大气激光通讯仿真

题目：基于optisystem的大气激光通信系统仿真研究

摘要

本文在介绍大气激光通信系统基本原理和组成的基础上，对optisystem子系统结构进行了理论设计，并对APT技术算法进行了深入研究。通过对通信系统工作波长选择、光学天线选择等阐述，选择了1550 t'／m作为系统工作波长、卡塞格伦(Cassegrain)收发合一天线作为系统光学天线；通过对optisystem子系统功率测算、束散角和瞄准误差、误差提取信号等的讨论，给出了optisystem子系统结构和理论设计指标，并将其与现有的大气激光通信系统进行比较。说明该设计方案是可行的。由于在拟用环境中对系统机动性要求较高，因此本文着重对optisystem技术中的超前校正进行了分析。为了能够较好的给出运动终端的超前正值，必须了解终端的运动特性，本文对海上舰船运动进行了数值仿真，给出了二级海浪下18kn速度航行的运动时间历程．并在此基础上讨论了滑动窗多项式拟合预测算法(SPFM)，对该算法与普通的多项式外推预测进行了比较，对模型进行了适应性修正，并对算法的参数：系统采榉频率、滑动窗大小、拟合多项式指数进行了优化。最后通过计算机仿真说明在预测海上舰船运动时要求采样频率大于4 Hz，滑动窗大小取10"-20，多项式为3或4阶时计算量和误差较小，预测效果较好。当舰船速度从0到30kn节之间变化时，发现预测误差有所增大，当到一定速度之后其预测误差保持不变。关键词光无线通信，APT，最／J、--乘法，运动仿真注：拥是舰船运动速度单位，lkn=1海里，小时=I．85公里，小时。

Abstract

Based on the basiceofies and composition of optical wireless commu。nication system，the structure design of its APT(Acquisition，Pointing，Tracking)sub—system and further research on APT technical algorithm have been discussed theoretically in this thesis．1550rim is chosen as the work wavelength，Cassegrain transmitting-receiving antenna as the optical antenna ofthe system through the elucidation ofhow to choose the work wavelength and optical antenna ofcommunication system．The structure and theoretical design parameter ofAPT subsystem have been presented through the discussion ofthe optical signal power estimation of APT sub-system，beam divergence angle，pointing error，and error signal extraction．Compared with existed optical wireless communication system，the design scheme proves applicable．Because of high requirement of maneuverability for the system，the beforehand emendation in APT technology has been analyzed with great exertion in the last part of the thesis．To obtain beRer value of beforehand emendation for maneuvering terminals，the movement chamcteristics of terminal must be understood well．Firstly，the motion time course for speed of 1 8kn under the condition of second level ocean wave was given through the numerical simulation of naval ships．Secondly，SPFM(Sliding Polynomial Fitting Method) was discussed and the arithmetic has been compared with PFM(Polynomial Fiuing Method)．Meanwhile，the model WaS corrected，and the parameters of arithmetic·-system sampling frequency，the length of sliding window and the

exponent of fitting polynomial—·have been optimized．Finally，the small computing load and error，and the beRer estimation effect can be obtained when sampling frequency is more than 4Hz and sliding window is between 10 and 20 and polynomial exponent equals 3 or 4 by the computer-based

simulation．When the speed of naval ships varies from 0 to 30kn，the estimated error is found increased．While the naval ships reach a certain speed，the estimated error will keep constant．

Keywords：Optical wireless communication，APT,Least squares Method，Motion Simulation

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

第一章绪论

大气激光通信曾掀起研究的热潮，但自从70年代光纤通信的迅速发展以及大气光通信受到天气的严重影响，使得一度辉煌的空间光通信研究陷入低谷。但随着对超稳激光器、新型光束控制器、高灵敏度和高数据率接收器和适合空间应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，大气激光通信又成为下一代光通信的发展方向之一。

1．1课题背景、目的及意义

大气激光通信不仅包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，还包括地面站的光通信，有GEO--GEO、IGEO—LEO、LEO--LEO、LEO一地亟等多种形式。本论文是教研室“1．55urn激光大气通信系统的设计与研究”课题的一部分。为了更好的了解光无线通信的基本情况，以下将从星际空间光通信、地面无线光通信两个方面对其做简要介绍。

1.1.1、星际空间光通信

图1--1空间一地面光无线通信添统示意图

随着国家信息基础设旌NII(National Information Infrastructure)和全

球信息基础设旖GII(Global Information Infrastructure)的提出，社会对通信的要求越来越高。而目前卫星通信所采用的微波通信技术因受到体积、重量、功耗等方面的严格限制不能无限制地提高传输速率与容量。在卫星通信日益

拥挤的今天，光波段通信有极大的潜力，是实现高速大容量通信的最佳方案，甚至可以说是难一的解决方案。这已经是通信领域许多专家的共识。实际上，世界各主要技术强国为了争夺空间激光通信这～领域的技术优势，已经投入了大量的

人力和物力，并取得了可喜的进展。星际空间激光通信包括深空、同步轨道(OEO)、中轨道(MEO)、低轨道(LEO)_-E星间的激光通信，还包括卫星与地面站之间的激光通信。在卫星通信中，使用激光与使用微波相比，具有不少独特的优点：I）、与微波相比，光波频率高3～5个数量级，频率资源丰富得多，可以获得高得多的数据传输速率，能清足大容量传输的要求，并为实现空闯多任务提供了对间保障。

2）、激光波束比微波波束的发散角小3～5个数量级，这将大大增加接收端的电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。

3）、保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分有利。

1.1.2、地面无线光通信

近几年来。人们对宽带多媒体业务的需求促进了整个通信网络的宽带化发展，光波是宽带信息的最理想竣体，光纤通信的迅速发展已证明了这一点。与光纤通信的应用领域有所不同，光无线通信适合于宽带无线接入。近几年来，随着计算机网络宽带化的发展，提出了用光无线接入技术来解决宽带接入中“最后一公里”的问题。与无线电相比，光的频率高、能量集中、方向性强、可用频谱宽，无需向频谱管理部门申请频率使用许可证，并可防止通信相互干扰和窃听。与光纤通信相比，它育造价低、施工简便、迅速等优势。无线光通信技术适会予下列应用场合; 在有强电磁干扰的场所；一些不宣布线的场所，比如在具有纪念意义的古建筑，危险性大的工厂、车间：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、不易架桥的河两岸之间等；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：

一些具有移动性的场合，如使用便携式电脑的交易大厅等。地面无线光通信具体应用系统有：

点到点系统：室外点到点系统可使用高功率发射器来获得足够的功率预算储备。对于距离在视距范围内的情况，如相邻两建筑物间的通信，空气损耗比较低，并且发射器的安装和校准相对于长距离通信要容易，无需自动校准和跟踪装置，所以复杂程度和价格都大大降低。室内点到点系统与室外的工作原理相同，但设计却有所不同。首先它们必须保证对人眼的安全，LED发射器为最佳选择，但传输能力限制在几Mb／s。另一方面，室内系统的工作环境比室外的稳定，无需应付恶劣天气情况的装置，因此造价更低。此外，通信距离在lm以内的超短距离点到

点大气激光通信系统近几年得到了很大的开发和应用。这种系统主要用于笔记本电脑、打印机、移动电话等设备的连接。

图1—2大气激光通信用孚炎罐蓄榜谴信

光无绳系统：光无绳系统能使光覆盖一定范围，就像无线通信中的“小区”。进入“小区”内的用户都能得到光无绳基站的服务。在小区直径为10m左右的系统，可以在许多室内公共场所广泛使用。这种系统可用于对带宽需求高的场合，如金融中心和交易所。

散射系统：这种系统使用散射通道，克服了视距通道的缺点。它的发射

角大，让光从墙壁、天花板、门和家具表面反射。接收器的探测角很宽，能一并接收不同路径来的光；这样即使视距通道被挡，只要存在一条散射通道，就可进行通信，并且支持一定范围内的用户移动。课题“1550nm激光大气通信系统的设计与研究”的研究目标是结合我国军事发展战略和新型通信技术发展的总体规划，根据空间和大气光无线通信的要求，对大气激光通信技术和机动式目标自动APT(捕获、跟踪、瞄准)技术进行研究，对某些关键条件和参数之间的联系进行仿真研究和优化选择，设计具有APT功能的1550rim光无线通信系统，为最终的工程实用化和军事装备化积累技术、奠定基础。努力形成具有自己特色和关键技术的光无线通信的研究体系。

课题研究的1550rim光无线通信系统适用于：

(1)移动终端之间光无线通信：为了适应战地机动通信的要求，激光大气通信作为通信的接力手段不但保密性好，而且抗无线电干扰，尤其是可以在电磁静默的战场环境下实现备份通信，在舰对岸、车辆对车辆、坦克对坦克等使用对象上进行扩展，较好地实现军事保密通信。

(2)点对点终端通信：固定的点对点如山头、楼房、海岛、跨江等之间的通信。其具体应用有：

I．城域网扩展：在现有城域网上向外延伸、连接新的网络或者在网络核心建设SONET环路等。

II．最后一公里接入：在最终用户和服务提供商之间建立高速连接，或在本地环网络中为相关业务提供高速连接服务。

III．企业内部网互联：企业局域网往往被大楼或大楼间的道路所分隔，该系统安装的简易性使它非常适合用来实现企业内各局域网的互联，轻松解决大楼间的复杂地貌带来的挖沟布线难题。IV．光纤通信系统的备份：在对光纤通信设施进行冗余备份设计时，可用之作为备份链路。

v．无线基站数据回传：用来将移动电话天线塔接收的信号回传至与有线公用电话网相连的中心交换设备。

1．2国内外研究动态与趋势

1．2．1研究、发展现状

1.2.1.1国际技术动态

在大气激光通信方面，Lucent宣布，载送话音、数据和视频业务的2．5Gbps 单波道光信号可以直接通过大气传送。传送距离到2000年3月可达2km，到2000年9月可达5km。并准备用DWDM技术将8个波道复用后，达20Gbps速率。该光束可以通过水帘，说明抗恶劣气候的能力很强。据介绍，该系统用的是1550nm波长1．5l。由于在大气中传输，通信性能受通信距离、气候条件等因素限制。由于大气的吸收与散射，通信距离达到5km已经算相当长了，如果大于5km，要提高探测器的灵敏度，保持光束的准直性，同时要考虑建筑物的热胀冷缩影响光柬的准直性。AstroTerra公司在该系统中加入自动跟踪系统以修正建筑物的影响，采用内显相机获得方向的变化量，反馈给电予执行单元，以保持光束的准直性。1998年8月，两公司对光无线通信系统的原型机进行了测试：链鼹距离2．5km，数据率2．5Gb／s，是光无线通信系统新的最高记录。并子20Qo年夏季推出4波长波分复用10Gb／s，传输距离达5km的商用系统。表1一l是世界各公司推出的大气光无线通信产品。

表1-1世界各公司推出的大气光无线通信产品

在星间光通信系统方面，美国是最早进行星间光通信研究的国家。从

80年代中期到1994年间，美国空军支持麻省理工学院林青实验室建起了高

速星间激光通信实验装置LITE(Laser InterSatellite Transmission Experiment)。该实验采用了30roW半导体激光器，8英寸口径的望远系统，

数据率为220Mb／s，模拟星际间通信距离达4万公里。另外由弹道导弹防御

组织与空间和导弹防御司令部共同资助的STRV2星地激光通信计划的两个

地面实验终端已加工装配成功。计划在低轨道卫星与固定地面站间建立光链路，斜距达2000km，数据率达10b／s。

欧洲方面，欧渊空间局为连接低轨道星与饲步轨道星，进行了轨道阅激光通信实验，已经制造好两个卫星终端设各。一个名为PASn丑终端，已经搭载在法国地球观测卫星SPOT4(1998年3月22日发射成功)上，是第一个在轨光学终端；另一个名为OPALE终端，搭载在欧洲先进数据中继技术卫星ARTEMIS上(2000年第一季度发射1。OPALE终端采用的波长为800．850rim，通信光功率不超过60roW，信标捕获与链路建立过程中，信标光功率小于500mW。

日本从80年代中期就开始星问激光通信的研究工作，主要有邮政省的通信研究实验室(CRL)、高级长途通信研究魇∞蕊b的光学及无线电研究室进行此方面的研究工作。ATR主要黯光藜控髓露灞制簪关键技术进行研究和论证，并建立了一套自由空间模拟装置进行地面模拟实验。CRL主要进行地面站与工程实验卫星ETS--VI之间的激光通信实验。以试验星闯链路要求的几种基本功能，如高精度跟踪、双向链路光通信、高精度高度测量等，并于1995年7月成功地进行了ETS —VI与地面站间的光通信实验，这是世界上首次成功进行的星地间激光通信实

验，该实验的成功证明了星地间激光链路的可行性。

1.2.1.2 国内技术动态

在我国星间光通信的研究相对起步较晚。但在国家大力发展空间技术这一大背景下，国内的许多高校和科研单位对卫星激光通信技术和系统进行了深入的研究，在系统设计和关键技术研究上取得了丰硕的成果。在国内，从事空间光通信研究的单位主要是以电子科技大学为代表的一些高校和航天科技集团所属研究院、所，以及中国科学院等研究机构。最具代表性的单位是电子科技大学物理电子学院所属的激光通信实验室。近几年来北京大学、哈尔滨工业大学等单位也开展了这方面的工作。

从20世纪70年代至今，电子科技大学对波长为10．6 ta 113．、0．8 p m、0．9 u m的激光通信的关键技术和系统进行了研究，成功地解决了通信的接口技术，并进行了黄河两岸的抢通外场试验。还研制了能完成空间光的捕获、对准和跟踪的APT装置及其伺服平台。

“八五”期间，电子科技大学完成了“宽带数字激光大气通信系统的研究”，它采用C02光源，在外差接收技术、光束的空间控制技术等方面取得了很大进步。在光通信系统中采用了空间光束搜索、对准技术，在国内尚属首次。

在“九五”期间，电子科技大学对卫星激光通信的理论、关键技术、系统设计和计算机仿真研究进行了近似全方位的研究。现已研制出两台具有捕获、对准和跟踪功能，能进行双向通信的激光通信端机；学习国外的研究经验和研究途径，将链路系统置于随机大气信道中进行实验和测试验证，并在APT技术与系统设计，精密、高效、小型化胸光学天线设计，调制／解调和编码新技术，背景光抑制技术，卫星激光通信系统实现，卫星激光通信理论及系统仿真研究等方面取得了许多的突破，取得豹藏屎具有自己的特色和先进性。

大气激光通信方面，信息产业部电子第34研究所和电子科技大学应用物理研究所共同开展了点对点激光大气通信的研究。2000年其样机实现了4km的大气通信。长春光学精密机械学院的第三代主战坦克激光敌我识别及辅助通信系统也在我国阅兵仪式上亮相。2000年中科院上海光学精密机械研究所研制完成了4×

2Mbit／s大气传输激光通信实用样机和155Mbit／s的大气光通信实验样机，工作距离2公里。哈尔滨工业大学等分别在激光跟踪等方面做了大量的工作。1．2．2趋势与展望

随着通信需求和设备技术的进步，大气激光通信系统已开始进入实用化研究阶段。从文献报道可以看到近年来几个发展趋势和特点【3】：大气激光通信技术，尤其是空间光通信技术的可行性问题已经解决，虽然至今尚未真正实现星间正式通信，但是原先顾虑的发射功率小、接收灵敏度低、捕获、瞄准要求高、热和机械稳定性要求高等关键技术近几年已取得明显进展。相信不久的将来，光通信将取代微波通信成为星间通信的主要手段。

大气激光通信已开始向民用方向发展，它的商业应用价值已被看好，有人甚至提出，大气激光通信在性能价格比上可以同海底光缆通信开展竞争。大气激光通信系统原来多采用800hm波段光源，这是由于以前此波段的激光器、接收器体积小、重量轻、效率高，比较成熟、有成品，同时该波段的窄线宽滤波器也有比较成熟的铯原子滤波器。近年来，各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入卫星激光通信，相应地工作波段也向1550nm波段发展，波分复用技术也已经应用于空间激光通信。90年代以来国外的光无线通信研究已从概念和部件技术研究转入系统研究阶段，目前将进入应用性能测试阶段。

在大气激光通信的应用中。它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场，特别是通常没有光纤连接的中小企业。保守地估算，这一市场到2005年将增长到几亿或十几亿美元，也有人预测能达到20亿。现在普遍认为，一、二年内这一技术就会形成有规模的市场。无线电通信系统和大气激光通信系统在许多方面可互为补充，大气激光通信系统能提供小区域的高速连接，而大气激光通信系统能提供大区域内低速通信。各种系统的无缝连接将能使用户得到更方便的服务。比如，在办公楼的办公桌附近，用户用便携式电脑通过10Mb／s的光无绳系统或IrDA系统接入网络，当他在办公楼里漫游时，他的电脑通过40kb／s的楼内微波链路继续与网络连接，而当离开办公楼时，则转用GSM网提供的9．6kb／s的链路进行通信。另外微波系统还可作为光无线通信系统的备用设备以克服空间光通信受天气因素影响大的缺点。当天气情况过于恶劣以至无法进行光通信时，自动启动微波通信系统，大大提高了空间光通信系统的可靠性。

1．3论文简介

按照课题“1．55um激光大气通信系统的设计与研究”整体要求，本论文主要解决是自动捕获、跟踪、瞄准(APT)予系统的结构设计和通信系统中移动终端间APT技术算法研究。APT技术是大气光无线通信系统，乃至星间光链路的核心和关

键技术。本文要考虑移动终端(主要考虑海上舰船)的运动特点，解决APT这一关键技术的设计，包括其算法、技术路线、设计参数，以保证光无线通信的有效性和可靠性，并进行计算机仿真比较，进行可行性验证。

本论文对大气激光通信系统进行介绍的基础上，对其APT子系统进行了理论设计，给出了具有收发天线合一、信号信标光共用的optisystem子系统设计参数；在讨论常规的APT方法和技术的基础上，改进并提出了一种采用多项式拟合外推预测跟踪的超前校正方法，其可以适应高机动性和具有非平稳位移特性的移动终端。

本文的主要工作有：

1．对大气激光通信系统中的波长选择、天线设计问题进行了分析和讨论，以确定整个通信系统的工作波长和光学天线参数。

2．根据通信系统拟用环境，对optisystem子系统的结构进行了设计。

3．对APT子系统中的关键参数如光功率、光束发散角、瞄准误差、探测器参数进行了测算和确定。

4．作为典型例子，对海上舰船运动进行了数学建模和数值模拟，给出了不同运动状态下的运动轨迹模拟结果。

5．讨论了滑动窗多项式拟合预测算法SPFM的原理和实现，对该算法在实际使用中进行了修正，并仿真比较。

6．结合4重点对海上目标运动预测进行了讨论，分析了此种情形的算法参数的选择，最后进行了计算机仿真比较。

7．今后进一步的工作。

第二章大气激光通信系统系统

2．1系统的原理、结构及其关键技术

大气激光通信系统的基本原理为：信息电信号通过调制加载在光上，通信的双端通过初定位和调整，再经过光束的捕获一跟踪一瞄准(APT)建立起光通信的链路，然后再通过光在真空或大气信道中传输信息。光无线通信原理与光纤通信原理是一样的，所不同的光纤通信是将光信号在光纤中传播。光信号在有线(光纤)中可以传播，那么在无线(大气或者空间)环境中也可以传播，在其中传播就

成为光无线通信(Opfical W-lreless Communication)，光纤通信中的光源(发光管和激光管)也可用在光无线通信中。大气激光通信系统的接收机用的光电检测管可用P跗或APD(雪崩管)，大气激光通信系统可以用于点对点通信，也可构成光无线局域网(0WLAN)。对于空间光通信而言，其是真空状态，此中光的传输没有损耗，是光传播的理想状态。对于大气激光通信，其信道是大气，这里需要考虑大气对于光信号的衰减、散射和大气的湍流造成的抖动等。典型的通信系统由发射机、接收机、光学系统以及辅助电学光学控制系统构成，光无线通信系统也不例外。由于课题主要研究具有APT功能的高机动性光无线通信系统，为了讨论方便，本论文中恚簧以具有移动终端的空间光通信系统作为所讨论的光无线通信系统基本参考结构。一般具有APT功能的空间光通信系统主要由五大部分组成【4】：1)激光器：包括信标光激光器和信号光激光器。信标信号用于调制信标光，传输信息调制信号光，信标光和信号光有时可以共用。

2)通信调制，解调器。将待发射的电信号调制到光频上，或者将光频携带的电信号解调回复出来。

3)光天线伺服平台：主要包括天线平台及伺服机构，它们受计算机控制。在捕获阶段完成捕获扫描，系统处于按预定指令工作状态，将光束导引到粗定位接收视场，完成光束捕获。在跟踪、定位阶段，则根据跟踪探测器获得的误差信号，经处理后送到伺服执行机构，构成一个负反馈闭环系统，完成精定位。对于运动载体上的光通信装置，必须增加陀螺控制和稳定控制回路，并进行适当光行差校正，以减小各种扰动误差的影响。

4)误差检测器：包括光天线及光电探测器。光电探测器一般由捕获探测器(CCD 或者Q--PIN)和定位探测器(QD或者Q—APD)组成。CCD或者Q-PIN完成捕获与粗跟踪，并将接收光引导至QD或者Q—APD上，进行精定位，最后使收发端光束对准。

5)控制计算机：包括中心控制处理器与输入、输出接口设备，控制计算机可以接收卫星控制指令，控制天线伺服平台粗对准光链路的连接方向(初始方位)。捕获阶段可以由预定的程序控制光束扫描和捕获。在跟踪阶段，计算机对误差信号进行计算，并实时的输出信号控制天线伺服平台的粗、精跟踪，完成光束的对准。图2—1表示空间光无线通信系统的功能示意图。图2—2是典型的光无线通信的光学系统的结构图，它也是光无线通信系统的基本组成。本文所讨论的光无线系统

图1-2 空间光信息系统图

图2-2典型的大气激光通信光学系统图

从2--1，2—2两图，可以看出，空间光无线通信主要包括以下几个方

面的关键技术：

高功率光源及高码率调制技术。在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的Nd：YAG固体激光器作为信号光和信标光源，其工作波长满足大气传输低损耗窗口，即O．8．1．5urn的近红外波段。用于APT系统的信标光源(采用单管或多管阵列组合，以加大输出功率)要求能提供数瓦连续光或脉冲光，以便在大视场、高背景光干扰下，快速、精确地捕获和跟踪目标，通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹(或几千赫兹至几十千赫兹)，以克服背景光的干扰。用予数据传输的光信号源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好，工作频率高，可达到几十兆赫至几十OHz。据报道，贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHz的光源。此外激光器的热稳定性和频率稳定性及工作寿命等性能都是需要考虑的因素。如采用直接调制方式，还需考虑频率啁啾、相位调制及电光延迟和张弛延迟等效应。精密、可靠的光柬控制技术．在发射端，庙于半导体激光器光束质量一般较差、发散角大，而且水平和垂直两个方

向发散角不相等，因此必须进行准直，先将发散角压缩到毫弧度级，然后再通过发射望远镜进一步准直成微弧度级光束。在接收端，接收天线的作用是将空间传播的光场收集并汇聚到探测器表面。发射和接收天线的效率及接收天线的口径都对系统的接收光功率有重要影响。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25厘米之间。高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术。空间激光通信系统中，光接收机接收到的信号是十分微弱的，加上高背景噪声场的干扰，会导致接收端S ／N

2．2系统中的几个问题

随着光纤通信系统和技术的发展与成熟，结合课题的拟用环境，对大气激光通信系统的工作波长选择、光学天线选择等进行了讨论。

2．2．1工作波长的选择

对于大气中光通信波长的选择主要考虑：尽量避免太阳辐射的影响，减小光束发散角，减小天线的尺寸，光波在大气中的透过率以及器件的现实性，或可行性，包括器件的性能价格比预计。大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射，对光通信的接收器来说是一个强的噪声源，更不用说在某种几何位置上，阳光直射的影响了。图2．3是太阳辐照度的光谱分布【6】。由图可见，太阳辐照度的光谱可以用一个色温为5762K的黑体来表示，其辐照度光谱分布的峰值在500rim左右。对于常用的激光波段，800rim波段的辐射强度约为峰值的二分之一；1060rim波段的辐射强度约为峰值的三分之一：1500～1600rim波段的辐射强度约为峰值的十分之一。在紫外波段，300rim波段附近辐射降到峰值的十分之一以下。波长进～步缩短时，太阳的辐照度迅速下降。

图2—3太阳辐射照度的光谱分布，图中黑体温度为5762K

从图2．3还可以看到大气引起的吸收蜂。图2—4给出了具体的大气透过率光谱分布【6】。由图可以明显地看到大气中主要的吸收物质和吸收峰位置，水汽、二氧化碳、馕气、臭氧等是主要的吸收物质。从大气光通信的角度分析，大气的透射率是一个重要影响因素。在小于300nm的紫外波段，大气的透过率急剧下降。显然，紫外激光不利于大气通信。可见波段的激光，不利于避开太阳光引起的背景辐射噪声。对于常用的激光波段，830～860rim、980～1060ran和1550～1600hm 波段，都是良好的大气窗口。大气光通信波段也应避开地球辐射的影响。地球热

辐射的波段可以从地球的温度来推算，假如以300K估算，热辐射的峰值波长大致在9～10um量级。在近红外和可见光范围，热辐射的能量密度是很低的。在1～2um 波段的热辐射强度大约低于峰值7、8个数量级，应当说影响不是很大。

图2—4大气投射率的光谱分布，天顶角为0。(1)，60。(2)，70。(3)

其二，从天线选择与波长关系来看，光束衍射限制的发散角可以用圆孔衍射的Airy光斑的第一个暗环位置表示；e=1．22入／D。式中D为光束直径，即出瞳直径。显然波长越短，光束的衍射角越小。假如取D=100ram，几个典型波长(入=1550，1060，830，530rim)对应的衍射角分别为：o=18．9，12．9，10．5，6．6urad。要维持一定的发散角。对于较长的波长就要采用相应较大的出瞳孔径。根据圆孔衍射的A!醣光斑分布，光能量主要集中在中心部分。在第一暗环内光通量占84％。在小于2 e／3和e／2角度内的光通量所占比例，分别为不小于75％和接近60％。根据能量和质量要求，可以对光学天线选择中采用波长、光学孔径进行折衷设计。第三，从1550rim波长光通信技术上，如在激光器的可行性方面，红外波段的激光器虽然体积略大，但是背景噪声较低，而且现实可行性最有利。在调制技术方面，采用内调制技术2．5．10GHz速率的光纤通信已经实用化。而20GHz的铌酸锂外调制也已成熟。在技术扩展上，1550nm光通信系统DWDM技术及其器件、组件已经商品化。因此由于目前1550nm光纤通信技术的成熟，使得1550nm光无线通信较其它波长无线通信系统通用性和扩展性更好。这是工作波长选择中最重要的一

点。

第四，在人眼视觉安全方面，1550rim的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，根据国际安全IEC60825规定，1550rim波长安全功率较常用的830nm 波长要高2个数量级。功率增大，不但可以增加传输距离，提高数据传输速度，还有利于消除恶劣气候条件(如大雾天气)给传输带来的不良影响。因此，这将使得1550mn光无线通信系统更容易在民用光无线局域网(OWI，AN)中获得扩展．综上，选择大气激光通信系统工作波长为1550rim。据报道，采用1550／'1 m波段LD和掺铒光纤放大器(EDFA)组合的MOPA作为发射器，获得了4×2，5Gbps 波分复用空间光通信的实验结果。

2．2．2光学天线选择

由于卡塞格伦方式具有天线后瓣小，天线轴向尺寸短，设计馈源灵活及增益高等优点【17】，因此，特别适合于微波通信和空间通信系统。因此在本设计中采用卡塞格伦天线作为光学发射和接收天线，并且收发合一。

卡塞格伦天线如图2．5所示。光学天线包括：①抛物面主反射镜：②双曲线副反射镜；⑧聚焦镜。在结构上，双曲面的一个焦点与抛物面的焦点重合，双曲面焦轴与抛物面的焦轴重合，而辐射源位于双曲面的另一焦点上。它是由副反射器对辐射源发出的电磁波进行的一次反射，将电磁波反射到主反射器上，然后再经主反射器反射后获得方向的平面波波束，以实现定向发射。

采用麦克斯韦方程进行分析，其远区辐射场满足惠更斯一夫累涅尔原理，空

间任意一点的波幅大小是由各次级波源在该点波幅矢量迭加而成。

首先假定初级反射口径面具有以下电场分布

式中为激光光束的光腰；R为波阵面曲率半径。

其次假定口径平面输入光功率为1，即归一化：

将式(2．2)代入式(2--1)得到，此时式(2--1)变为

对于夫累涅尔近似场区的辐射场，采用基尔霍夫积分得到观察点的强度分布为【12】：

各向均匀辐射器的强度分布为：

天线增益为：

义

因此天线增益为：

其中称为天线增益效率因子。令X=O，则得到天线主轴线增益效率因子：

采用微扰理论可以得出，最佳遮挡率和口径的关系为：