计算机与调制解调器连接起来,使两者能同步、协调工作;调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形,其目的是在不改变传输结果的条件下,尽量减少激光器的发射总功率;解调是调制的逆过程,把接收到的已调制信号进行反变换,恢复出原数字信号将其送到接口电路;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,步调一致。 二、关键技术分析 一)高功率激光器的选择 激光器用于产生激光信号,并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离,对系统整体性能影响很大,因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长,空间损耗大的特点,因此要求光发射系统中的激光器输出功率大,调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类:二氧化碳激光器。输出功率最大(>10kw),输出波长有10.6m和9.6m,但体积较大,寿命较短,比较适合于卫星与地面间的光通信。 Nd:YAG激光器。波长为1064nm,能提供几瓦的连续输出,但要求高功率的调制器并保证波形质量,因此比较难于实现,是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器,若使半导体发射谱线与Nd:YAG激光器吸收谱线一致,可减少热效应,改善激光光束质量,提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。 二极管激光器(LD)。LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点,并且可以直接调制,所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800~860nm的ALGaAs LD和波长为970~1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有简单、高效的特点,并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性,在空间光通信中成为一个较好的选择。 二)快速、精确的捕获、跟踪和瞄准(ATP)技术 这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成: 1、捕获(粗跟踪)系统。它是在较大视场范围内捕获目标,捕获范围可达±1°~±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现,并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪,即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad,灵敏度约为10pW,跟踪精度为几十mrad; 2、跟踪、瞄准(精跟踪)系统。该系统是在完成目标捕获后,对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器(QD)或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现,并配以相应伺服控制系统。精跟踪

激光通信介绍

背景 六十年代激光出现以来,光学和整个现代科学的面貌都焕然一新,激光以其突出的高度相干性、高亮度、方向性好、极小的发散角、功率集中等优异特点广泛应用于各个邻域中。空间激光通信是指利用激光束作载波在陆地或外太空直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术。与微波通信相比,激光通信具有以下显著的优势:激光波长短,通信容量显著增大;较小的发射功率需求;较小的收发天线和系统结构;各通信链路间的电磁干扰小;由于通信激光束发散角很小, 保密性强,这一点对军事应用十分重要。 研究现状 主要研究单位有:NASA的喷气推进实验室、美国空军部、林肯实验室、欧空局、日本邮政通信室、宇宙开发事业团。 国内目前主要研究单位有哈尔滨工业大学、北京大学、电子科技大学、长春理工大学、上海光机所、武汉大学及空间技术研究院504所等。 关键技术: 激光及高码率调制技术、光学准直技术、高增益光学收发天线、高灵敏度光信号接收技术、快速精确的APT(捕获、瞄准、跟踪)技术、大气信道技术。 自由空间光通信原理: 最初的无线激光通信系统和无线电系统在结构上基本相同。信号通过调制器加载到光波上,通过光学天线将发散角极小的光束向发射出去。接收端的光学天线捕获到经调制的光波后,首先经过光探测器件将光信号转换为电信号,然后由解码器解调作加载的信号。其中激光器类似于无线电通信中的射频发生器。发射端和接收端的收发光学天线相当于无线电收发电线。所不同的仅仅是激光通信使用光波作为信息的载波。光学天线其实就是光学望远镜,只是尺寸有明显的减小。

一、光空间通信技术(FSO) 自由空间光通信或称无线光通信(FSO:Free Space Optical Communication)是一种宽带接入方式。FSO是光通信和无线通信结合的产物,是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统,也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。FSO有两种工作波长:850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对便宜,一般应用在传输距离不太远的场合。1550纳米的设备价格要高一些,但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收,照射不到视网膜,因此,相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率的增大,有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候给传输带来的影响。FSO和光纤通信一样,具有频带宽的优势,能支持155Mbps-10Gbps的传输速率,传输距离可达2~4公里,但通常在一公里有稳定的传输效果。FSO在传输带宽方面比除光纤外的其它宽带接入方式有着明显的优势。 由于激光具有直线性和窄波束的特点,FSO主要用于点对点视距传输。使用时,要求通信两点间必须无阻碍,任何对光束的遮挡都将对通信造成影响。同时,要求两端设备对准且固定牢稳,以保证对光信号的直接有效接收。由于采用激光通信,信号方向性强,能量集中,不向空中其它方向产生辐射,因此,FSO系统不会同频干扰,即使链路交*也不影响通信,因此,同一地点可以装多套FSO设备。FSO是物理层传输设备,以光为传输媒介,任何传输协议均可容易地叠加上去,对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。 在基础网的建设方面,使用光纤技术的高速网络正在不断完善。与此同时,光空间通信方式作为高速网络最后一公里的宽带通信方式,近来正受到各方面的关注。特别是,在城市宽带网络建设中,由于市政建设基本定形,新设光纤的施工需要繁琐的市政批准。有些地方如跨铁路、公路的施工非常困难,该通信方式的实用化对城市高速宽带通信网络的建设不失为一种极其有效的方法。

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