自由空間光通信

自由空間光通信

　　空間激光通信系統(tǒng)是指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。自由空間激光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強(qiáng)國(guó)在空間激光通信領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進(jìn)展。

傳輸原理

　　大氣傳輸激光通信系統(tǒng)是由兩臺(tái)激光通信機(jī)構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號(hào)（聲音或數(shù)據(jù)），接收并解調(diào)來(lái)自對(duì)方的激光脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙工通信。圖1所示的是一臺(tái)激光通信機(jī)的原理框圖。圖中系統(tǒng)可傳遞語(yǔ)音和進(jìn)行計(jì)算機(jī)間數(shù)據(jù)通信。受調(diào)制的信號(hào)通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)電路使激光器發(fā)光，從而使載有語(yǔ)音信號(hào)的激光通過(guò)光學(xué)天線發(fā)射出去。另一端的激光通信機(jī)通過(guò)光學(xué)天線將收集到的光信號(hào)聚到光電探測(cè)器上，然后將這一光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將信號(hào)放大，用閾值探測(cè)方法檢出有用信號(hào)，再經(jīng)過(guò)解調(diào)電路濾去基頻分量和高頻分量，還原出語(yǔ)音信號(hào)，最后通過(guò)功放經(jīng)耳機(jī)接收，完成語(yǔ)音通信。當(dāng)開關(guān)K擲向下時(shí)，可傳遞數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)間通信，這相當(dāng)于一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)。它由計(jì)算機(jī)、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、大氣傳輸信道等幾部分組成。

　　接口電路將計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器連接起來(lái)，使兩者能同步、協(xié)調(diào)工作；調(diào)制器把二進(jìn)制脈沖變換成或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ?，其目的是在不改變傳輸結(jié)果的條件下，盡量減少激光器的發(fā)射總功率；解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，把接收到的已調(diào)制信號(hào)進(jìn)行反變換，恢復(fù)出原數(shù)字信號(hào)將其送到接口電路；同步系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一，其作用是使通信系統(tǒng)的收、發(fā)端有統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，步調(diào)一致。

關(guān)鍵技術(shù)分析

　　高功率激光器的選擇

　　激光器用于產(chǎn)生激光信號(hào)，并形成光束射向空間。激光器的好壞直接影響通信質(zhì)量及通信距離，對(duì)系統(tǒng)整體性能影響很大，因而對(duì)它的選擇十分重要?？臻g光通信具有傳輸距離長(zhǎng)，空間損耗大的特點(diǎn)，因此要求光發(fā)射系統(tǒng)中的激光器輸出功率大，調(diào)制速率高。一般用于空間通信的激光器有三類：

　　二氧化碳激光器。輸出功率最大(>10kw)，輸出波長(zhǎng)有10.6　m和9.6　m，但體積較大，壽命較短，比較適合于衛(wèi)星與地面間的光通信。

　　Nd：YAG激光器。波長(zhǎng)為1064nm，能提供幾瓦的連續(xù)輸出，但要求高功率的調(diào)制器并保證波形質(zhì)量，因此比較難于實(shí)現(xiàn)，是未來(lái)空間通信的發(fā)展方向之一。采用半導(dǎo)體泵浦的固體激光器，若使半導(dǎo)體發(fā)射譜線與Nd：YAG激光器吸收譜線一致，可減少熱效應(yīng)，改善激光光束質(zhì)量，提高激光源綜合性能。這種激光器適合用于星際光通信。

　　二極管激光器（LD）。LD具有高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，并且可以直接調(diào)制，所以現(xiàn)在的許多空間光通信系統(tǒng)都采用LD作為光源。例如波長(zhǎng)為800～860nm的ALGaAs　LD和波長(zhǎng)為970～1010nm的InGaAs　LD。由于ALGaAs　LD具有簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，并且與探測(cè)、跟蹤用CCD陣列具有波長(zhǎng)兼容性，在空間光通信中成為一個(gè)較好的選擇。

　　快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)（ATP）技術(shù)

　　這是保證實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離光通信的必要核心技術(shù)。系統(tǒng)通常由以下兩部分組成：

　　捕獲（粗跟蹤）系統(tǒng)。它是在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，捕獲范圍可達(dá)±1°～±20°或更大。通常采用CCD陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同完成粗跟蹤，即目標(biāo)的捕獲。粗跟蹤的視場(chǎng)角為幾mrad，靈敏度約為10pW，跟蹤精度為幾十mrad；

　　跟蹤、瞄準(zhǔn)（精跟蹤）系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在完成目標(biāo)捕獲后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。通常采用四象限紅外探測(cè)器（QD）或Q-APD高靈敏度位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并配以相應(yīng)伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場(chǎng)角為幾百祌ad，跟蹤精度為幾　rad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。

　　精密可靠高增益的收、發(fā)天線

　　為完成系統(tǒng)雙向互逆跟蹤，空間光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)一體天線，隔離度近100%的精密光機(jī)組件。由于二極管激光器光束質(zhì)量一般較差，要求天線增益高，另外為適應(yīng)空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。目前天線口徑一般為幾厘米至25厘米。

大氣信道

　　在地－地、地－空激光通信系統(tǒng)信號(hào)傳輸中，大氣信道是隨機(jī)的。大氣中氣體分子、水霧、雪、氣溶膠等粒子，幾何尺寸與二極管激光波長(zhǎng)相近甚至更小，這就會(huì)引起光的吸收和散射，特別在強(qiáng)湍流情況下，光信號(hào)將受到嚴(yán)重干擾。因此如何保證隨機(jī)信道條件下系統(tǒng)的正常工作，對(duì)大氣信道工程研究是十分重要的。自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以較好地解決這一問題，并已逐步走向?qū)嵱没?/p>

　　總之，空間光通信是包含多項(xiàng)工程的交叉科學(xué)研究課題，它的發(fā)展與高質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器、精密光學(xué)元件、高質(zhì)量光濾波器件、高靈敏度光學(xué)探測(cè)器及快速、精密光、機(jī)、電綜合技術(shù)的研究和發(fā)展密切不可分，光電器件、激光技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為空間光通信奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

發(fā)展趨勢(shì)

　　星際自由空間光通信技術(shù)的可行性問題已經(jīng)解決，雖然至今尚未真正實(shí)現(xiàn)星際通信，但是發(fā)射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準(zhǔn)要求、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進(jìn)步，相信不遠(yuǎn)的將來(lái)將取代微波通信成為星際通信的主要手段。

　　地面空間光通信將作為一種主要手段進(jìn)入本地寬帶接入市場(chǎng)，特別是那些通常沒有光纖連接的中小企業(yè)。

　　微波系統(tǒng)和自由空間光通信系統(tǒng)在許多方面可互為補(bǔ)充，前者能提供大區(qū)域內(nèi)低速通信，而后者能提供小區(qū)域內(nèi)高速靈活的連接。各種系統(tǒng)的無(wú)縫連接能使用戶得到更方便的服務(wù)。此外，微波系統(tǒng)還可與自由空間光通信系統(tǒng)互為備份，在天氣惡劣甚至無(wú)法進(jìn)行光通信時(shí)，啟動(dòng)微波通信系統(tǒng)，可以大大提高通信系統(tǒng)的適用性和可靠性。

　　在戰(zhàn)場(chǎng)上，當(dāng)受到敵方強(qiáng)電磁輻射干擾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微波通信系統(tǒng)失效，而光纖通信系統(tǒng)既無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)建立起來(lái)，也不能滿足機(jī)動(dòng)性要求。此時(shí)自由空間光通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)立刻顯現(xiàn)：它能在極短的時(shí)間內(nèi)建立，還對(duì)電磁干擾免疫，所以自由空間光通信在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

研究重點(diǎn)

　　光源

　　光源的波長(zhǎng)應(yīng)選擇在透過(guò)率良好的“大氣窗口”。發(fā)射功率要考慮到人眼的安全。對(duì)于光源，除了要求輸出光束質(zhì)量好、工作頻率高、出射光束窄以外，還要考慮激光器的輸出功率穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、光束方向穩(wěn)定性和工作壽命等。因此有必要對(duì)新激光光源技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。多模二極管激光器光譜較寬，大氣色散等因素會(huì)引起一定的脈沖擴(kuò)展，從而限制通信速率，因此需要做進(jìn)一步的分析。自由空間光通信系統(tǒng)原來(lái)多采用800nm波段光源，這是由于此波段的激光器體積小、重量輕、效率高，比較成熟，有成品；同時(shí)該波段也有比較成熟的銫原子濾波器。近年來(lái)，隨著光纖通信技術(shù)的成熟，自由空間光通信的工作波段有向1550nm波段發(fā)展的趨勢(shì)。

　　發(fā)射和接收天線

　　發(fā)射和接收天線的效率都會(huì)對(duì)自由空間光通信系統(tǒng)的接收光功率產(chǎn)生重要影響。發(fā)射天線可以設(shè)計(jì)成接近衍射極限，盡管可以獲得最小的光斑，但也給精確對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)困難；為了接收更多的信號(hào)能量，接收天線的直徑越大越好，同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的體積、重量和成本。所以，研制體積小、重量輕、光學(xué)增益大的新型接收天線對(duì)提高接收靈敏度有非常重要的意義。

　　大氣信道

　　對(duì)于大氣對(duì)激光通信信號(hào)的干擾的分析，目前僅局限于大氣的吸收和散射等，很少涉及到大氣湍流引起的閃爍、光束漂移、擴(kuò)展以及大氣色散等問題，而這些因素都會(huì)影響接收端信號(hào)的信噪比，從而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。因此，有必要在這方面做更深入詳盡的分析，并提出解決以上問題的技術(shù)方案。例如，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是一個(gè)值得重視的研究方向。

組網(wǎng)及其他技術(shù)

　　各國(guó)紛紛把光纖通信的成熟技術(shù)和器件引入激光通信，波分復(fù)用技術(shù)和光放大器技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于自由空間光通信。隨著自由空間光通信技術(shù)的不斷完善，由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展是大勢(shì)所趨。有專家預(yù)測(cè)，未來(lái)的自由空間光網(wǎng)絡(luò)將形成一個(gè)立體的交叉光網(wǎng)，可在大氣層內(nèi)外和外太空衛(wèi)星上形成龐大的高容量通信網(wǎng)，再與地面上的光纖網(wǎng)絡(luò)相溝通，滿足未來(lái)的各種通信業(yè)務(wù)需求。

保密通信

　　自由空間光通信的安全保密性較好，因?yàn)榧t外激光的波束窄且不可見，很難在空中發(fā)現(xiàn)其通信鏈路。同時(shí)，激光束定向性好，如果想截取，一般需要在鏈路中插入，這是很難做到的，而即使被截取，用戶也會(huì)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殒溌繁恢袛唷Ｒ虼?，自由空間光通信系統(tǒng)比微波系統(tǒng)安全得多。但是經(jīng)分析論證，由于自由空間光通信信道的開放性，竊聽信號(hào)而又不阻斷光束的傳播，也是可以做到的。所以深入研究自由空間光通信的保密方法和技術(shù)是十分必要的。

　　自由空間光通信存在的主要問題有以下幾點(diǎn)：

　?。?）FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過(guò)一定距離時(shí)波束就會(huì)變寬導(dǎo)致難以被接收點(diǎn)正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠(yuǎn)只能達(dá)到4Km。多種因素影響其達(dá)不到99.999%（五個(gè)9）的穩(wěn)定性。

　?。?）FSO系統(tǒng)性能對(duì)天氣非常敏感是FSO的另一個(gè)主要問題。晴天對(duì)FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對(duì)傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測(cè)試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國(guó)外為解決這個(gè)難題，一般會(huì)采用更高功率的激光器二極管、更先進(jìn)的光學(xué)器件和多光束來(lái)解決。

　?。?）城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動(dòng)將影響兩個(gè)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)。

　?。?）激光的安全問題也會(huì)影響其使用，超過(guò)一定功率的激光可能對(duì)人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)