第8、9章 空间激光通信课件
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第八课 光通信(下)_4.22
27
单模光纤的带宽资源
0.5dB/k m
0.2dB/k m
2dB/km
• 1310nm窗口（1270nm-1350nm）和1550nm窗口（1480nm-1600nm ）各有80nm和120nm低损耗区可用。
• 高质量激光光源谱宽：0.4nm～1.6nm（1550nm附近），几十分之一
或几百分之一。
2.5Gb/s
10Gb/s
26
光波分复用WDM的基本概念
• 光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 技术：在一根光纤上同时传送多波长光信号的一项技术。它 是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合 到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合 波长的光信号分开（解复用）并作进一步处理，恢复出原信 号送入不同的终端。
2020/4/2
光纤拉曼放大器FRA
• 拉曼放大现象在1928年被发现。90年代早期，EDFA 取代它成为焦点，光纤拉曼放大（FRA）受到冷遇。
• 随着光纤通信网容量的增加，特别是高功率二极管泵 浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的 基础。
• 人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波 长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以 达 到 在 任 意 波 段 进 行 宽 带 光 放 大 ， 甚 至 可 在 1270 ～ 1670nm整个波段内提供放大。
第八课 光通信(下)
上节课知识点回顾
• 4.2 光纤通信概论
光纤通信系统的组成:电端机（收发），发送光端机， 光纤（光缆），中继器，接收光端机
• 4.3 光纤通信中的光电子器件
➢ 4.3.1 概述——光有源器件与无源器件 ➢ 4.3.2 光纤 光纤的结构、光纤的导光原理、光纤特性的分析方法、 光纤的分类、光纤的特性参数、光纤的传输特性 ➢ 4.3.2 光放大器 ➢ 4.3.3 波分复用器和解复用器 ➢ 4.3.4 其它通信光电子器件
单模光纤的带宽资源
0.5dB/k m
0.2dB/k m
2dB/km
• 1310nm窗口（1270nm-1350nm）和1550nm窗口（1480nm-1600nm ）各有80nm和120nm低损耗区可用。
• 高质量激光光源谱宽：0.4nm～1.6nm（1550nm附近），几十分之一
或几百分之一。
2.5Gb/s
10Gb/s
26
光波分复用WDM的基本概念
• 光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing） 技术：在一根光纤上同时传送多波长光信号的一项技术。它 是在发送端将不同波长的光信号组合起来（复用），并耦合 到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合 波长的光信号分开（解复用）并作进一步处理，恢复出原信 号送入不同的终端。
2020/4/2
光纤拉曼放大器FRA
• 拉曼放大现象在1928年被发现。90年代早期，EDFA 取代它成为焦点，光纤拉曼放大（FRA）受到冷遇。
• 随着光纤通信网容量的增加，特别是高功率二极管泵 浦激光器的迅猛发展，又为FRA的实现奠定了坚实的 基础。
• 人们对FRA的兴趣来源于这种放大器可以提供整个波 长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以 达 到 在 任 意 波 段 进 行 宽 带 光 放 大 ， 甚 至 可 在 1270 ～ 1670nm整个波段内提供放大。
第八课 光通信(下)
上节课知识点回顾
• 4.2 光纤通信概论
光纤通信系统的组成:电端机（收发），发送光端机， 光纤（光缆），中继器，接收光端机
• 4.3 光纤通信中的光电子器件
➢ 4.3.1 概述——光有源器件与无源器件 ➢ 4.3.2 光纤 光纤的结构、光纤的导光原理、光纤特性的分析方法、 光纤的分类、光纤的特性参数、光纤的传输特性 ➢ 4.3.2 光放大器 ➢ 4.3.3 波分复用器和解复用器 ➢ 4.3.4 其它通信光电子器件
《深空光通信》PPT课件
精选ppt 10
4.调制与编码技术
• 调制与信道编码技术的引入可以很好的提高系统的功率利用率、 频带利用率以及误码率性能。光通信中最普遍的调制方式是开关 健控调制 (OOK)，但是其功率利用率很低 ，现在在空间光通信中 应用最多的是脉冲位置调制 (PPM )，但是它在带宽以及传输容量 方面尚有不足，现在又提出了许多像差分脉冲位置调制 (DPPM ) 和数字脉冲间隔调制 (DPIM ) 这样的调制方式。信道编码的引入 极大地改善了系统的误码性能，深空探测通信中的 “ 黄金搭配” 卷积码与RS 码的级联被引入到了光通信中，目前研究的作为 Turbo码其中一种的串联卷积码与PPM的联合应用已经得到了香农 限制仅0.7dB的成果，还有就是LDPC码。
OOK_NRZ
OOK_RZ
PPM
DPIM
精选ppt 15
DH-PIM
DH-PIM是DPIM调制方式的改进形式，DH-PIM的调
制方式和DPIM相类似，但采用两种起始脉冲。
精选ppt 16
DH-PIM与其它几种调制方式的比较
B（0010）=D（2）
B（1001）=D（9）
B（1101）=D（13）
目前研究较多的是主振荡功率放大器mopa以及掺杂光纤放大dfa精选ppt10高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术10在深空光通信系统中接收机接收到的信号十分微弱同时又有高背景噪声的干扰为了精确的接收信号通常采用提高接收机灵敏度和对接收信号进行处理的办法
深空光通信
精选ppt 1
PPM 1000000000000000 0100000000000000 0010000000000000 0001000000000000 0000100000000000 0000010000000000 0000001000000000 0000000100000000 0000000010000000 0000000001000000 0000000000100000 0000000000010000 0000000000001000 0000000000000100 0000000000000010 0000000000000001
4.调制与编码技术
• 调制与信道编码技术的引入可以很好的提高系统的功率利用率、 频带利用率以及误码率性能。光通信中最普遍的调制方式是开关 健控调制 (OOK)，但是其功率利用率很低 ，现在在空间光通信中 应用最多的是脉冲位置调制 (PPM )，但是它在带宽以及传输容量 方面尚有不足，现在又提出了许多像差分脉冲位置调制 (DPPM ) 和数字脉冲间隔调制 (DPIM ) 这样的调制方式。信道编码的引入 极大地改善了系统的误码性能，深空探测通信中的 “ 黄金搭配” 卷积码与RS 码的级联被引入到了光通信中，目前研究的作为 Turbo码其中一种的串联卷积码与PPM的联合应用已经得到了香农 限制仅0.7dB的成果，还有就是LDPC码。
OOK_NRZ
OOK_RZ
PPM
DPIM
精选ppt 15
DH-PIM
DH-PIM是DPIM调制方式的改进形式，DH-PIM的调
制方式和DPIM相类似，但采用两种起始脉冲。
精选ppt 16
DH-PIM与其它几种调制方式的比较
B（0010）=D（2）
B（1001）=D（9）
B（1101）=D（13）
目前研究较多的是主振荡功率放大器mopa以及掺杂光纤放大dfa精选ppt10高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术高灵敏度和高抗干扰性的光信号接收技术10在深空光通信系统中接收机接收到的信号十分微弱同时又有高背景噪声的干扰为了精确的接收信号通常采用提高接收机灵敏度和对接收信号进行处理的办法
深空光通信
精选ppt 1
PPM 1000000000000000 0100000000000000 0010000000000000 0001000000000000 0000100000000000 0000010000000000 0000001000000000 0000000100000000 0000000010000000 0000000001000000 0000000000100000 0000000000010000 0000000000001000 0000000000000100 0000000000000010 0000000000000001
光纤通信课件第八章
对应相应的软功能键，可激活一系列相对应的菜单。每组
功能键由5组菜单组成，每个菜单又有多项选择，某些选项上 还需进一步选择。这些选项都以实心的右箭头来标识。
24
8.2.2 OTDR的原理与使用
（2）HP8147参数设定
光纤通信
根据被测光纤的长度、传输波长和折射率来设定OTDR的测
试参数。需要设置的参数主要有测量参数、光纤参数、前面板
9
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
1．OTDR工作原理
瑞利散射：当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在着分子 级大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会改变其原有传 播方向向四周散射，这种现象被称为瑞利散射。其强度与波长
的4次方（4）成反比，其中又有一部分散射光线和原来的传播
方向相反，被称为背向散射，如图8-5所示。
光时域反射仪OTDR（Optical Time Domain Reflectometer），是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射所产 生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表。
OTDR用于光缆线路的施工、维护之中，可以进行光纤长度、 光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。
8.2.1 学习目的
（1）掌握用背向散射法测量光纤衰减和光纤长度的原理； （2）掌握光时域反射仪的工作原理和使用方法； （3）掌握用背向散射法测量光纤衰减和光纤长度的方法和 操作步骤。
（8-1）
图8-6 菲涅尔反射
11
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
OTDR利用光纤的上述特性进行工作，原理框图如图8-7。
图8-7 OTDR原理框图
12
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
当光纤的一端注入一个功率为P0的窄脉冲在光纤传输时，
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。
第九章 全光通信.ppt
性
二阶极化率x(2) 只有在具有非对称分子结构的介质材料中方不为零，
效
才可以引起二次谐波效应和光学和频效应，然而石英光纤材料为各
应
向同性舒介质，属于对称分子结构，因此石英光纤中通常不会出现 二阶非性效应，这样石英光纤中最低阶的非线性效应来自三阶极化
率x(3)，它可以导致产生三次谐波或四次混频以及非线性分折射现
光纤光栅是最具代表性的全光纤型器件，利用它优良的选频 特性，可制成全光纤的带通或带阻滤波器、全光纤激光器和波分 复用／解复用器等，还可以作为色散补偿和其他应用的重要器 件．因此人们普遍认为光纤光栅是继EDFA之后光纤通信发展的 又一里程碑。
9.1.2
6．光互连和光处理
关实 键现 技全 术光
通 信 的
非 线 性 效 应
n
r
0
比较上述两式，可得
n r0 2E2 将上式用级数展开、化简、并令
率就将随E作非线性变化。
折射率随强度的变化直接 导致许多种非线性效应，其中 最重要的是相位调制（SPM） 和交叉相位调制（XPM）
r0 n0 可得
n n0 n2 E 2 （9.4）
15
9.2
（1）自相位市制
非 线
在目前情况下，式中的P 应由式（9-2）来决定，又因 光纤是由石英为基础材料来
强光作用下，一三阶非线性 极化系数有关的介电常数附 加项。
性
制造的，而石英等介质是各
效
向同性数 ，
如果式（9-1）等式右端只取
第三项，则代入式（9-2）并
经化简整理后可得
14
9.4.2光交换技术的基本原理
9.4.3光交换器件
9.4.4 光交换系统
1
9.1
光纤通信课件第八章
9
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
1．OTDR工作原理
瑞利散射：当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在着分子 级大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会改变其原有传 播方向向四周散射，这种现象被称为瑞利散射。其强度与波长
的4次方（4）成反比，其中又有一部分散射光线和原来的传播
方向相反，被称为背向散射，如图8-5所示。
21
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
图8-11 HP8147前面板示意图
22
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
改动旋钮：与缩放键配合使用时可以改变游标的位置。 自动键：可使仪表进入自动模式，连按两次可使OTDR的优 化模式为标准模式。 存储键：将OTDR测试的曲线存储到指定的磁盘（软盘或硬 盘）中。 轨迹/事件键：可改变主显示区的显示内容为轨迹或事件表。 开始/停止键：用于OTDR的测试开始与停止。
标准模式是仪表自动选择模式； 当希望可测距离尽可能长时应选择动态范围优化模式； 当用户对一段短距离光纤进行测量时，测试结果中的分辨率
十分重要，此时可采用分辨率优化模式； 当希望对光纤上某点进行相对测量时应选择线性优化模式。
26
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
测量模式设定：根据测试要求选择测试模式分为平均、刷新、 回损和连续（又叫CW）方式。
23
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
② 软功能键
软功能键包括测量软功能键（F1～F6）和菜单软功能键两部 分。菜单软功能键有3层显示方式，习惯上经常用1/3、2/3、 3/3菜单表示。
1/3：由设置、分析、文件、查看和配置组成。 2/3：由开始位置、区间、脉宽、波长和平均时间组成。 3/3：由概览、最优化、折射率（IOR）、垂直偏移和文件 名（或空白）组成。
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
1．OTDR工作原理
瑞利散射：当光线在光纤中传播时，由于光纤中存在着分子 级大小的结构上的不均匀，光线的一部分能量会改变其原有传 播方向向四周散射，这种现象被称为瑞利散射。其强度与波长
的4次方（4）成反比，其中又有一部分散射光线和原来的传播
方向相反，被称为背向散射，如图8-5所示。
21
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
图8-11 HP8147前面板示意图
22
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
改动旋钮：与缩放键配合使用时可以改变游标的位置。 自动键：可使仪表进入自动模式，连按两次可使OTDR的优 化模式为标准模式。 存储键：将OTDR测试的曲线存储到指定的磁盘（软盘或硬 盘）中。 轨迹/事件键：可改变主显示区的显示内容为轨迹或事件表。 开始/停止键：用于OTDR的测试开始与停止。
标准模式是仪表自动选择模式； 当希望可测距离尽可能长时应选择动态范围优化模式； 当用户对一段短距离光纤进行测量时，测试结果中的分辨率
十分重要，此时可采用分辨率优化模式； 当希望对光纤上某点进行相对测量时应选择线性优化模式。
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8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
测量模式设定：根据测试要求选择测试模式分为平均、刷新、 回损和连续（又叫CW）方式。
23
8.2.2 OTDR的原理与使用
光纤通信
② 软功能键
软功能键包括测量软功能键（F1～F6）和菜单软功能键两部 分。菜单软功能键有3层显示方式，习惯上经常用1/3、2/3、 3/3菜单表示。
1/3：由设置、分析、文件、查看和配置组成。 2/3：由开始位置、区间、脉宽、波长和平均时间组成。 3/3：由概览、最优化、折射率（IOR）、垂直偏移和文件 名（或空白）组成。
《激光基础知识》课件
感谢您的观看
汇报人：PPT
原理：通过发射激 光束并接收反射信 号，测量距离和速 度
应用：自动驾驶、 机器人、测绘等 领域
优势：精度高、 速度快、抗干扰 能力强
发展趋势：小型 化、低成本、高 可靠性
激光手术：用于眼科、皮肤科、 牙科等手术
激光治疗：用于癌症、心血管 疾病等疾病的治疗
激光诊断：用于医学影像、病 理诊断等领域
激光美容：用于皮肤美容、整 形等领域
激光的产生：通过受激辐射产生光子，形成激光 激光的特性：单色性、相干性、方向性和亮度高 激光的应用：通信、医疗、工业、军事等领域 激光的安全：激光操作需要遵守安全规定，防止眼睛和皮肤受到伤害
方向性好：激光束在传播过程中几乎不发散，具有很高的方向性。 亮度高：激光的亮度比普通光源高出数亿倍，甚至更高。 单色性好：激光的波长非常单一，具有很高的单色性。 相干性好：激光的相干性非常好，可以产生干涉、衍射等光学现象。
工业领域：激光切割、激光 焊接、激光打标等
医疗领域：激光手术、激光 美容等
科研领域：激光测距、激光 雷达、激光通信等
娱乐领域：激光投影、激光 表演等
激光的产生与控制
激光的产生原理： 受激辐射
激光的产生过程： 原子或分子吸收 能量后，从低能 级跃迁到高能级， 再跃迁回低能级， 释放出光子
激光的波长：取 决于产生激光的 原子或分子的能 级差
激光对生物体的影响主要体现在热效应、光化学 效应和生物效应三个方面。
热效应：激光照射生物体时，生物体吸收激光能 量，产生热效应，导致生物体组织温度升高，甚 至烧伤。
光化学效应：激光照射生物体时，生物体 吸收激光能量，产生光化学效应，导致生 物体组织发生化学反应，甚至破坏生物体 组织。
《光纤通信技术》课件第9章
图9.2 某小段光缆线路的设计图纸
表9.1 光缆线路常用图形符号
9.1.4 实训总结 对于高职学生，光纤通信系统技能实训首先要建立起系
统的概念，重点了解“八纵八横”；其次掌握基本的设计方 法，能看懂一般的设计图纸。
9.2 光纤、光缆结构技能实训
9.2.1 实训目的 （1）认识并掌握通信光纤的基本结构。 （2）认识并掌握通信光缆的基本结构。 （3）掌握通信光缆的型号与标志。
（3）使用光纤熔接机熔接单模光纤。 ①图9.9是两款常用的中外光纤熔接机，它们都是直视 型自动光纤熔接机。其特点：不仅可以对光纤进行自动对准、 熔接和连接损耗检测，而且具有热接头图像处理系统，对熔 接的全过程进行自动监测，摄取熔接过程中的热图像加以分 析，判断光纤纤芯的变形、移位、杂质和气泡等与连接损耗 有关的信息。因此，能更全面、准确地估算出接头损耗。
(2)对照光缆实物和图9.4在教师指导下识别各种不同的 光缆结构。
(3)借助光纤熔接机的显示功能观察光纤的内部结构。 自动光纤熔接机的显示功能，可以把普通光纤放大264 倍。如图9.5所示，显示光纤的内部结构，中间有亮光的部 分就是光纤的纤芯，两边发黑的部分就是光纤的包层。我们 还可以根据纤芯和包层的比例识别单模光纤和多模光纤。
（2）光纤通信系统的基本设计与计算方法。 ①长途光纤通信系统光中继段系统构成图。
长途光纤通信系统由多个光中继段构成，每个光中继段
构成如图9.1所示。图中： T′、T为符合ITU－T建议的光端机和数字复用设备的接
口；TX为光端机或光中继器的光发射机；RX为光端机或光 中继器的光接收机；S为紧靠在TX上光连接器C1后面的光纤 点；R为紧靠在RX上光连接器C2前面的光纤点；OF为光缆 线路；C1、C2为光连接器；N为光纤固定接头；Me为设备富 余度；Mc为光缆线路富余度；L为中继距离。
第9章 光纤通信技术ppt课件
O．3-3MHz 同轴电缆中波无线电 l 000-100m
3-30MHz 100—10m
同轴电缆短波无线电
30—300MHz 同轴电缆超短波无线电 10～lm
0.3—3 GHz 波导分米波无线电 lO—l cm
3—30GHz 10—1cm
波导厘米波无线电
30一300GHz 波导毫米波无线电 10一lm
精选ppt课件2021
27
（1）标量近似解
分析阶跃光纤时，假设光纤里的横向(非光传输的 方向）电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，求出近 似解。这是一种近似，前提是光纤的相对折射率差已 很小。西很小的光纤称作弱导波光纤，一般阶跃光纤 可以满足这一条件。
分析渐变光纤时，假设纤芯的尺寸无穷，边界不起 作用，然后假设横向（非光传输的方向）电磁场的幅 度满足标量亥姆霍兹方程，求出近似解。采用这一解 法可以得到光纤中各个模式的传输系数、模式的截止 条件、单模传输条件、多模传输时的模式数量、模式 功率分布等的简便计算公式。还可以利用这一方法来 分析光纤的色散特性。
光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单 模光纤的纤芯直径约为 4－10μm范围，包层直径为 125μm。单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信 系统。 (2) 多模光纤 光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传 导模式。多模光纤的纤芯纤芯直径一般为 50μm，其 横截面的折射率分布为渐变型，包层的外径125μm。 多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。
特高频(UHF) 分米波
微
超高频(SHF)
波
厘米波
极高频(EHF) 毫米波
紫外、可见光、红外
频率范围和波长
9 范围
30-3000Hz 0.1-l 000km
第九章 激光测距.完整版PPT资料
可产生±1个脉冲当量的误差，且影响2次：
·对电路的性能要求很高。
上两式相减，并以L2代入得：
则脉冲激光测距中最小脉冲当量的公式：
连续激光经过高频调制后成为高频调制光，设调制频率为fυ，如图9-11所示。
对如图9-9所示的出窗探测系统，设接收物镜口径为D，视场角为w，在象面上光斑直径为φ，则当w很小时，可用下式建立它们之间的
图9-7
场镜的作用是减小探测器口径，并使孔径光栏成像在光 电探测器上
设计时满足以下关系：
1 l1 D
1 l
0 .8
0
1
f 2
1
l l
式中：β为横向放大倍率，φ0为光电探器光敏面直径。
解以上方程组，可得 l、f2和 值。
2、出窗探测系统（图9-8） 图9-8
（二）设计中几个光学参数的讨论 1、接受物镜相对孔径 D f 和探测器光敏面（φ0）的关系。
欲使激光能量充分利用，则要求At≤As，此时
At<As时，
A≤t 1 As
At As
max
但1 当
2、激光回波在单位立体角内所含的激光功率Pe（激光在目
标产生漫反射，其漫反射系数为ρ）
附注：几个概念
（1）*立体角（Ω）的概念：（如图9-2）
ds R 2（球面度）
图9-2
（2）一点光光源向三维空间幅射的立体角为：
二、光电读数（图9-4） 图9-4
因为 s12ct12cNfT(fT为晶振)频率 测距仪的最小脉冲正量δ为：
令N=1
则 c
2 fT
例：设fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m
则： 318 0 1m
21.518 0 三、测距精度
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X
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
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）
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
( Np / km)
V 50km 1.6 1.3 6km V 50km q 0.16V 0.34 1km V 6km V 0.5 0.5km V 1km V 0.5km 0
能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离
非视线紫外大气散射信道
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
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 ÷
光通信原理与技术
空间光通信概念
空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达 成的通信方式
优点：
与传统的无线电通信（微波通信）相比
承载能力更强
与光纤通信相比
在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势
空间光通信分类
江河岸间 大气（近地） 建筑物/山间 岛屿间 星地间 星间（外太空） GEO-GEO GEO-LEO LEO-LEO 水下 天空（卫星/飞机）-水下 水下-水下
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
10 lg
1 e
1
D2 2 2 ( L )
衰 减 30 （
dB
）
20 10
=1550nm， 0=5cm =850nm， 0=5cm
0
0
5
10
15
距离（km）
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
大气湍流
其它
大气透射谱
100 80
透 60 射 率 （ 40 ）
20 0 0.3
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） 1.1 1.3
100 80 透 60 射 率 （ 40 ） 20 0 1.2
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
20
25
30
35
40
光学天线
作用
在发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束 发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功 率，压缩接收视野，减少背景光干扰
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
max min T R R
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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
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）
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
( Np / km)
V 50km 1.6 1.3 6km V 50km q 0.16V 0.34 1km V 6km V 0.5 0.5km V 1km V 0.5km 0
能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离
非视线紫外大气散射信道
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
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 ÷
光通信原理与技术
空间光通信概念
空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达 成的通信方式
优点：
与传统的无线电通信（微波通信）相比
承载能力更强
与光纤通信相比
在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势
空间光通信分类
江河岸间 大气（近地） 建筑物/山间 岛屿间 星地间 星间（外太空） GEO-GEO GEO-LEO LEO-LEO 水下 天空（卫星/飞机）-水下 水下-水下
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
10 lg
1 e
1
D2 2 2 ( L )
衰 减 30 （
dB
）
20 10
=1550nm， 0=5cm =850nm， 0=5cm
0
0
5
10
15
距离（km）
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
大气湍流
其它
大气透射谱
100 80
透 60 射 率 （ 40 ）
20 0 0.3
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） 1.1 1.3
100 80 透 60 射 率 （ 40 ） 20 0 1.2
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
20
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30
35
40
光学天线
作用
在发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束 发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功 率，压缩接收视野，减少背景光干扰
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