第七章大气激光通信系统

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
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。
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
例如，对于一个4-PPM调制： 若M=（0，0），则l=0； 若M=（1，0），则l=1； 若M=（0，1），则l=2； 若M=（1，1），则l=3；

单位传信率 用来比较不同调制方式的一个参数，是 指每秒每赫兹传输比特数 γ=R/B（bit/（s· Hz）） 式中R是传输速率（bit/s）,B是信号带 宽（Hz）
在获得了光束发散损耗的范围后，即可结合 考虑大气吸收、散射损耗以及背景噪声、大气 闪烁等因素，最终获得激光器发送功率的下限。 由于大气激光通信系统工作在近地环境，考 虑到激光对环境、生物可能造成的危害，激光 器的功率不宜过大，按眼睛安全标准，激光器 功率应小于17dBm，考虑到光发送天线对激光 束的扩束作用分散了激光束的能量，此限制可 适当放宽一些
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

对于常用的红外激光波段都是良好的大气 窗口。

考虑到器件的可行性，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
2、激光束的扩束 激光束是一种高斯光束，高斯光束可看作是均匀球面波 的一种推广，博伊德各和戈登已证明，高斯光束的传播轴 线与透镜主轴重合时，通过透镜后仍为高斯光束，只不过 表征高斯光束的参量发生改变。由透镜对高斯光束的变换 规律，即可导出扩束透镜的临界焦距。扩束透镜的临界焦 距等于该点波面曲率半径的1/2。当透镜的焦距大于临界焦 距时，对激光束起扩束作用，且扩束的最佳透镜焦距就等 于该点波面的曲率半径；反之，透镜对激光束起聚焦作用。 通常我们使用透镜级联的方法在较小的空间尺寸下实现 激光束的扩束。


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
7.4.1 单脉冲脉位调制
单脉冲脉位调制（L-PPM），是将一个二进制 的n位数据组映射为由2n个时隙组成的时间段上的 某一个时隙处的单个脉冲信号。 如果将n位数据组写成M=（m1，m2，…， mn），而将时隙位置记为l，则单脉冲PPM调制的 映射编码关系可以写成是
φ：l= m1 +2 m2 +…+2n-1 mn ∈{0，1，…，n-1}
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。
背景光源抑制方法： 1、采用不同的焦点成像或加长天线套筒对背景光 进行有效地遮挡 2、采用光学滤波技术对背景光进行抑制。 用于大气激光通信的光学滤波器基本类型有吸 收滤波器、干涉滤波器和原子共振滤波器。出于 成本考虑，通常在大气激光通信中可以使用价格 相对较低的DFT干涉型光学滤波器或光纤布拉格 光栅型光学滤波器
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。

在大气激光通信系统中应用FBG时，需要 将空间光束耦合进光纤，同时，由于FBG 是有选择地对某一波长范围的光波进行反 射，因此还需要使用光纤环形器调整光传 输方向，使反射的光波能够到达光电检测 器。
7.3.4 光学天线
1、光学天线的作用和类型选择 光学天线的作用： （1）在发送端，对激光束实现扩束，增大激光束 的束腰半径 （2）在接收端，增大接受面积，压缩接收视野， 减少背景光干扰 光学天线的结构形式：折射式天线、反射式天线 和折反射组合式天线 在大气激光通信系统中，出于成本方面的考虑， 通常选择折射式光学天线（由一组透镜构成）
折射式光学天线的主要优点是成本低， 光无遮挡，加之球面透镜工艺成熟，通过 光学设计易消除各种像差，且物镜组牢固 稳定，长期使用不变形。 为减少表面反射，通常各透镜还需要镀 上一层或多层针对工作波长的增透膜，如 采用多层镀膜技术，实际上此时该透镜还 起到了一定的光学滤波作用，可有效的减使用紫外光干 涉谱照射一段时间，则可在纤芯的内形成 折射率沿轴方向产生周期性扰动，即形成 光纤光栅。反射型光纤光栅亦称光纤布拉 格光栅（fiber bragg grating，FBG）。纤 芯中折射率的周期扰动将导致相反方向传 输模式间的耦合，在满足相位匹配条件时， 对特定波长的光波具有很高的反射率。
3、光束的聚焦 光检测器应放置在光学接收天线的焦点处
7.4 调制方法
目前的数字光通信系统大多设计为强度调制/ 直接检测（IM/DD）系统。应用于强度调制/直接 检测光通信系统中的调制方式有很多种，其中最 一般的形式是开关监控（OOK）和曼彻斯特编码。 通常，光源由编码脉冲波形进行强度调制，同时， 直接检测接收机对强度调制后的信号进行解码。 为了进一步提高传输通道抗干扰能力，应用于 大气信道的光通信系统很多采用了脉冲位置调制 （PPM）。PPM是一种正交调制方式，相比于开 关键控调制方式，它的平均功率降低了，但是同 时为此付出的代价是增加了对带宽的需求。
3、用于大气激光通信的半导体激光器 （1 ）耦合阵列：难以实现1W以上的大功率衍射限输出 （2）不稳定谐振器结构：加工技术要求太高，不适合大批量 生产 （3）单片机式有源光栅放大器：单模输出功率小 （4）含外腔结构的多芯片器件：结构复杂、需要精确调整、 不适合大批量生产，而且衍射限功率不太高 （5）外腔注入宽面积放大器：稳定性差，制作技术复杂，不 能单片集成 （6）主振功率放大器LD：是目前最理想的结构。在主振功 率放大器的典型工作中，主振和功放分别偏置。主振可以 固定偏置，此时光输出功率随加到放大器的电流呈线性变 化；相反，放大器也可以固定电流偏置，输出功率改变振 荡器电流开、关。这种能力是唯主振功率放大器所具备的 优点—仅几百毫安控制电流就能获得几瓦单模功率
7.3.2 半导体光源的光学准直
1、激光器的光束发散 半导体激光束的发散特性可以用发散角来描述。 发散角的定义为光功率密度下降为最大辐射方向 功率密度的一半的两个方向之间的夹角。
7.3.3 窄带光学滤波器
用于光信号检测的PIN、APD等光检测器件均 存在较大波长范围的响应区，因此落在这些波长 范围内的背景光不可避免的也要形成光电流，使 系统信噪比下降。