第8、9章 空间激光通信
第9章 无线激光通信PPT课件
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9.1 概述
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9.1.4 微波与无线激光通信的比较
5、大气传输特性的差别
地球大气气象条件对微波和激光的传输都有影响， 但对激光传输的影响要严重得多，对微波传输影响最 大的是雨、云、雾，而且频率越高影响越大。
激光和微波各有其优点，一般认为，激光通信在空间站之间 最为合适，在地球站之间或地球站与空间站之间，因为通信 线路穿过大气，采用微波更为合适。在某些特殊条件下，激 光通信可以作为无线电通信的补充。但随着大功率集成激光 器件的出现，激光在大气中的传输衰减问题必将为人们所克 服，激光通信将会成为人类今后的主要通信手段。
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第9章 无线激光通信
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无线激光通信是指利用激光束作为载波在空间(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，又称为“自由空间激光通信”（Free Space Optical Communication，FSO）、“无纤 激光通信”或“无线激光网络”(Wireless Optical Networks，WON)。
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9.1 概述
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9.1.4 微波与无线激光通信的比较
1、可利用的频带宽度的差别
激光的频带宽度超过105GHz，大约是微波波段带 宽总和的1万多倍。
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9.1.4 微波与无线激光通信的比较
2、相关器件、设备尺寸的差别
根据电磁理论中的波长同比定理，理论上讲，用 于电磁波发射、传输和接收的器件及设备尺寸与波长 成正比。这就使光通信设备的尺寸、重量大大减小。
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9.1.2 激光
激光(laser)是指受激辐射产生的光放大，是一种高 质量的光源，它具有以下特性： 1、方向性好 2、单色性好 3、相干性极好 4、光脉冲宽度可以极窄
空间激光通信系统的设计与研究
空间激光通信系统的设计与研究空间激光通信系统的设计与研究摘要通信行业的快速发展通信容量剧烈膨胀迫切地需要新的技术来增加传输链路的带宽随着光通讯器件制造技术的不断成熟和制造成本的大幅下降自由空间激光通信在近距离高速网中获得了越来越多的应用是解决最后一公里瓶颈问题的有效途径自由空间激光通信具有无线电通信的便利性也具有光纤通信的绝大部分优点本文首先介绍了自由空间激光通信的发展历史应用优缺点和发展趋势的基础知识接着主要介绍了激光通信系统的组成和原理影响光信道传输的因素及解决方案然后具体介绍激光通信系统中光端机的主要电路及其工作原理最后通过做激光光源I-P特性实验深入地了解了半导体激光器的I-P特性随距离和背景光的变化情况确定出合适驱动电流工作点同时本论文对实验数据和现象做了详细的分析关键词空间激光通信光端机FSOI空间激光通信系统的设计与研究AbstractWith the rapid development of communication the communication capacity issharply expanded and new technologies are badly required to enhance the bandwidthof the transmission link As the mature of the manufacture technology and the hugedecrease of the manufacture cost of optical communication apparatus free space lasercommunication is increasingly used in near distance and high speed network such ascut-over layer it is an effective way to solve the bottleneck one final kilometerFree space laser communication has the convenience of the radio communication andthe majority advantage of the optical communicationIn this paper the basic knowledge of the development history applicationadvantage and disadvantage and the development tendency of the free space lasercommunication is introduced And then the compositionand principle of the lasercommunication system and the factors that affect the laser channel transmission andthe solutions are talked Then the key circuit and principle of optical transmitter andreceiver in the space laser communication aremainly discussed Finally thecharacteristic of I-P of the semiconductor laser was understooddeeply as the varies ofdistance and background light source and the suitable work point of the drivingelectric current is fixed by doing the I-P characteristic experiment of laser sourceAndmeanwhile the data and phenomenon of the two experiments in the paper areanalyzed detailedlyKey words space laser communication optical transmitter and receiverFSOII空间激光通信系统的设计与研究目录第一章前言111 FSO 的发展历史与应用 112 FSO 的优缺点 313 FSO 的发展现状 514 FSO 的发展趋势和展望 6 第二章空间激光通信系统821 激光通信系统的分类 822 光发射机 823 光接收机 1024 激光器 1225 空间光信道 15第三章光收发设备 2031 光发送电路 2032 光接收电路定 26第四章实验系统概述3341 实验系统原理 3342 实验系统仪器 3343 激光光源 I-P 特性研究 3544 实验内容及结论 36第五章结论与展望 4251 结论 4252 展望 42参考文献43致谢 44声明 45III空间激光通信系统的设计与研究第一章前言自由空间光通信Free Space Optical Communication 简称为FSO 是指以光波为载体在真空或大气中传递信息的通信技术具体包括有大气光通信卫[1]星间光通信和星地光通信三大技术11 FSO 的发展历史与应用com 浅识FSOFSO 技术基于光纤传输方式具有高带宽部署迅速费用合理等优势FSO 技术以激光为载体用点对点或点对多点方式实现连接虽然 FSO 通信不需要光纤而是以空气为介质但由于其设备以发光二极管或激光二极管为光源因此又有无线光纤之称最初FSO 通信设备是无线设备生产商为宽带服务运营商开发的一种在不易进行光纤布线的地段代替光纤设备的网络连接方案以前只用于国防和实验目的至今已有30多年历史FSO 技术具有与光纤技术相同的带宽传输能力使用相似的光学发射器和接收器甚至还可以在自由空间实现波分复用WDM 技术目前 FSO 技术已开始走向民用它即可以提供短距离的网桥解决方案也可以在服务商的全光网络中扮演重要角色FSO 是一种新型无线宽带接入方式是继激光器件发明之后开始在工程上应用的它是光纤通信与无线通信相结合的产物FSO 不是用光纤作为传输媒介而是以大气为媒质通过激光或光脉冲在太赫兹THE 光谱范围内传送分组数据的通信系统其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似但由于用在接入系统因而组成更为简单一个光的无线传输系统所用的基本技术也就是光电的转换在点对点传输的情况下每一端都设有光发射机和光接收机具有全双工双向的通信能力光发射机的光源受到电信号的控制并通过作为天线的光学望远镜将光信号经过空间送到接收端的望远镜高灵敏度的光接收机将望远镜收到的光信号再转换成电信号由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大差别可以选用透过率较好的波段窗口光的无线系统通com红外波段但是发送端和接收端之间互相必须是可视线的两终端之间不能有阻挡1空间激光通信系统的设计与研究FSO 网络主要有三种拓扑结构点到点点到多点星形和网状也可以把它们组合起来使用FSO 技术相对是简单的相连的二个 FSO 单位均由一个激光发射器和一个接收器组成以提供全双工能力FSO 产品可以传输数据语音和影像等内容目前市场上的产品最高支持25bits 的传输速率最大传输距离为4千米不过FSO 技术在理论上没有带宽[2]上限目前国外160Gbits 的设备正在研制当中com FSO 的发展历史早在120年前大气激光传输的概念就由电话发明人贝尔提出过进入20 世纪60年代随着红宝石激光器的出现大大改善了大气激光通信系统的传输性能自由空间光通信技术作为一种通讯技术仅有30多年的研究历史初期由于光电器件制造成本较高自由空间光通信的研究仅限于星际通讯和国防通讯领域随着掺饵光纤放大器EDFA 波分复用WDMA 自适应光学Adaptive Optics 等技术不断发展无线光通信在传输距离可靠性传输容量等方面有了较大改善适用面也越来越宽近年来由于光通讯器件制造技术的飞速发展使自由空间光通讯设备的制造成本大大下降人们才又逐渐开始了自由空间光通讯的民用研究FSO系统的厂商围绕着技术的经济性来开发他们的产品因为安装屋顶到屋顶的FSO链路比挖掘城市街道安装光纤线路快捷便宜得多到了世纪之交无线通信成为一种全球时尚满足了人们随时随地随心所欲获取信息的渴求但其射频频率很拥挤于是人们便将目光转向了无线光通信com FSO 的应用在目前竞争激烈的环境中 FSO无疑为电信运营商以较低的成本加速网络部署提高服务速度并降低网络操作费用提供了可能FSO产品目前最高速率可达25G最远可传送4km 其技术结合了光纤技术的高带宽和无线技术的灵活快速部署的特性可以在接入层等近距离高速网的建设中大有用武之地目前许多企业和机构都不具备光纤线路但又需要较高速率如STM- 1或更高的情况下 FSO不失为一种解决最后一公里瓶颈问题的有效途径FSO主要应用于一些不宜布线或是布线成本高施工难度大经市政部门审批困难的地方如市区高层建筑物之间公路铁路两侧的建筑物之间不易架桥的河流两岸之间古建筑高山岛屿以及沙漠地带等另外FSO设备也可用于移动基站的环路建设场所比较分散的企业局域网子网之间的连接和应急通信对于银行证券政府机关等需要稳定服务的商业应用来说FSO产品可以作为预防服务中断的光纤备份设备鉴于FSO产品安装快速简易因此也可在展览会短期租用的2空间激光通信系统的设计与研究建筑野外的临时工作场所或地震等突发事件的现场作为一种临时的通信连接还可以很方便地监控工业交通信号等FSO技术目前主要应用于最后一公里接入中建筑物之间的网络桥接上到目前为止已经有许多电信运营商将FSO运用到商业服务中其中在2000年悉尼奥运会期间美国的Terabeam与LacentTechnology合作在水上中心和演播中心之间建立了8波道的无线数据通信链路运行期间始终保持畅通2002年AirFibier 公司则在美国波士顿地区将无线通信网与光纤网通过光节点连接在一起完成了该地区整个网络的建设911恐怖袭击后FSO在重建企业的通信联系中发挥了十分重要的作用因此得到了用户们的进一步认可纽约世贸中心遭到恐怖袭击的第一时间纽约州联合法院系统选择了FSO 在不到一周的时间里三个FSO系统迅速恢复了通向曼哈顿法院的业务在国外 FSO 已被电信运营商及各行各业的专业网络用于商业服务在国内电信网通移动联通和铁通也都有不同规模的应用[2]12 FSO 的优缺点com FSO 的优点自由空间激光通信具有无线电通信的便利性同时也继承了光纤通信的绝大部分优点尤其是大通信容量的特点除了无线和大容量宽带这两个优点FSO还具有以下几个优点1无需频谱许可证无线光通讯因设备间没有信号的相互干扰FSO 与大多数低频段电磁波不同的是300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受限制可以免费使用故无需像无线电通讯如微波LMDS 那样申请频率许可证唯一的要求设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限IEC60825-I 标准2带宽高自由空间光通信和光纤通信一样具有频带高的优势FSO 支持155Mbits-10Gbits 的传输速率传输距离在2-4公里之间在点到多点的组网方式中FSO 同样能支持 155Mbits-10Gbits 的传输速率但传输距离为1-2公里如果采用格形的组网方式则可支持622 Mbits 的传输速率传输距离为200-400米3协议完全透明3空间激光通信系统的设计与研究 FSO 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做到透明传送而且完全支持通信上现行的 SDHATM TCP IP等各种协议4成本低廉由于以大气为传输媒质免去了昂贵的光纤敷设和维护工作有资料表明FSO 系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右5快速链路部署因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题FSO 可以在几天内完成连接FSO 的无线接收器大小如同一部保安摄像机可以轻而易举地安装在屋顶屋内甚至窗外6安全保密性能强FSO 的波束很窄定向性非常好非可视光夜间也无法发现因此无法探测到链路的位置更不存在窃听的可能性并且用户到集线器之间的链路通常是加密的安全保密性较强7全天候工作FSO 全天候工作的可靠率达99999％远远高于国际规定的通信系统年可靠率95％8便携性由于发射机和接收端设备小巧轻便便于携带当公司或临时驻军时无需重新安装光纤从而节约成本空间激光通信与无线电通信和光纤通信做一个对比如表11所示从表11可以看出空间激光通信较无线电通信和光纤通信具有巨大的优势一系列优点正受到电信运营商越来越多的关注与青睐表11 三种通信的比较通信方法带宽频率许可成本机动性天线尺寸保密性无线电通信小需要高一般大差光纤通信小不需要很高差好空间激光通信大不需要低好小好com FSO 的缺点自由空间光通信系统FSO 是一种新型的无线宽带接入方式它是在空气中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送分组数据的通信系统激光的定向性虽然很好但波束还是随传输距离的增加而慢慢变宽超过一定距离后就难以被正4空间激光通信系统的设计与研究确接收目前测试表明FSO 系统在1公里以下才能获得最佳的效率和质量另外由于波束的传输不能受到阻挡飞鸟也会对 FSO 产生影响另一个主要问题是 FSO 的传输质量对天气非常敏感因为激光光波的波长与雨雪或雾气的水微粒的直径差不多光波易被水气吸收因此晴天对传输质量的影响最小而雨雪和雾对传输质量的影响则较大据测试 FSO 受天气影响的衰减经验值分别为晴天5-15dBKm雨天20-50dBKm 雪天为 50-150dBKm雾天为50-300dBKm 国外为解决这个问题一般会采用高功率的激光器二极管更先进的光学器件和多光束来解决影响 FSO 性能指标的另外两个因素是大风和地震风力和大气温度的梯度变化会产生气穴气穴密度的变化将带来光折射率的变化这会造成光束强度的瞬时突变即所谓的闪光严重影响 FSO 的通信传输质量同时由于FSO 系统的收发设备一般都安装在高楼之上因此大风引起的建筑物的晃动或地震也会造成光路的偏移目前已有偏光法和动态跟踪法两种手段可以解决这一问题激光的安全问题也会影响其使用超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响人体也可能被激光系统释放的能量伤害[23]13 FSO 的发展现状在地面无线光通信方面1998 年 2 月朗讯公司制造了一套 10Gbs 的无线光通信实验系统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束的准直性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置相机获得方向的变化量反馈给电子执行单元以保持光束的准直性1998 年 8 月两公司对无线光通信系统的原型机进行了测试链路距离25km 数据率 25Gbs是无线光通信系统新的最高记录并于2000年夏季推出4波长波分复用10Gbs 传输距离达5km 的商用系统在星际光通信系统方面美国是最早进行星际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肯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30mW 半导体激光器8英寸口径的望远系统数据率为220Mbs 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5空间激光通信系统的设计与研究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1Gbs欧洲方面欧洲空间局为连接低轨道星与同步轨道星进行了轨道间激光通信实验已经制造好两个卫星终端设备一个名为PASTEL 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 OPALE 终端采用的波长为800-850nm 通信光功率不超过60mW 信标捕获与链路建立过程中信标光功率小于500mW日本从 80 年代中期就开始星间激光通信的研究工作主要有邮政省的通信研究实验室 CRL 高级长途通信研究所 ATR 的光学及无线电研究室进行此方面的研究工作ATR 主要对光束控制调制等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 ETSⅥ之间的激光通信实验以试验星间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ETSⅥ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[4]14 FSO 的发展趋势与展望随着通信需求和设备技术的进步在卫星链路中空间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空间激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际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激光通信将取代微波通信成为星际间通信的主要手段空间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激光通信在性能价格比上可以同海底光缆通信开展竞争空间激光通信系统原来多采用800nm波段光源这是由于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年代以来国外的空间激光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地面空间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6空间激光通信系统的设计与研究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系统和光无线系统在许多方面可互为补充光无线系统能提供小区域的高速连接而无线电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10Mbs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40kbs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96kbs的链路进行通信另外微波系统还可作为光无线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[25]7空间激光通信系统的设计与研究第二章空间激光通信系统本章将讨论空间激光通信系统的分类发射机和接收机的组成及原理并简要地介绍空间激光通信影响信道的因素及解决方案21 激光通信系统的分类激光通信系统可分为模拟激光通信系统和数字激光通信系统两大类com 模拟激光通信系统在通信距离不太长容量不太大的自由空间通信系统中传输模拟信号将显得更经济合理应为首选方案在直接强度调制方式中最重要的技术指标之一是系统的线性度虽然半导体激光器LD在许多方面的特性都要优于发光二极管LED 但线性和温度稳定性都要比发光二极管LED差很多并且光电转换时噪声大故在一些要求稍高的应用场合很少采用模拟通信系统数字通信系统正逐渐取代模拟通信系统com 数字激光通信系统高速远距离强干扰的空间激光通信广泛采用数字激光通信系统这类系统抗干扰性强噪声累积少传输质量高通信距离长与计算机联用方便但设备及技术较为复杂光信号远距离传输会产生极大的能量损失接收的信号往往非常微弱同时背景光太阳月亮星体等也会产生很强的干扰大大增强了光信号接收难度在远距离强干扰情况下需要动态捕获瞄准跟踪 Acquisition Pointing Tracking APT 技术空间光通信中ATP APT 以保持光发送接收终端精确定向因此APT系统是数字光通信成功的关键22 光发射机com 光发射机的基本组成光发射机分为模拟光发射机和数字光发射机数字光发射机主要由线路编码电路输入电路驱动电路光源调制器自动光功率控制APC 自动温度控制ATC 光源保护电路发射天线等部分组成如图21所示模拟光发射机无编码电路两种光发射机的核心都是光源和驱动电路8空间激光通信系统的设计与研究图21 光发射机原理框图com 光发射机的工作原理光发射机的功能是将输入的电信号加载到光源的发射光束上变成光信号发射到自由空间进行传输简言之光发射机就是进行EO变换对于数字光发射机而言模拟电信号经过采样量化编码转化为二进制数字信号输入电路将来自电端机的PCM脉冲信号进行整形变成NRZRZ码若采用内调制则由输入电信号来调制发光器件的正向注入电流从而调制发出的光强完成电信息向光信息的转换若采用外调制则利用晶体的电光效应磁光效应和声光效应等性质制成的调制器对光源发出的连续光波进行调制发射的激光信号反映经编码处理后的电信号变化情况最后经过精密光学发射天线变换为发散角很小的已调光束向空间发射出去对于模拟光发射机而言发送端基本采用内调制用模拟信号对光源直接进行强度调制使激光器输出功率按模拟调制信号变化故无需编码电路相对数字电路简单得多但模拟光发射机对激光的线性要求非常高否则失真较大com 光发射机的辅助功能1APC 电路APC 电路使输出光信号的功率稳定而不随外界条件变化当LD 的输出光功率因环境温度变化或LD芯片退化时LD输出光功率都会发生变化通过设置在LD背出光面的监视二极管一般采用PIN-PD 监视LD 的光输出功率并将监视光电二极管的输出反馈给驱动电路当光输出功率下降时驱动电流增加当光输出功率增加时驱动电流下降始终使LD保持恒定的输出光功率2ATC 电路ATC 电路使发光器件工作温度恒定ATC和热敏电阻相接其作用是保持LD9空间激光通信系统的设计与研究组件内恒定的温度以保证激光参数稳定性当组件内因LD过热而升温或因环境温度变化时位于组件管壳内的热敏电阻随温度变化而改变其电阻值通过电阻值变化控制具有双向输出的温控装置ATC 的电流大小和极性并通过TEC 能迅速地达到并维持LD 的恒定工作温度当组件管壳温度大于设定值时TEC 加正偏置制冷过程发生当组件管壳温度小于设定值时TEC加负偏置加热过程发生3光源保护电路光源保护电路保护光源在瞬态过流过压冲击过流过热工作时避免受到损坏提高其使用寿命4光学发射天线光学天线是一个透镜系统把已调制光源的输出信号汇集成传输光束对。
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。
激光通信资料
激光通信摘要激光通信作为一种高效的通信技术，其在数据传输领域有着广泛的应用。
本文将介绍激光通信的基本原理、发展历程以及未来发展趋势。
一、激光通信的基本原理激光通信是利用激光器发射出的激光来传输信息的一种通信方式。
激光通信系统由发射机、接收机和激光通信信道组成。
发射机将信息转化为激光信号发送出去，接收机则接收激光信号并将其转化为原始信息。
激光通信信道的特点包括高速、高带宽和抗干扰能力强等。
二、激光通信的发展历程激光通信技术最早起源于上世纪60年代。
随着激光器技术的不断发展和成熟，激光通信系统的传输速率也不断提高。
目前，激光通信已广泛应用于卫星通信、光纤通信以及无线通信等领域。
激光通信的发展历程经历了从实验室研究到商用应用的过程，取得了显著的进展。
三、激光通信的应用激光通信在军事、航空航天、通信和医疗等领域都有着广泛的应用。
例如，激光通信可以实现卫星之间的高速通信，也可以用于激光雷达系统进行目标探测和跟踪，还可以应用于光纤通信系统提高传输速率和带宽等。
四、激光通信的未来发展趋势随着信息技术的不断发展，激光通信技术也在不断创新和完善。
未来，激光通信系统将更加智能化、高效化和安全化。
同时，激光通信在量子通信、光网络和云计算等领域有着广阔的应用前景，将成为未来通信技术发展的重要方向。
结论激光通信作为一种高效的通信技术，将在未来通信领域发挥重要作用。
通过不断的研究和创新，激光通信技术的应用领域将得到进一步拓展，为人类社会的发展和进步提供更多可能性。
以上是对激光通信技术的简要介绍，希望能对读者对激光通信有更深入的了解和认识。
空间激光通信的原理
空间激光通信的原理空间激光通信，也被称为激光空间通信，是一种新兴的通信技术，它利用激光作为信息载体，通过大气作为传输媒介，实现空间信息的传输和交换。
本文将详细介绍空间激光通信的原理、系统组成、技术特点和应用前景。
一、原理概述激光是一种高亮度、方向性强、单色性好、相干性强、能量高的光辐射。
空间激光通信正是利用激光的这些特性，通过大气作为传输媒介，实现信息的传输和交换。
在空间激光通信中，发送端将信息调制在激光上，通过光学发射天线发射出去。
激光在传输过程中，经过大气层中的分子散射、吸收、再发射等过程，最终到达接收端。
接收端通过光学接收天线接收激光，再经过光电转换，最终还原成原始信息。
二、系统组成空间激光通信系统主要由激光发射器、光学发射天线、信息调制器、通信卫星或地面站、光学接收天线、光电转换器以及信息解调器等部分组成。
1. 激光发射器：用于产生高亮度的激光，并对其进行调制。
2. 光学发射天线：用于将激光发送到空间中，并收集回波信号。
3. 通信卫星或地面站：用于接收激光信号，并将其转换为电信号，同时将电信号调制为中频信号或射频信号，发送给地面网络。
4. 光学接收天线：用于接收激光信号，并将其转换为光信号或电信号。
5. 光电转换器：用于将光信号转换为电信号，以便进行信息处理。
6. 信息解调器：用于将已调制的电信号还原为原始信息。
三、技术特点空间激光通信具有以下技术特点：1. 高速率：由于激光具有极高的频率，因此空间激光通信可以实现高速数据传输。
2. 远距离：由于激光在大气中的传输距离远大于微波，因此空间激光通信可以实现远距离通信。
3. 低误码率：激光在大气中的传输受大气扰动的影响较小，因此空间激光通信具有较低的误码率。
4. 高安全性：空间激光通信由于使用非电磁辐射，因此不会对电磁环境造成干扰，具有较高的安全性。
5. 可视化程度高：空间激光通信可以实现可视化通信，即实时监测通信链路的状态和性能。
四、应用前景空间激光通信具有广阔的应用前景，主要包括以下几个方面：1. 高速数据传输：空间激光通信可以应用于卫星通信、宽带接入等领域，实现高速数据传输。
空间相干激光通信技术
空间相干激光通信技术空间相干激光通信技术是一种利用激光在空间中传输信息的新兴通信技术。
它不仅具有高速、大容量的特点，还能实现高质量的通信信号传输。
本文将详细介绍空间相干激光通信技术的原理、应用以及发展前景。
一、空间相干激光通信技术原理空间相干激光通信技术利用激光的高直观性和低发散度特点，通过激光器将信息转换为光信号进行传输。
与传统的无线通信技术相比，空间相干激光通信技术具有更高的传输速率和更低的能量损耗。
同时，激光的窄束特性使得信号在传输过程中几乎不受干扰，能够实现高质量的通信信号传输。
1.卫星通信空间相干激光通信技术在卫星通信中有着广泛的应用。
传统的卫星通信主要依靠微波信号进行数据传输，但受限于频段资源的有限性，传输速率和容量都较低。
而空间相干激光通信技术可以实现高速、高容量的数据传输，可以大大提升卫星通信的效率和性能。
2.地面通信空间相干激光通信技术在地面通信中也有着广泛的应用。
传统的地面通信主要依靠光纤进行数据传输，但光纤的布设和维护成本较高，限制了其在一些特殊环境中的应用。
而空间相干激光通信技术可以实现无线传输，无需布设光纤，具有更高的灵活性和便捷性。
3.无人机通信空间相干激光通信技术在无人机通信中也有着重要的应用。
传统的无人机通信主要依靠无线电波进行数据传输，但无线电波易受到干扰和限制，传输距离和速率有限。
而空间相干激光通信技术可以实现高速、远距离的数据传输，可以提升无人机通信的可靠性和效率。
三、空间相干激光通信技术发展前景随着信息技术的快速发展，对通信技术的需求也越来越高。
空间相干激光通信技术作为一种新兴的通信技术，具有巨大的发展潜力。
目前，国内外已经开始加大对空间相干激光通信技术的研发和应用力度。
预计在不久的将来，空间相干激光通信技术将会得到更广泛的应用，并取得重要的突破。
总结：空间相干激光通信技术是一种利用激光在空间中传输信息的新兴通信技术。
它具有高速、大容量的特点，能够实现高质量的通信信号传输。
激光通信空间传输技术
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03
半导体激光器
研究高功率、高效率的半 导体激光器，提高激光输 出的稳定性和可靠性。
光纤激光器
利用光纤作为增益介质， 实现高功率、高效率的激 光输出，同时具有良好的 光束质量。
固体激光器
研究新型固体激光材料， 提高激光器的能量转换效 率和输出功率。
大气湍流对信号影响及补偿措施
大气湍流模型
研究大气湍流的统计特性 和物理模型，为信号传输 提供准确的预测和补偿。
该试验成功实现了卫星与地面站之间的激光通信，标志着中国在卫星激光通信领域取得了 重要突破。
地面站与飞行器间数据传输需求
高数据传输速率
随着空间探测任务的日益复杂， 对数据传输速率的要求也越来越 高，激光通信能够满足这一需求
。
大容量数据传输
激光通信具有传输容量大的特点 ，能够满足地面站与飞行器之间
大容量数据的传输需求。
特点
激光通信具有传输速度快、容量 大、保密性好、抗干扰能力强等 优点，是实现高速、大容量通信 的重要手段。
空间传输技术概述
空间传输技术
指利用激光在大气或空间中进行信息传输的技术，包括自由空间光通信和卫星 激光通信等。
技术原理
通过调制激光束的强度、相位、频率等参数，将信息加载到激光上，然后通过 光学系统发射到空间中，接收端通过光学系统接收并解调激光信号，实现信息 传输。
01
接收来自发射端的激光信号，并进行精确指向和跟踪。
光检测器与解调器
02
将接收到的光信号转换为电信号，并进行解调处理，还原出原
始传输信息。
解码与信号处理单元
03
对接收到的信号进行解码和解密处理，确保信息的完整性和安
全性。
空间通信简介
空间通信简介空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式。
与传统微波通信相比，激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，而且其通信终端体积小、功耗低、实用性极强，引发各国研究热潮。
空间激光通信技术的发展和突破对增强空间信息传输的实时性、安全性以及未来深空探测意义重大，有望变革未来空间通信技术发展。
优点随着空间技术、传感技术等的发展，卫星及各种航天器所需的信息传输量呈指数级增长，目前空间通信所采用的以微波通信为主的通信手段已难以满足急剧增长的通信容量需求。
空间激光通信具有较高的数据传输速率、较强的电磁抗干扰能力和安全保密性能，且激光通信设备还具有体积小、重量轻、能耗低等优点，被认为是最有潜力革新空间通信的颠覆性技术。
高数据传输速率空间激光通信的载波频率范围为190THz～560THz，约为微波通信频率的数千倍乃至数万倍，具有巨大的宽带提升空间，可实现更高的数据传输速率，使从空间传回海量视频和高精度测量数据成为可能，对于自然灾害监测、军事通信等具有重要战略意义。
体积小质量轻功耗低相比于微波，激光的波长要短数千至上万倍。
波长越短，能量越高，所受的衍射作用越小，激光所需的发射和接收天线尺寸可以大幅缩小，使得激光通信系统终端的体积、质量和功率都远远优于微波通信，高度满足空间应用对有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。
抗电磁干扰安全保密空间激光通信采用激光作为载波，激光光束极窄，发散角小于1mrad（毫弧度），亮度和能量密度极高，信息传递不易被其他设备捕获，且邻近卫星间的通信干扰也可忽略不计，具有较高的抗电磁干扰能力和安全保密性能。
尽管存在诸多优势，目前空间激光通信技术仍处于研究阶段，尚面临诸多技术挑战。
如激光通信较易受制于激光通信终端和探测器件、大气湍流、大气衰减等因素的影响和干扰，空间激光通信所需的地面基础设施远未完备，空间激光通信高频带、高宽带的技术优势尚未被完全挖掘等。
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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
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
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
2
星间距离通常在数千到数万公里
自由空间损耗 在250dB以上
光学天线----解决损耗问题
天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平 方成反比
D 2 G 10 lg[ ( ) ]
光波波长在m数量级，小口径天线即可获得巨大增益 工作波长为1550 nm时，20cm口径的天线即可实现 110dB以上的增益
光学收发天线：接收光学天线的任务是将一定面积内 的信号光会聚到光检测器上，目的是增大接收光信号 功率；发送光学天线的任务是压缩光束发散角，降低 激光束在大气中传播时的发散损耗
构成光学天线的主要方式
收发分离式 收发合一式
光学带通 滤波片
光学带通 滤波片
APD LD
遮挡和晃动
阵列发射接收解决遮挡问题 散光法和自动跟踪解决建筑物晃动问题
光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅 让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景 光产生的噪声光电流 光学滤波技术成熟，大量应用于DWDM系统
闪耀光栅 多层介质薄膜 阵列波导干涉型 光纤光栅型
多普勒频移
观察者
光载波频移大小：
1 2 f 1 f 1 cos
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
v c
光源
光源运动方向
v
IOL链路存在此问题影响 GEO-LEO链路中，多普勒频移量接近9GHz， 对应的波长变化范围约0.08nm
大气信道
大气效应
大气吸收 大气散射 大气湍流 衰减 多径色散
对光束的影响
到达角起伏
闪烁
选择工作波长
100 80
透 60 射 率 （ 40 ）
利用光载波极高的频率可达成巨大的通信容量 利用光器件体积小、重量轻的优点可显著降低卫星质量 利用光波波长短的优点可减小天线口径，提高卫星有效载荷 利用卫星通信的优点可方便地实现全球覆盖和移动性
卫星光通信链路分类
同步轨道
星间链路
GEO ISL
GEO
ISL IOL
星地链路 LEO LEO
总体功能框图
系统组成
光学天线子系统 PAT子系统 光波调制解调子系统
光学天线平台
信标信号 输入 信息数据 输出 接收机 调制器
信标光源 信号光源 光电检测
合 束 器
误差信号 处理
误差检测
分 束 器
ห้องสมุดไป่ตู้
精 瞄 跟 踪 装 置
光 学 收 发 天 线 粗瞄装置
发射光束
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 ÷
接收天线
发散角
光锥
光强
大气光通信设备实例
用户通信设备
SDH-155 PSH-144 1-64 E1 100BaseT ATM-155 8E1+100BT PFM用户信号
2芯光缆 6芯光缆
光学天线
发
光口
收
除霜电源线
光端机
110~220V AC 或-48V DC
~
大气光通信设备实例
用户光纤接口 发 发射组件 发 收 发 用户光纤接口 收 接收组件 发
20 0 0.3
100 80
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） 天顶角=0º 大气质量比=1 1.1 1.3
避开大气 高损耗波长
透 60 射 率 （ 40 ）
20 0 1.2
8.5 大气激光通信系统
系统框图
自适应光学 波前校正 信源/信宿 线路编/解码
电端机
光调制/解调
光学收/发天线
自动功率控制
自动跟瞄
各部件功能
电端机实现对信息的编码和还原
线路编码实现前向纠错 光调制解调单元实现信号的电-光/光-电变换
自动功率控制补偿大气条件变化导致的激光束传播损 耗变化
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
目的：提高传输通道抗干扰能力
常用的PPM包括：
单脉冲脉位调制（L-PPM 差分脉冲位置调制（DPPM） 多脉冲PPM调制方式
与OOK调制的比较
平均发送光功率都有所降低
L-PPM调制和L-DPPM调制都有不同程度的带宽扩张 多脉冲PPM调制在选择合适的脉冲数时可以减小带宽扩张甚至没有 带宽扩张
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）
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
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