大气激光通信机的设计

第32卷第11期 光电工程V ol.32, No.11 2005年11月 Opto-Electronic Engineering Nov, 2005文章编号：1003-501X(2005)11-0084-03大气激光通信机的设计谭大川1,2，史清白1，范天泉1(1. 中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209；2. 中国科学院研究生院，北京 100039)摘要：光束发散角和接收口径是大气激光通信机设计的主要参数。

根据高斯光束的光强分布特性，分析激光大气通信中主要的几何扩展损耗，并提出了基于该损耗的光端机设计新方法。

通过对几何扩展损耗与发散角、接收口径的相互关系数值分析，确定出适合于数公里级大气激光通信机的主要参数：光束发散角可取0.8mrad∼1.2mrad，接收口径为120mm。

研制了155Mbps，4km大气激光通信机，初步实验结果表明在能见度大于4km的情况下，系统性能满足误码率低于10-9要求。

关键词：大气激光通信；几何扩展损耗；发散角；接收口径中图分类号：TN929.1 文献标识码：ADevelopment for free space optical communication equipmentTAN Da-chuan1,2，SHI Qing-bai1，FAN Tian-quan1(1.The Institute of Optics and Electronics, the Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China；2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)Abstract：Beam divergent angle and receiving aperture are the key parameters of free space optical (FSO) communication equipment. It is assumed that optical beam obeys Gaussian profile. Through analyzing the geometrical spreading loss that is the main power loss in FSO system, a new design method based on the power loss for FSO communication equipment is proposed. According to relations of beam divergence, receiver aperture and geometrical spreading loss, the beam divergent angle and receiving aperture should be 0.8∼1.2mrad and 120mm respectively, especially for several kilometers link. A set of 155Mbps, 4km FSO communication equipment is developed and its initial experiment results show that the bit error rate is less than 10-9 when visibility is more than 4km.Key words：Atmospheric laser communication；Geometrical spreading loss；Divergent angles；Receiver aperture引言大气激光通信兼有保密性好、抗干扰能力强，以及建设快、成本低、使用便捷的特点，是解决非常时期或非常条件下近距离通信问题的有效手段，可作为一种主要的通信方式进入本地宽带接入市场[1]。

在大气激光通信机设计中，光束发散角和接收口径是系统的主要参数，由于它们与通信距离、功率损耗、收发两端中心偏移量以及接收灵敏度等参数密切相关、相互影响，目前大都通过经验或参考国外同类产品的设计参数来确定。

我们分析了传输中主要的几何扩展损耗，提出了一种确定发散角与接收口径的方法，并在此基础上研制了155Mbps，4km大气激光通信机。

1 几何扩展损耗如果所选激光器的发射功率为P T，从发射端经光学系统准直(发散角为θ)，进入大气信道传输距离z 后到达接收端，则探测器所能接收到的光功率P r为2005年11月 谭大川 等：大气激光通信机的设计 85P r =P T +L vis +L opt +L GSF (1)式中 L vis 为大气衰减损耗；L opt 为光学系统效率损耗；L GSF 为几何扩展损耗。

其中随给定地点天气变化的大气衰减损耗是随机变量[2]，光学系统效率损耗取决于光学零件制造水平，均与光端机参数设计无关，本文不作过多讨论。

几何扩展损耗的产生是由于接收口径D ap 小于接收端的光斑直径z θ，导致能量不能完全被探测器接收(如图1所示)。

假定激光的远场光强呈高斯分布，其光束截平面的光强分布为[3]})](/[2exp{),0(),(2z W r z I z r I −= (2) 式中 r 为截面上一点到光束中心的距离，W (z )为接收端高斯光束的截面半径，且W (z )≈z θ/2。

若光接收端机正处于接收端光斑中心，则接收光功率占接收端光斑功率的比率为()r r z r r r z r z z D d ])/2(2exp[d d ])/2(2exp[d 0,2/02π202/02π20ap ∫∫∫∫−−=θθϕθϕη (3) 但由于瞄准误差以及大气湍流引起的光束漂移等因素的存在，收发两端中心不可避免地会出现一定的偏离，并产生附加损耗。

设中心偏移量为a ，并考虑边界条件为a ≥D ap /2的情况，则上式应修正为()r r z r r r z r a z z r r d ])/2(2exp[d d ])/2(2exp[d ,02022100∫∫∫∫−−=−ϕϕθϕθϕη (4)式中 )2/arcsin(ap 0a D =ϕ，ϕϕ222ap 2,1sin )2/(cos a D a r −=∓。

以传输距离1km 为例，在θ=1mrad ，D ap = 80mm ，a =0.05m 时，接收效率仍低于1.5%，因此几何扩展损耗是激光大气通信中主要的传输损耗。

若将功率用分贝(dB)表示，则几何扩展损耗可表示为 L GSF = 10lg η(z ,a )。

2 主要参数的设计尽量使激光器发出的信号光功率有效地输送到大气信道中，并减少传输过程中的几何扩展损耗，然后将大气信道中微弱的信号光功率收集到探测器上，是激光大气通信机主要参数设计需要重点考虑的问题。

决定几何扩展损耗和接收效率的主要参数是光束发散角和接收口径。

2.1 光束发散角设瞄准误差为x /m ，光束漂移距离为y /m ，则光斑中心总偏移量a =(x 2+y 2)1/2。

瞄准误差可通过选取恰当的望远镜放大倍率控制在0.1∼0.2m 范围内，光束漂移距离可表示为[4]2/2cz y = (5)式中 c 为光路曲率，且在海平面附近，c =78.2∼102µrad/km 。

在4km 远处，y =0.63∼0.82m>>x ，故a ≈y 。

不妨取D ap =120mm ，对公式(4)应用数值分析方法，可得发散角、中心偏移量与几何扩展损耗关系如图2所示。

不难看出：过小的发散角不仅会造成光束的对准调节困难，还有可能因光束漂移导致几何扩展损耗急剧增152535450.10.30.50.70.9 1.1 1.3 1.5 a / m 图2 发散角、中心偏移量和几何扩展损耗关系Fig.2 Relations of θ, a and L GSF 图3 接收口径与几何扩展损耗的关系 Fig.3 Relations between D ap and L GSF152331394740801201602000.5mrad GSF L GSF/dBD ap /m光电工程 第32卷第11期 86加；而当θ增至1.0mrad 以后，由中心偏移量增加引起的附加损耗变化已趋于平缓。

因此对数公里级的大气激光通信链路，光束发散角合理的取值范围应在0.8∼1.2mrad 之间。

2.2 接收口径从提高接收效率的角度来看，接收口径应当选取大一些。

但接收口径增大后，透镜加工成本相应提高，并且在传输距离和中心偏移量一定的情况下，接收口径增大到一定值以后，对系统的接收效率影响越来越小。

仍取z =4km ，考虑中心偏移量a =0.7m ，代入公式(4)，可得接收口径与几何扩展损耗的关系如图3所示。

从图中可以看出：对于不同的光束发散角取值，当接收口径增加到120mm 附近，其对应的损耗变化均趋于平缓，故单纯增加接收口径以提高接收效率不仅生产成本高，而且效果也并不理想。

3 实验结果应用上述方法确定出系统主要参数后，我们研制出155Mbps ，4km 大气激光通信机，图4为样机照片。

通信机主要参数如表1所示。

将通信机分别架设在相距4km 的两栋高楼之间（其间视距要求无遮挡），并考虑大气衰减总损耗为24dB （相当于能见度为2km 时的大气衰减值），则理论上算出接收到的光功率为−34dBm ，在能见度为2km 条件下实测接收光功率平均值为−31.5dBm 左右，与估算接近。

系统进行了长达360小时的开通实验，其间在晴天、阴天、雨天和薄雾的天气情况下均能正常工作。

实验中没有遇到大雨和下雪天气，此种条件仍有待进一步实验。

系统在能见度小于1km 的雾天里误码率上升，通信可利用时间减少，通信性能下降；能见度小于200m 时，通信中断。

在能见度大于4km 的晴朗天气条件下，对系统误码率的测试分析表明，通信性能满足误码率优于10-9的要求。

4 结 论从理论分析和实验结果可以看出，本文提出的基于几何扩展损耗为依据的设计方法，在收发两端中心偏离存在时，不仅能够较为精确的计算出大气传输中高斯光束的几何扩展损耗，而且可以有效确定出光通信机的主要参数：光束发散角和接收口径。

特别是对传输距离为数公里级的大气激光通信机，光束发散角可在0.8∼1.2mrad 范围内选取，而接收口径则宜确定在120mm 附近。

参考文献：[1] Davide PICCININ, Pierpaolo BOFFI, Alessandro CABBASS, et al. Free-space system for metropolitan optical networktransparent link [J]. SPIE ，2002，4635：50-56.[2] Kamran KISASALEH. Performance analysis of free-space on-off-keying optical communication systems impaired byturbulence[J]. SPIE ，2002，4635：150-161.[3] Isacc I.KIM ，Joseph KOONTZ ，Harel HAKAKHA ，et al. Measurement of scintillation and link margin for the Terralink TM lasercommunication system[J]. SPIE ，1998，3232：100-118.[4] 郭振华，徐德胜. 大气湍流对激光传输的影响[J]. 激光技术，1992，16(2)：65-72.GUO Zhen-hua ，XU De-sheng. Effect of atmospheric turbulence on laser beam propagation [J]. Laser Technology ，1992，16(2)：65-72.表1 大气激光通信机的主要参数Table 1 Key parameters of FSO equipment Wavelength λ = 850×10-9 m Transmitter powerP T= 23 dBm Propagation distance z = 4kmOptics efficiency L opt = -3 dB Transmitter aperture D T = 0.11 mGeometrical spreading loss L GSF = -30 dB Receiver aperture D ap = 0.11 m Center error a = 0.7m Beam divergence θ = 1.2 mrad Receiver sensitivity P r = -38 dBm 图4 大气激光通信机照片Fig.4 Photograph of the FSO equipment。