大气激光通信接收系统的光学天线
设计报告
大气激光通信，是近年来出现的通信研究热点。它是以大气为媒介，让载波激光在大气中传输有效信息，达到通信目的。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，是“无线＋带宽”的有效解决方案。
一个简单的大气激光通信终端由声像信号编码、激光发射光学天线、激光接收光学天线、声像信号滤波解码等部分组成。对于接收端光学天线，应尽量多地接收包含目标信号在内的自由空间微弱光辐射，然后将光信号耦合到滤波器的接收端，滤除“噪声”，保留目标信号。
所以对于接收端的光学天线，其光学特性特点：入瞳直径大、具有一定视场、相对孔径大、工作波长一般为近红外（与激光器波长有关，常取 1.55 μm，透过率高、大气损耗小、人眼安全），结构尽量简单以增加透过率。
光学系统设计：
1、要求：
焦距：60mm，D/F=1/1.2,视场角+0.1°,激光波长1.55微米，波长漂移1.53-1.57
微米。
探测器的光敏面直径为0.3mm
该天线属于大孔径，小视场光学系统，可以采用望远镜物镜或照相物镜形式，工作波长为近红外，波长带宽不算很宽，为获得足够透过率，天线片数要少，可以采用无色光学玻璃材料。
像差校正主要集中在轴上点的单色像差和高级像差，色差估计不大，也加以控制。像质评价可以采用弥散圆和MTF指标。
2、过程：
输入表中数据，孔径光阑放在第1光学面上，第8面到Image面的距离（像距）可以取为近轴像距，确定方法为：用鼠标单击“Lens Data Editor”中第8面的“Thickness栏”，选择该栏并右击鼠标，从弹出的“下拉选项框”中选取“Marginal Ray Height”，设置Height和Pupil Zone均为0，表示近轴，确定以后，该栏计算得到的数据后会有“M”显示。
选择“System → Wavelength…→波长输入对话框”，输入波长1.53，1.55，和1.57，选择主波长为1.55
选择“System → Field…→视场输入对话框”，选择Angle，在Y-field框中
输入视场1为0，视场2为0.05，表示物点在子午面内
选择“System → General…→ Aperture →孔径输入对话框”，选择Aperture Type为Entrance Pupil Diameter，在Aperture Value中输入34
选择“Tools → Make Focal →输入数据”中输入60，后选择“OK”，完成焦距缩放，并将厚度（Thickness）一栏数据归整后，得到优化前的初始结构数据。
系统弥散圆如图所示
3、优化设计
该结构形式可以用做优化变量的数据有：8个曲率半径，第6个空气间隔，必要时还可以将玻璃作为变量。要校正的像差有6个，同时需要控制焦距f’=60 mm。将8个曲率半径设为变量。
使用Default Merit Function建立缺省评价函数进行优化。
选择“Editors →Merit Function →打开评价函数编辑器”，在第1行中先输入EFFL，第2,3行中输入OPLT、OPGT控制焦距范围，再选择“Tools →Default Merit Function →Spot Radius →Start”中输入4，再选择“OK”，可以建立缺省评价函数。
将Lens Data Editor中第1~8个曲率半径设置成变量后，从主菜单中选择Tools →Optimization→ Automatic”，ZEMAX将进行优化设计，评价函数下降到0.001679965，此时点列图等像质指标得到很大改善。点列图如图所示，
MTF得到很大提高，在空间频率50pl/mm处，MTF达到0.7。
缺省评价函数优化后的结构参数
光学接收天线示意图
感想：
本学期计算机辅助设计的课程和练习，使我对ZEMAX光学设计软件有了一定程度的了解，初步明确了ZEMAX软件的基本功能和在光学设计中的应用。通过完成课程作业——大气激光通信接收系统的光学天线的设计，了解了光学系统设计的基本思路，明确了进行光学系统设计的基本方法。在完成课程作业的过程中，我更
认识到了自己在光学基础和实用光学设计方面知识的欠缺，这是在今后学习中需要着重加强的部分。此外，通过查阅文献资料，还使我认识到，光学系统设计并不是一个理论上的设计过程，还要考虑许多其它因素，如环境、性价比、加工难易程度等等。课程的学习使我了解了光学设计的基本思路，掌握了一个软件，提升了自己的专业能力，也让我更明确了理论与实践相联系的重要，让我受益匪浅。同时要感想老师的指导和同学的帮助！
激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统
激光基础知识 1.1 激光的产生 三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质； 2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转； 3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；
1.2 激光光束的特性 1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)； 若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度 2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度） 3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。 4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）
1.3激光器的输出特性 1）激光波长——激光器输出准单色光； 不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。 2）激光输出的能量和功率 连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒 脉冲激光: 峰值功率P = 脉冲能量E / 脉冲宽度T m 脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f
3）激光束的空间分布特性—— 基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布； 振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角； 为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法 高斯光束的参数： 束腰； 等相位面； 发散角；
激光通信的应用 1． 激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2． 激光通信： 定义1：利用激光进行信息传递的通信。 定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3． 激光通信的原理： 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒 子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点： 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。
大气激光通信系统的研究 摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。 本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。 并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。 关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器 一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。 大气激光通信系统的主要应用和优点
摘要 LED作为冷光源和节能光源，正在不断发展和普及。所以利用这个新的光源来通信，也变成了目前研究的热门课题之一。LED光传输技术就是利用常见的LED等室内照明设备，发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的通信信号，以无线通信的方式来传输数据。采用无线光通信最大的特点就是它的波长范围大，可以将可见光讯号用不同的波长来进行信号的传输。可见光还有无电磁辐射、易保密等特点，尤其搭借了照明平台，所以不需要采用另外的传输介质，采用广播方式，受体的数量即容量受到的制约小，但是其缺点是不易实现双向的通信。 这次毕业设计的主要内容是尝试设计并制作一个LED通信试验系统，通过对频率的调制，发出特定的编码信号，接收方利用光电敏感器件接收调制光，解调后还原成数据信号。最后，本次毕业设计完成了基本功能的LED发射管、接收管的发射和接收工作，并且尝试将其时分复用和频分复用。在发送端添加了温度传感器和超声波测距传感器，数码管显示，在接收端用1602液晶屏幕显示出来。两者的对比，反应出通信的正确性。 本设计是基于两个89C51单片机，利用红外led发射装置和HS0038接收装置设计的简单慢速通信。目标是熟悉单片机的编程思路和学习通信的基本原理。基本的慢速光通信在传感器与单片机之间的通信上有着广泛的应用。 关键词：LED;调解;解调;频分复用;时分复用 I
Abstract As a cold light and energy-saving light source, LED is rapidly developing and being popularization. So using this new light source to communicate has become a hot research topic nowadays. The technology of LED light transmission is to using common LED indoor lamps. Communication signal of high speed light by the naked eye can not feel the flashing, in a way of wireless communication to transmit data. The most special characteristic of light communication is that the light wavelength range is very long, and visible light can be signal transmission in different wavelength. Visible light and no electromagnetic radiation, such as confidentiality, especially a borrowed lighting platform, so do not need to use the transmission medium, the broadcast, the number that is restricted by receptor capacity is small, it is not easy to achieve two-way communication. The main purpose of this paper is to try to design a LED communication system, through the modulation of the frequency coding signal, the photoelectric sensitive device receives the light modulation, demodulation back into the data signal. Finally, the graduation design, completed the basic function of the LED launch tube, receiving tube emission and reception work, and try to time division multiplexing and frequency division multiplexing. The temperature sensor and the ultrasonic ranging sensor is added in the transmitter, the digital tube display, the receiver with 1602 LCD screen display. The contrast of the two, reflect the correctness of communication. The design is based on two MCUs, simple slow communication using infrared LED emission device and HS0038 receiver design. The target is the basic principle of the programming ideas and learning communication with single-chip microcomputer. Slow light communication basic is widely used in communication between sensor and MCU. Keywords: LED; mediation; demodulation; frequency; division; II
可见光通信系统研究 摘要 目前室内无线通信能满足要求的最好选择就是白光LED。白光LED在提供室内照明的同时，被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已经达到5W，发光效率也已经达到90lm/W，其发光效率（流明效率）已经超过白炽灯，接近荧光灯。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W（可以完全取代现有的照明设备）在不久的将来即可实现。因而LED照明光通信技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。论文主要对基于白光LED的室内可见光通信系统进行了研究。 本文在对白光LED用作通信光源时的伏安特性、光谱特性和调制特性等物理特性做深入分析的基础上，重点研究了白光LED照明光源通信系统的组成结构和系统设计，并设计出了白光LED调制和发射电路。给出了一种求LED照明灯室内布局的方法，仿真结果表明，该方法可以较好地解决可见光通信系统的室内LED照明灯的最优布局问题。采用直射式链路形式和光强度调制一直接检测技术，可以实现对白光LED的高速调制，并设计出了用于接收可见光信号和信号解调的光接收电路，完成了白光LED的可见光通信收发实验并给出了实验结果。 绪论 VLC VLC是一种在白光LED技术上发展起来的新兴的无线光通信技术。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点，特别是其响应灵敏度非常高，因此可以用来进行超高速数据通信。与传统的射频通信和FSO相比，VLC具有发射功率高、无电磁干扰、节约能源等优点，在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁，因而VLC技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究。 与FSO和射频通信相比，VLC主要有一下几个优点： 1 可见光对人体相对安全，无伤害。Vlc系统主要使用室内LED照明灯来传送数据，对人体辐射小。 2 VLC无处不在。几乎生活中的每一处都有照明灯，因此用于通信的照明灯可以安装在任何地方，可以比较方便的传输无线数据。 3 发射功率较高。相比于红外通信，由于红外通信对人的眼睛损伤较大，发射功率需要压制到相当低，系统的性能因此将受到严重的限制。而对于射频通信，其射频信号对人体的损伤又比较大，也需要限制其
[实验十] 激光光学系统（演示型实验） 一、实验目的 1.了解激光器的种类 2.掌握激光器的发光原理 二、实验内容 掌握实验步骤，观察各种激光器产生的光斑现象。 三、实验仪器 CO 2 激光器、半导体甭浦激光器、Ar+激光器、He-Ne激光器、Nd:YAG激光器、导轨、小孔光阑、调节架、针孔（25μ）、显微物镜、透镜及夹持器 四、实验原理 具有代表性的典型激光器主要有气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器等。气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。它是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的。气体激光器常用的泵浦方法是电激励，即令足够大的电流通过气体介质来完成泵浦的。由于气体的光学均匀性较好，较之固体激光器和半导体激光器其输出光束的质量(如单色性、相干性等)也较好。气体激光器中又包括由原子激光器、离子激光器和分子激光器。原子激光器是利用气体或蒸气形式下的中性原子作为工作物质，常见的有He-Ne激光器；离子激光器是利用气体离子激发态之间的跃迁来产生激光的一种气体激光器，常见的有Ar+激光器；分子激光器是利用未电离的气体份子作为工作物质的一种气体 激光器，如：CO 2 激光器。 固体激光器的基本组成包括工作物质、泵浦系统、谐振腔、冷却与滤光系统四部分。其中，工作物质是激光器的核心，固体工作物质是把金属离子掺入基质而形成的，发光粒子就是工作物质中的金属离子(称为激活离子)，工作物质的物理、化学性能主要决定于基质材料，而它的光谱特性则主要由激活离子的能级结 构所决定。常见的有掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器 ,这是在基质Y 3Al 5 O 12 (YAG) 中掺入钕离子（Nd3+）,部分取代YAG中的钇离子（Y3+）而成为Nd3+:YAG。另外还有半导体激光泵浦激光器也属于固体激光器。 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器，它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。 每一种激光器的发光机理各不相同，具体问题可具体分析。
激光无线通信技术 激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。 激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。
美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。
应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率 卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信 由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信 此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm 的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。 限制因素： 但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。 其次，空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。
[实验十一] 傅立叶光学系统（演示型实验） 一、实验目的 1.了解傅立叶变换理论； 2.掌握联合变换相关器的使用方法 二、实验内容 掌握仪器的开关顺序，观测通过装置所产生的实验结果。 三、实验装置 光电混合联合变换相关器、电脑控制系统 四、实验原理 1.傅里叶变换 傅立叶变换形式如下： ?∞∞--= dx e x g f G fx j π2)()( （1） ?∞ ∞-=df e f G x g fx j π2)()( （2） 这两个积分即傅立叶积分。)(f G 称为)(x g 的傅立叶变换或频谱。若)(x g 表示某空间域的物理量，)(f G 则是该物理量在频率域的表示形式，)(x g 和)(f G 构成傅立叶变换对。 二维傅立叶变换是一维傅立叶变换的推广： dxdy y f x f j y x g f f G y x y x )(2exp[),(),(+-=∞ ∞ -??π （3） y x y x y x df df y f x f j f f G y x g )](2exp[),(),(+=∞ ∞-??π （4） 2.联合变换相关器原理 联合变换相关的主要特征是参考图像与目标图像同时输入光学运算系统，在第一个傅立叶变换平面上记录联合变换功率谱，联合变换功率谱经过第二次傅立叶变换后，获得一对相关输出。 将准直的相干单位振幅光入射到物体),(y x w 上，物体被写入光空间调制器，设输入图像为： ),(),(),(y x h y x t y x w += （5） （),(),(y x h y x t ≠） 其中),(y x t 是目标图像，),(y x h 是复杂背景图像，另设参考模板为),(y x r ，这样，通过目标),(y x t 与参考模板),(y x r 的光学相关得到的相关峰函数t r ?或者r t ?，
大气激光通信机基本参数测试 2011/08/19 【产品介绍】 此红外线传输设备为上海毅得通讯设备有限公司生产的AO-1系列，可以在300m 至4000m 之内保证高质量的宽带数据通信，通信速率为155Mb/s （11/13/14）和622Mb/s(12)，通信端机正面示意图如图1： Pin 探测器 口径 红光指示发射器 图1 通信端机正面示意图 通信端机背面示意图如图2： 尾纤 外置光源尾纤 显示区 PIN 探测器显示区 显示区域 接线区域 望远目镜 图2 通信机背面示意图
图2中， TX：外接光源指示灯，灯亮表示正常 PW：电源接通指示灯，灯亮表示正常 LD1：指示红光指示灯，灯亮表示正常 LD2：内置光源指示灯，灯亮表示正常，内置LD6dBmW（4mW），发散角为0.8mrad。 PIN探测器显示区显示1023为最小，显示0000为最大，155M动态范围为：-4~-30db。 电源红线接地，黄线接负极。 1.通信机信号光源发射端前功率 使用3Sigma功率计及PM3探头，因为通信机光源发射端面处的光斑直径比较小（小于PM3探头面积），且功率小于4mW ，故将光直接打在PM3探头上分别测量信号光源发射功率，测试结果如表1： 表1通信机信号光源发射端前功率 1号通信机相比2号通信机功率略小。 产品说明中提到内置LD的发散角为0.8mrad，在做整体实验前，我们需要对其进行测量。在科技楼12楼楼道内，将通信端机置于楼道一端，因激光器有一定的发散角，（假定激光器束腰在距发射端口较近的距离下，在相距40m的距离处形成一定直径的光场分布（初步估计约约3~4cm）。我们采用3Sigma功率计及OP-2功率探头（直径5mm）对此处光场分布进行测量。）。在试验时，距离发射机端口有近及远测量中，发现在约40m处，OP-2（直径5mm）探头接收到的功率最大，说明激光器的束腰在该位置。要想测得其发散角需要进行远距离测试。 2.1（2）号指示红光与2（1）号接收口径轴线夹角
自上个世纪以来，由于通信技术发展极为迅速，中波、长波、超长波、短波、超短波以及微波通信以惊人的速度向前发展。然而事物的发展总是离不开矛和盾，随着电子通信技术的发展，电子对抗也就随之产生并发展起来了，电子侦察已成为现代作战获取情报的重要手段。无线电通信的电磁波犹如空气一样遍及全球，给敌方的无线电侦听带来了十分便利的条件，很容易泄密，给军事行动造成意想不到的损失。因此世界各国无不在保密方面狠下功夫，制定了各种保密措施防止无线电通信泄密。利用有线电通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失的。因为信号电流在导线周围会产生磁场，根据电磁感应原理：电生磁，磁生电，同样也很容易遭到敌方的窃听造成泄密。无线电波很容易被敌方接收，即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年代里也很容易被破译，于是人们感到必须改变传统的通信手段，才能适应保密的需要。１９６０年７月，光家族的新秀―――激光问世了，伴随激光的产生，一种新颖奇特的通信―――激光通信也进入了人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点给通信业的发展带来了明媚的春天，成为现代通信领域中引人入胜的“热门”。激光作为一种光波，虽然和电磁波有所不同，但是它仍属于电磁波家族中的成员，具有电磁波的特性，能在空间以波动的形式传播。但是它和电磁波又有区别，它的频率极高，具有奇特的粒子性。 随着激光技术的发展，激光通信也出现了两种方式：一是“有线”的光纤通信；二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有自己的保密特性。 光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江、河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏，尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非，使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现，它也不像金属导线那样容易“旁路”窃听；弄不好纤细的玻璃纤维竟会立即断成几节，散落四处，使侦听的企图落空，可谓“宁碎不泄密”。 大气激光通信中激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好，不像电磁波那样在空中到处乱窜，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，由于激光通信的频率极高，比微波的频率起码高１０万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，难以截获和破译。 因此看来，激光通信具有天然的保密性，它将给军事通信事业开辟崭新而广阔的天地。
激光通信技术简介 日前，由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波，在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强，还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点，将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。 未来，空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术，并实现与地面光纤网络的互补，从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网，彻底颠覆现有的全球通信系统，成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好，世界!”这句看似普通的话，或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频，跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技术，传统的无线电传输则至少需要10分钟。 从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷，不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量，想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是，随着空间通信数据形式的不断丰富，单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求，易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。 曾几何时，人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信，将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后，利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信，可能还有点陌生，但如果一提到光纤通信，我想大家都耳熟能详。其实，光纤通信只是激光通信的一个具体应用，是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送，并在外太空等自由空间内进行信息传输，到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910158419.2 (22)申请日 2019.03.04 (71)申请人 兰州理工大学 地址 730050 甘肃省兰州市七里河区兰工 坪路287号 (72)发明人 曹明华 武鑫 王惠琴 彭清斌 康中将 张伟 杨顺信 (74)专利代理机构 兰州振华专利代理有限责任 公司 62102 代理人 董斌 (51)Int.Cl. H04B 10/11(2013.01) H04B 10/079(2013.01) H04B 10/548(2013.01) H04B 17/382(2015.01) H04B 17/391(2015.01)H04L 25/03(2006.01) (54)发明名称 一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方 法 (57)摘要 一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方 法，该方法发端引入FTN技术， 将QPSK信号转换成FTN信号，使符号速率大于Nyquist速率；收端利 用数字信号处理(DSP)技术，即CMA线性均衡器技 术，有效的补偿了引入FTN技术带来的码间干扰。 相对于传统的QPSK传输系统，FTN技术的引入有 效提高了大气激光通信系统的传输速率及频谱 效率，并且改善了大气激光通信系统的误码性 能，这对实际工程中移动通信系统的具体设计由 一定的参考价值。权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 109743106 A 2019.05.10 C N 109743106 A
1.一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法，其特征在于，发端引入FTN技术构建大气激光通信系统，使符号速率大于Nyquist速率，从而提高系统的传输速率；接收端利用数字信号处理技术，即CMA线性均衡器技术，能有效的补偿了由FTN技术带来的码间干扰，实现了系统频谱效率的提高；计算湍流信道下FTN传输系统的平均误码率。 2.根据权利要求书1所述的大气激光通信的FTN速率传输方法，其特征在于，其步骤为：步骤1：在发送端，X、Y两路二进制信息序列首先被分别映射成QPSK信号x n 和y n ，再经FTN 成形滤波器后生成FTN信号x FTN 和y FTN ； 其中，x n 、y n 分别为独立的复数符号，g(t)为信号脉冲波形， 且k＝0,±1,±2,…，τ(0＜τ＜1)为加速因子； 步骤2：两路FTN信号分别通过IQ调制器调制到激光上形成x(t)、y(t)两路偏振信号，再经偏振耦合器耦合后s(t)由光学天线发出； 步骤3：假设光学接收天线接收的两路接收信号分别为r x (t)、r y (t)；两路光信号与本振光信号r LO (t)分别经过2×4 90°混频器、光电平衡探测器后形成四路电信号；将四路信号分别合并成r 1(t)、r 2(t)两路复数信号， 再经匹配滤波器后分别进行ADC采样得到 其中，E s 为脉冲能量，P t 为平均发射光功率，P LO 本振光光功率，h为光强衰落系数，η为光电转换系数， X、 Y两路信号噪声的相关性可表示为： 对于噪声信号 其方差为其中，G(f)为g (t)的频谱函数；假设理想情况下匹配滤波器完全匹配，则 步骤4：将采样后的信号送入DSP模块进行处理，并恢复出用户信息，其中，均衡器采用CMA线性均衡器，主要目的是补偿合并后复信号间的码间干扰；经CMA均衡器输出判决变量 为： 权 利 要 求 书1/2页2CN 109743106 A
激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮，许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、财力和物力，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳气体激光器、YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等。二氧化碳气体激光器输出激光波长为10.6μm，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信用光源。与激光大气通信技术研究基本同步展开的还有光纤波导通信，从而在技术上形成了激光通信中与传统通信相对应的激光无线通信（激光空间通信）和激光有线通信（激光光纤通信）。 1975年，世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国芝加哥开通，揭开了光纤通信应用的序幕。此后，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信从80年代起在全世界掀起了应用的热潮，并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的发展和推广应用。与此同时，激光大气通信技术由于器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素一时得不到很好的解决和弥补，便在轰轰烈烈的光纤通信热潮中，隐退得几乎无影无踪。 1.存在的主要问题 一段时间以来，激光大气通信技术之所以难以得到应有的发展和推广应用，存在的主要技术问题是： 对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题;大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，其结果使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响，有许多技术工作要做；
驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件的制作；灵敏度高、噪声特性好，适合于常温环境下工作的接收器件的制作；体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作；背景噪声的滤除技术问题；如果采用窄带光滤波技术，又是存在激光器的频率稳定技术；在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用，自动跟瞄技术也很关键。上述可归纳为：解决全天候、高机动性和高灵活性稳定可靠工作问题。 2.悄然复兴的激光大气通信技术 激光问世后，将激光应用于通信的想法就随之产生了。在国际上，美国、英国、日本、前苏联等国家，广泛开展了对激光大气通信的深入研究。 然而，进入80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了进一步研究。有的国家甚至还宣布了走激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”。尽管如此，国内外仍有单位和人员始终在坚持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。 1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了该公司研制的一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。1989年美国FARANT1仪器公司成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统。1990年，美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信，这种通信系统完全符合战术任务的要求，通信距离为5~2km。如果对光束进行适当处理后，通信距离可达5~10km。
浅谈激光大气通信及其军事应用 随着社会信息化建设的不断发展，人类对通信的要求越来越高，激光大气通信以其独特的优势而备受重视，尤其在军事通信中更是如此。文章简要回顾了激光大气通信的发展历程，论述了激光大气通信的优点，并由此对其军事应用进行了阐述。 标签：激光大气通信；优点；军事应用 2014年6月6日，美国航天局宣布，该机构利用激光束从距离地面400多千米且高速运行的国际空间站上，将一段高清视频传送回地面。这项演示的成功可能会根本性地改变未来太空通信技术，标志着激光通信进入一个新的发展阶段，更进一步增强人类对激光通信发展前景的信心。 通信是人类进行信息交流的重要手段，随着科学技术的发展，人类已进入信息社会，信息量之大、信息增长速度之快前所未有，军事通信作为现代战争的中枢神经系统，尤其受到各国军方的高度重视，因此改进通信技术手段、提高通信速度、增强通信保密性是通信研究的重要内容。激光大气通信由于其独特的优势而格外受到重视，但其发展历程却不是一帆风顺的。 1 激光大气通信简要发展历程 激光是一种特殊的光，因此提到激光通信，人们很自然地联想到光通信。广义地讲，光通信不仅起源早，且在当今社会也被广泛运用，如古时的烽火台、现代的旗语、交通红绿灯、信号弹等，都是利用光进行信息传递的；但从狭义上理解，这些都是用可见光进行的视觉通信，是非常原始的方式，称不上是完全意义上的光通信；真正意义上光通信指的是运用光作为载体而传送信息的通信方式。光在大气中的传送要受到气象条件的限制，此外，太阳光、灯光等光源，并不适合作为通信光源，因为从通信技术上看，它们都带有“噪声”。 1960年7月，梅曼发明了红宝石激光器，从此人们便可获得频率稳定的光源。激光问世后，人们就产生了将激光应用于通信的想法。美、英、日、前苏联等国家，对激光大气通信进行了深入研究。虽然在80年代中后期，激光大气通信技术研究遇到“瓶颈“，但科学家们始终在坚持不懈地探求解决激光大气通信技术问题，先后攻克激光大气通信多项关键技术难题，使激光大气通信的距离不断提高，如前文所述，2014年6月5日，美国航天局将激光大气通信的距离提高到400多千米，使激光大气通信进入了一个新的发展阶段。 2 激光大气通信的主要优点 人们之所以如此重视对激光大气通信的研究，是因为激光束的高亮度、高频率、良好的单色性和方向性，使激光大气通信系统具有其他通信方式所不具备的独特优势。
激光大气信道相关总结 1、大气对信道传输的影响 激光在大气中传输主要受到两个方面因素的影响：衰减效应、湍流效应。其中，衰减效应主要影响激光信号的功率，使到达接收端光信号的功率降低，作用方式包括：吸收、散射、折射、反射等。湍流效应主要由大气的不规则随机运动引起，影响光信号的质量，对光信号的相位、强度分布以及光斑的位置等都有较大影响，主要表现形式包括：光束漂移、扩展、闪烁以及到达角起伏等。 1.1衰减效应对激光通信的影响 衰减效应主要由大气分子、气溶胶以及空气中的微小颗粒物产生，包括吸收、散射、反射、折射的等，是大气的固有属性，可采取相应的措施进行有效的规避或补偿。 （1）吸收 作用机理：激光穿过大气时，大气中的分子在光波电场的作用下被极化，并以入射光的频率做受迫振动，使部分辐射的光能转换成气体分子的内能，消耗了光波的能量，形成吸收效应。（经相关研究表明，气溶胶粒子由于直径较大，对光的吸收作用不明显） 作用特点：使激光功率衰减，但不改变光束的质量。 决定因素：分子对光波能量的吸收由分子结构、浓度和吸收光频率所决定，不同的气体分子对不同频率的光吸收的能力不同，具有一定选择性。 衰减规律： Pλ,x=P(λ,0)exp?[?kλx] kλ----吸收系数； x----传输距离； 大气窗口:大气对某些波段光波的吸收较弱，透过率较高，称这些透过率较高的波段为大气窗口。 由于大气是不同分子的复杂混合体，且气体分子的浓度还随着海拔的变化而变化，并考虑散射等因素影响，通过统计分析，地球大气的透过率如下： 图 1-1 不同波长激光在大气信道中传输的透过率
（2）大气散射 散射是光在传播过程中遇到微小粒子，使其传播方向发生改变的现象，是电磁波在大气微粒作用下的衍射效应造成（只有当微粒的直径小于或相当于辐射波长时才会发生明显的作用）。其结果会使光在原传播方向上的能量减小，影响光斑形状和光强分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。 大气散射的效果主要表现为两个方面：减小在传播方向上的光能量、改变光斑内的强度分布，使光斑内部有明暗之分。 瑞利散射： 产生条件：散射微粒直径远小于波长时产生，也称作气体分子散射（10?8cm量级）。对波长小于40nm的光波作用明显作用比较明显。（大气分子（0.1nm）；可见光（400～760nm）；近红外短波（780~1100nm）；近红外长波（1100~2526nm））主要作用粒子：大气分子。 特点：散射粒子较小，散射光分布较均匀，对波长小于40nm的光波才作用明显比较明显。随着散射分子半径增大，散射增强；随着波长的增大，散射减弱。由此可以推论，可见光比红外光散射强烈，蓝光比红外光散射强烈（形成蓝色天空）。 经验公式： σm=0.827×N×A3/λ4 A——散射元横截面积(cm2) N ——单位体积内分子数(cm?3) λ——光波波长(μm) T——表示热力学温度 图1-2 散射强度与波长的关系 米氏散射： 产生条件：当空气中粒子的直径大于入射光的波长或者和光的波长可以比拟的时产生，粒子对入射光散射后的散射光分布比较复杂且不对称，瑞利散射不再适用。 作用粒子：云、雾、雨、雪等气溶胶粒子以及雾霾等微小粒子。 特点：散射光角度分布较为复杂，并且随着粒子直径的增加，散射光集中的角度也越来越窄。（对光信号的影响也相对更大）
几种室内可见光通信定位系统方案的理论精度分析 （1）可见光通信定位系统的研究意义： 由于GPS 不能应用在室内环境中，所以许多关于在建筑物内部的定位技术被提了出来。例如RF-ID,WLAN 及infrare 等。在这些室内定位技术中，VLC 定位有更高的精度。据报道，在VLC 定位系统中能够达到厘米级的精度。与此同时，VLC 技术还有许多其他的优点。第一：光学信号中没有电磁干扰，在一些特殊的地方很有帮助，如医院，军事基地，飞机等。第二：在不远的将来，LED 灯作为指示灯可能成为基本的照明源，用于VLC 定位系统时没有必要建立附加设施，所以VLC 系统的成本比较低。三，可见光信号无辐射，不会危害人体健康。最后，该光信号无法绕过不透明障碍，使所发送的信息不容易被捕获。所以我们认为基于白光照明LED 的VLC 系统将在定位的应用中起重要作用。 （2）研究要点： 作了关于VLC 定位系统的理论精度极限方面的分析。借鉴了射频无线信号中分析理论精度的方法——Cramer –Rao bound ，即任何无偏估计量的方差的下限。 （3）四种定位方案及原理： 假设条件：LED 灯符合朗伯模型，并且每只LED 灯的信号为不同的强度调制频率。这里采用石膏墙，在这种场景中，多径反射对CRB 的影响很小，因此只考虑LOS 环境。经光电转换之后，接收到的电信号为 ()()()r t x t n t ατ=?-+ 其中a 是光信道的衰减，τ代表信号从发射到接收所需要的时间，()n t 是光 谱密度为02N 的高斯噪声。
h d h d ①RSSI: 通过接收信号的强度来测量发射器和接收器之间的距离。公式为： ()()2 131 cos cos 212R m R m m m A d m A R h R d α?φππ+++=+??= ??? 其中a 为光信道的衰减，A R 为接收器的有效面积，m 为朗伯阶数，R 为光电二极 管的响应度，两个角度如图所示。 注：此种方法定位时至少需要3只LED 信号灯。这里假设与LED 垂直的轴和与接收器垂直的轴是平行的。当室内的高度确定时，在测量平面上可以画出分别以3个参考点为圆心，以每个参考点和被测点之间的距离为半径的三个圆，当系统中没有噪声并且3只LED 灯完全符合朗伯模型时，三个圆会相交于一点，这个点就是被测点。然而，现实中不存在这种理想的情况。在现实中，三个圆往往不会相交于一点，而是一个小区域，此时利用最小二乘法解决问题。 影响因素：第一:接收器角度的影响；第二：由墙面及其他物体反射引起的多径效应。因为假设中提到与LED 垂直的轴和与接收器垂直的轴是平行的以及采用石膏墙，所以这里不予考虑这两个因素。 ②TOA ：利用要测的信号从发射到接收所需的时间来计算发射器和接收器之间的距离。 只考虑LOS 这条链路，测距公式： d c τ= 注：发射器上的时钟和接收器上的时钟必须严格同步。