自由空间光通信FSO概述

自由空间光通信光学天线系统设计

作者：陈志康陈姝君吴骏一包祖超魏恒杰

来源：《无线互联科技》2024年第08期

摘要：文章专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计，通过缩放法来计算光学系统的初始结构。选择卡塞格伦系统作为研究对象，该系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。通过使用Zemax软件进行模拟，文章构建了一款卡塞格伦发射系统，其特点为体积小型化且像质优良。通过对系统结构进行优化，使得光斑弥散值为2.157 μm，波前差为0.0166个波长，像质优良。模拟结果显示，该系统在5 km的距离上，发射功率可达174 MW，发射效率达到了87%。文章不仅提供了一种有效的光学天线设计方法，还对光学天线的实际应用有一定的指导意义。

关键词：仪器科学与技术；自由空间光通信；光学天线技术；卡塞格伦天线结构；缩放法

中图分类号： TN929.11 文献标志码： A

0 引言

自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是一种以激光为信息媒介，实现高速数据传输的通信策略，被视为现今大容量空间通信领域的关键研究方向［1］。FSO系统拥有大容量、高速率、小体积、轻重量、低功耗、高可靠性、出色的保密性和安全性等特點。在空间通信需求逐年扩大的背景下，FSO的独特优势受到了广泛关注。光学系统作为光通信系统中最基础且最关键的部分，其设计的优劣直接影响空间光通信系统的主要技术指标，而光学天线则是光学系统的核心。随着光通信任务和要求的持续发展，光通信系统对光学系统的发射和接收性能的需求越来越高。因此，本研究深入探讨了光学天线系统的设计原理和方法，对设计系统进行了测试和性能分析［2］。

1 光学天线系统的选择准则

在星际激光通信系统中，天线选择的准则主要包含以下几个方面。（1）高效能与低光损失：为保障通信的顺畅，本研究需要选取能量损失小、效率高且增益足够大的天线。（2）光路设计的便利性：星际激光通信需要复杂的空间光束捕获跟踪对准ATP（Acquisition，

无线激光通信FSO技术和应用

无线激光通信FSO技术与应用

自由空间光通信（Free Space Optical，简称FSO）是一种以小功率红外激光承载高速信号，以空气为传输介质，用点对点方式进行语音、数据、图像的宽带传输技术。FSO是一对虚拟的光纤；是一种透明传输产品，不处置协议，既能够传输IP数据业务，也能够传输TDM业务。

在固定无线宽带接入（Fixed Wireless Broad band Access）技术中，无线激光通信技术具有其独到的优势，为宽带接入的快速部署提供了一种解决方案。

无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间（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 ）”。

无线激光通信以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，属于新型应用技术，早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着技术的发展，近年来逐渐应用于商用的地面通信，技术也在逐步完善。

一、无线激光通信的优势

相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括：

1．无须授权执照

无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。

2．安全保密

激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

3．实施成本相对低廉

无须进行昂贵的管道工程铺设和维护，其造价约为光纤通信工程的五分之一。

4．建网快速

无线激光通信建网速度快，只须在通信点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计量单位，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。对于重新撤换部署也很方便容易。

空间光通信中的湍流抑制技术研究

自由空间光通信(Free Space Optics,FSO)是目前发展迅速的一种新型通信方式,在卫星通信、地面通信、军事方面都有广泛的应用。折射率不稳定造成的大气湍流效应对自由空间光通信系统的性能有着严重的影响,是FSO系统中一个重要的问题。

本文主要针对空间光通信系统中的两种湍流抑制技术——自适应光学技术和部分相干光技术进行了研究,主要工作内容如下:1、对空间光通信系统中的大气湍流抑制方法进行了调研和综述,包括:孔径平均技术、分集技术、透镜改进技术、自适应光学技术、部分相干光技术等。2、研究了激光在湍流大气中传输的基本理论,利用分步傅里叶方法和谱反演法对激光在大气中的传输进行了数值仿真。

研究了基于Fresnel缩放理论的实验室内长距离传输模拟方法。3、完成了基于SPGD算法的非波前探测自适应光学大气湍流抑制实验,研究了非波前探测自适应光学技术对光纤耦合效率的提升作用。

实验结果表明,不同湍流强度下,校正后的光纤耦合效率能提升2.7～9dB不等,同时校正后的光纤耦合效率更集中。4、研究了部分相干光技术。

对伪部分相干高斯谢尔模光束在湍流大气中的传输进行仿真分析。仿真结果表明,部分相干光技术在长距离或强湍流情况下能有效降低闪烁系数,相干长度越小,湍流抑制能力越强。

当湍流强度Cn2=1×10-13m2/3,传输距离为2.5km时,相对于完全相干光,部分相干高斯谢尔模光束能将闪烁系数从2.8降低到2.2。

空间自由光通信技术

光信息原理及其通信

20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。

自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1）可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；2）可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；3）应用于城域网的建设以及最后一公里接入；4）在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限制使用无线电通信的地方；5）在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6）在企业内部网互连和数据传输。

2 自由空间光通信的基本原理及其特点

自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。

系统所用的基本技术是光电转换。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，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传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的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FS O系统具有更广阔的使用前景。

自由空间光通信与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完毕，投入运行。在考虑到当地气象的条件以后，光无线系统一般可得到99.9%的可用性。

自由空间光通信及可见光通信市场分析

什么是自由空间光通信?

无线通信经常面临带宽限制和低速数据传输等难题。但是，作为航空和国防领域有名的无线技术，自由空间光通信(FSO)则消除了传统无线通信系统所面临的诸多问题。该技术目前适用于卫星连接、深空探测器、偏远地区通信、无人机(UAVs)以及飞行器等。自由空间光通信适用于视线内的点对点通信。它使用不同的调制技术，如振幅与相位调制，用于将输入信息转化为数字信号，进而实现进一步传输。自由空间光通信的最新趋势受限于旨在改善通信传输数据流程和质量的先进编码方案的引入和发展。

自由空间光通信：市场推动力和限制因素

自由空间光通信由于其提供的诸多好处而越来越受欢迎，包括安装成本低、带宽利用率高、数据传输速度快、连接性提高等。此外，自由空间光学技术也适用于军事和商业应用，如电信。自由空间光通信的工作原理与光纤技术相同，只不过它使用空气作为传输信息的媒介，而不是光纤光缆。与此同时，自由空间光学通信的设置只需几个小时的安装。这些都是影响自由空间光通信市场发展的重要因素。然而，自由空间光学通信市场面临着一些挑战。例如，在两点之间部署自由空间光学通信设置之前，两者之间的视线内必须没有任何障碍物，如树木或建筑物等。此外，由于雾和大气湍流等因素，自由空间传播可能会受到干扰。由于光波的吸收、散射和反射，雾的存在会严重阻碍光波的传播特性。大气湍流可以引起闪烁，从而进一步增加比特误码率。这也是制约自由空间光通信市场发展的一些因素。

自由空间光通信：市场细分

自由空间光通信市场可以根据组件、数据类型、调制类型、应用、终端用户和区域进行细分。从组件方面来看，可以将市场细分为发射机、接收器、收发器、调制器、解调器等。发射器和接收器用于单向通信，而收发器则用于双向通信。使用自由空间光通信传输的不同类型的数据包括图像、声音以及视频等。从调制方面来看，自由空间光通信市场可以分割为振幅、频率、相位和偏振。此外，从应用方面来看，可以将市场细分为航空航天和国防、电信、医疗保健、灾害管理、存储区域网络 (SAN) 等。从终端用户方面来看，可以将市场细分为企业和商业市场。从区域方面来看，市场可细分为北美洲、拉美、西欧、东欧、亚太地区、日本、中东和非洲。

无线光通信在移动通信领域中的应用

概述

自由空间光通信（Free Space Optics –FSO）或称无线光通信技术正在越来越广泛地为移动服务商所

应用。作为一种快速方便部署的基础设施，能够满足用户数量的快速增长和下一代高带宽无线通信

应用的需求。FSO设备商采用先进的无线激光技术，提供点对点传输距离达数公里，速率超过2.5Gbps

的宽带无线接入。

科飞无线光通信有限公司是提供点对点无线光（红外/激光）通信产品的领先厂商。自1997年以来，

交付使用的成熟产品行销各种不同的市场和应用领域，带宽可从E1/T1升级到622Mbps以至10Gbps。

移动通信运营商面临着令人兴奋的挑战，包括网络扩容、为人口密集、客户群快速扩大的地区提供

充足的网络连接等。在远郊区县网络蜂窝相对稀少，常用的连接方式是微波链路。然而在城市地区

高密度的手机用户和无线频率复用问题需要引入微蜂窝以覆盖小范围区域、建筑物或信号盲区，而

这都需要通过连接基站收发信机（BSTs）和基站控制器（BSCs）来实现。微蜂窝传统的连接方式是

使用2048kbps铜线或微波链路，但有时也受到各种制约。E1通常采用双绞线或同轴电缆，但当链路

需要穿越河流、道路或铁路怎么办？或电信运营商的基础设施有限或不可靠，微波或其它无线连接

方式需要申请频率许可并且经常受到干扰、多径和信号反射的影响，同时随着频率使用的不断增加

城市地区对公共健康的担忧亦呼声渐高。

无线光通信在移动网络中的优势

无须申请频率许可证（有别于其它无线/微波）

无须频率规划、支付专线租金或连接费用，轻松重复部署

没有信号反射及其它无线系统干扰

即插式模块允许现场升级数据带宽或协议

性价比优越、安全可靠的解决方案

安装迅速（通常需要3个小时）

带宽可从E1、16xE1、E2、E3、STM-1升级至622Mbps甚至更高

视距范围内可靠的传输性能可达4公里（取决于不同区域）

针对恶劣气候的坚固设计，激光冷却技术延长寿命

FSO 通信系统

FSO通信系统

FSO（Free-Space-Optical）自由空间激光通信也被称作激光大气通信或激光无线传输系

统。

自从人类发明激光通信以来，从未间断过对自由空间激光通信的研究和开发，但由于各

种技术因素和高昂的成本费用，其主要应用于军事通信和太空工业领域。近年来，由于技术

进步和器件材料成本的不断降低，加之市场上对通信带宽旺盛需求和FSO技术能够提供类

似光纤的传输速度和带宽，而且无需支付频谱资源占用等其他额外费用，FSO通信系统已

开始大量的应用于民用通信系统中。

FSO通信技术有其自身的特殊性，目前主要应用于短距离的高速、高带宽接入系统及

应急通信，如语音、Ethernet、视频等。

本文主要阐明FSO技术特点、物理特性及系统设计要点。

一、FSO系统构成

FSO通信系统主要由电源子系统、光发射子系统、光接收子系统、监控子系统、恒温

除霜子系统及自动跟踪子系统组成。见图（1）

图（1）FSO系统设备框图

电源子系统：

电源子系统是给整个FSO系统能量供给的核心部件，分为AC供电和DC供电两种方数据接入侧无线侧

光模块发射模块1

速据分配模块发射模块2

发射模块3

发射模块4

接收模块 Data FX

Data & CLK RX Data TX

Data TX

Data TX SV

SV SV

SV

电源监控及系统

控制模块恒温控制

系统式。由于整个FSO设备是在室外工作的，所以，要求电源的稳定性极高，并可适应温差的

变化。

光发射子系统：

光发射子系统一般是由发射激光二极管和光学透镜组成，激光二极管可采用VCSEL、

DFB、FP等，不同的激光二极管决定着发射系统的传输速率。发射子系统的光学透镜组，

决定着光发散角的大小，也就决定了在接收端的光斑面积的大小。光斑面积越小，则光能量

就越大。因此光发散角是FSO通信系统的重要参数。大多数FSO的发散角在2个毫弧度左

右。

光接收子系统：

无线光通信—现代通信技术的新宠儿

光通信" title="无线光通信新闻专题" target='_blank'>无线光通信技术高速率数据传输系统构成光通信分为有线光通信和无线光通信两种。其中，有线光通信即光纤通信，在过去的几年中，由于人们对传输速率的要求越来越高，使用高速率数据传输的用户数量每年都在递增，光纤通信因为能传输高速率的数据，已成为广域网、城域网的骨干网络之一，如今在广域通信网中更有80%以上的信息是通过光纤传输的。无线光通信又称自由空间光通信(FSO，Free Space Optical

communication)。其作为一种光通信技术，具有三十多年的研究历史。最初，由于光学器件制造成本较高，无线光通信的研究仅限于星际通信和国防通信领域。近年来，由于光通信器件制造技术的飞速发展，导致无线光通信设备的制造成本大幅下降，尤其是其解决了从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里"的问题，人们才又逐渐开始了无线光通信的民用研究。一、无线光通信技术的现状：1、国外研究现状在FSO领域，国外已经开始了将近10年的研究，但是FSO产品真正投入使用也就是最近几年的事情。在FSO这个领域里，国外几个大的FSO厂家，包括LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam。LightPointe将自由空间光学技术用于创造、设计和制造电信公司等级的光传输设备，向电信服务商提供比传统光缆传输速度更快、成本更低的高速通讯解决方案。LightPointe的系统以超快的带宽速度提供安全可靠的无线传输，速度最高可达2.5Gbit/s，产品适应性强，可解决城市地区的连接问题。AirFiber位于美国加洲SanDiego，主要服务于大城市大楼宽带接入。它的产品称为OptiMesh，网络结构为网眼状拓扑结构，冗余备份短距离622Mbit/s无线光传输系统。Canon主要产品有：CanobeamDT-50，速率从25Mbit/s到622Mbit/s，可连接FastEthernnet、FDDI、ATM。特点是具有自动跟踪系统，调整探测器件的位置以检测激光束的光轴，所以不因建筑物的摆动而使传输中断。同时，镜头自动跟踪特性增加传输距离达2km。CanobeamIII：数据速率达到622Mbit/s，有不同的网络接口，如ATM、FDDI、FastEthernet，并可选择SNMP的TCP/IP。TeraBeamInternetSystems产品是基于IP的无光纤点到多点网络，发送和接收机，固定在办公室窗户上小卫星碟。这些卫星碟型天线的波束与安装在楼内的基站相连。

光无线通讯F S O

桂林航天光比特科技股份公司光无线通讯F S O 特点与应用浅析

向欣博应雨桐

摘要：光无线通信是利用光信号直接在空间中传输数据的新型通信技术,本文介绍了光无线通信的特点和

典型应用范围,并阐述了目前在应用中存在的技术优势和相关问题。

关键词：光无线通信技术成本可靠性

1 光无线电讯

FSO 的全称是Free Space Optical Communication,为自由空间光通信或

光无线通信。它是一种结合光通信和无线通信的产物, 有“虚拟光纤”的美誉并具

有与光纤相近的带宽。目前产品多采用高性能的红外激光作为传输手段, 使用光

学发射机和接收机配合不同的接口模块解决两点之间的无线传输问题。目前市场

上的产品可支持高达2500Mbit/s 的传输速率,传输距离可达4 0 0 0 m 。光无线

通信作为一种宽带接入方式具有高带宽、安装快速、安全性高等特点, 可以传输

数据、语音和影像等内容。在城市密集区的短距离连接方面有很大的优势, 当铺

设光缆困难或对建网速度要求快的情况下, 在建筑物之间成为替代光纤的一种

网络连接方案。

2 优点

⑴ 在带宽和传输距离上的优势：光无线通信带宽接近光纤, 传输距离也远

远超过W L A N , 使用光无线通信可以长期使用而无需升级线路设备。

⑵ 抗干扰性：由于光信号的特性, 传输过程中光束可以相互交叉而不受影

响,系统容量趋近于无限, 而且电磁环境对其传播过程也没有明显影响。

⑶ 保密性：光无线通信的波束很窄,定向性非常好。使用非可视的红外光夜

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

集线器之问的链路通常是加密的, 安全保密性较强。即使链路被发现, 窃听过程

中需要先切断链路, 因此很容易被发现, 这对于军事应急通信具有很高的应用价

值。

⑷ 部署快速：因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题. 光无线通信

可以在几小时, 或者几天内完成连接。光无线通信的无线接收器大小如同一部保

《自由空间光通信中轨道角动量智能解复用方法研究》

一、引言

自由空间光通信（Free-Space Optical Communication，FSOC）是一种基于激光束在自由空间中传输信息的技术，具有传输速度快、容量大、抗干扰能力强等优点。近年来，随着信息技术的飞速发展，传统的通信方式已经无法满足日益增长的数据传输需求。因此，轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）作为一种新型的通信技术，在自由空间光通信中得到了广泛的应用。本文将重点研究轨道角动量智能解复用方法在自由空间光通信中的应用。

二、轨道角动量技术概述

轨道角动量技术是利用光束的相位和强度变化携带更多的信息，提高光通信系统的信道容量。在自由空间光通信中，轨道角动量可以作为一种复用技术，通过不同的光束携带不同的信息，实现多路复用传输。然而，由于光束在传输过程中会受到各种干扰和噪声的影响，导致接收端难以准确地将不同的光束分离和解析。因此，需要采用智能解复用方法来解决这一问题。

三、智能解复用方法研究

（一）智能解复用方法的理论基础

智能解复用方法主要是通过引入先进的算法和计算机技术，实现对轨道角动量的高效检测和解析。其理论基础包括光学原理、信号处理技术、机器学习等。通过分析不同光束的相位、强度等信息，结合算法进行信号处理和解析，实现对不同信息的准确传输和接收。

（二）智能解复用方法的研究现状

目前，国内外学者针对轨道角动量的智能解复用方法进行了广泛的研究。主要研究内容包括算法设计、实验验证和应用实践等方面。在算法设计方面，主要采用了深度学习、神经网络等先进的计算机技术，实现对光束的准确检测和解析。在实验验证方面，通过搭建实验平台，对不同算法进行验证和优化。在应用实践方面，已经将智能解复用方法应用于自由空间光通信系统中，实现了多路复用传输和高速数据传输。

（三）本文的研究重点

本文将重点研究基于机器学习的轨道角动量智能解复用方法。首先，通过对不同光束的相位、强度等信息进行采集和处理，提取出有用的信息。然后，利用机器学习算法对提取的信息进行训练和优化，实现对不同信息的准确检测和解析。最后，将该方法应用于自由空间光通信系统中，验证其性能和可靠性。