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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。
激光大气传输特性分析研究激光大气传输特性分析具有重要意义和应用价值，对于激光通信、激光雷达、激光武器等领域的发展至关重要。
本文将阐述激光大气传输特性分析的研究背景、现状和难点，介绍主要方法和技术，总结研究结果和发现，并强调其在应用上的重要性和价值。
激光大气传输是指激光在大气中传播的过程，受到大气中各种粒子的吸收、散射和折射等作用的影响。
在大气传输过程中，激光的强度、方向和波形等都会发生改变，从而影响激光通信、激光雷达和激光武器等系统的性能。
因此，对激光大气传输特性进行分析，有助于了解激光在大气中传播的规律和机理，为这些领域的发展提供理论支持和技术指导。
目前，激光大气传输特性分析主要集中在理论和实验研究两个方面。
理论分析主要包括辐射传输理论、气体分子动力学理论、气候学理论等，通过建立数学模型来模拟激光在大气中的传输过程。
实验测量则是在实际环境中对激光传输的特性进行测量和记录，以验证理论分析的正确性。
然而，由于大气传输过程的复杂性和不确定性，理论和实验研究都存在一定的难度和挑战。
理论分析方法：基于辐射传输理论，建立激光大气传输模型，计算光强、光谱、相位等传输特性，分析各种因素的影响。
例如，运用蒙特卡罗方法模拟光在大气中的散射和吸收过程，评估不确定性因素的影响。
实验测量方法：通过在实验场地或实际环境中进行激光传输实验，测量光强、方向、波形等参数，获取实际数据。
例如，利用望远镜观测远程目标上的激光斑点，分析斑点特征和变化规律。
数值模拟方法：利用计算机模拟程序，模拟激光大气传输过程，获取各种传输特性参数。
例如，通过模拟不同气候条件下的激光传输过程，预测激光通信系统的性能。
通过对激光大气传输特性的理论和实验研究，科学家们取得了一系列重要成果。
例如：发现了大气中各种粒子（如气溶胶、水蒸气、氧气、二氧化碳等）对激光的吸收、散射和折射作用，以及这些作用的温度、压力和湿度等影响因素。
建立了较为完善的辐射传输理论体系，用于描述激光在大气中的传输过程，并开发了相应的数值模拟软件，可对不同条件下的激光传输进行模拟和预测。
大气激光通信技术的军事应用军事科技的迅猛发展要求人们寻找和发展更高频率、更大容量、能快速架设、隐蔽性更好的信息载体，以适应密集技术条件下局部战争的要求。
激光通信技术由于其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点，而引起各国的高度重视。
1989年，美国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，又实验成功适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信；90年代初，俄罗斯随着其大功率半导体激光器件的研制成功，也开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。
随后，便推出了新型的半导体激光大气通信系统，并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市得以应用。
俄罗斯有关专家普遍认为，半导体激光大气通信系统在一定视距内有效地实现全天候通信是完全可能的，很有军事潜力。
大气激光通信为无线通信的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在大气中直接传输。
由于是无线通信，它可随意移动到任何地点并实现移动沟通，这是它最大的军用价值和优势。
就概念而论，大气传输光学线路非常简单，即用发射机将激光束发射到接收机即可。
然而，在实际的大气传输中，激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求，因此系统还应包括主动对准装置。
在空间传输中，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。
在实践中，需添加窄通滤光片，可以选择接收激光波长而阻挡其他的波长。
目前而论，激光大气通信系统得以实用化涉及的关键技术，主要有连续波大功率激光器技术；自适应变焦技术；光波窄带滤波技术；光源稳频技术；信号压缩编码技术；光学天线设计制作和安装校准技术等。
目前，国外用于大气激光通信的半导体激光器和接收器件已实现了商品化。
据报道，近年美国、日本及俄罗斯等国都相继推出了适用于半导体激光大气通信的大功率器件，连续输出光功率可从数十毫瓦到数瓦。
与传统的无线电通信手段相比，激光大气通信具有安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。
大气激光通信技术及应用摘要：大气激光通信其载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输，并采用半导体激光器为光源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用作应急抢通，其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆及光缆的近距离场合。
大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应用前景。
随着技术的不断完善和新器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。
本文主要论述大气激光通信的基本原理、关键技术及其发展现状和应用领域。
关键词：大气激光通信、军事应用、激光器、通信系统大气激光通信技术即无纤光通信技术，是近年来出现的一种新兴技术。
1、激光传输大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信，可传递语音以及进行计算机间数据通信。
受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。
接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。
当传递数据时进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统，它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。
其中含有接口电路，它的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。
调制器的作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。
大气激光通信原理
大气激光通信（Free Space Optical Communication，FSO）是一种利用激光光束在大气中传输信息的通信技术。
其原理如下：
1.激光发射器：通信系统中的发射端使用激光发射器产生一束高
功率、窄束宽的激光光束。
常用的激光器包括半导体激光器和
固体激光器。
2.光束传输：激光光束通过大气传输。
由于大气中存在各种大气
湍流和光散射现象，会对激光光束造成衰减和扩散，从而影响
传输质量。
3.接收器接收：接收端使用光学接收器接收传输过来的激光光束。
接收器通常包括一个光学透镜和光电探测器。
4.探测和解调：光电探测器将接收到的光信号转换成电信号。
随
后，对电信号进行探测和解调，以恢复出原始的信息。
需要注意的是，大气激光通信受到大气湍流、大气吸收和大气散射等因素的影响，可能会导致传输质量的下降。
因此，为了提高大气激光通信的可靠性和性能，通常会采取以下措施：
•自适应光学系统：利用自适应光学技术对激光光束进行实时调整，以适应大气湍流和传输条件的变化。
•前向纠错编码：采用前向纠错编码技术，使数据能够在传输过程中进行纠错，以增强传输的可靠性。
•光束整形：通过光学系统对激光光束进行整形，使其更加集中和稳定，减少大气散射的影响。
大气激光通信具有高带宽、免许可、抗干扰等优点，适用于需要高速、远距离、抗干扰的通信场景，例如军事通信、卫星通信、无线回传等领域。
然而，由于大气的不稳定性，大气激光通信在实际应用中仍面临一些挑战，需要通过技术手段进行优化和改进。
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大气激光通信系统是无线激光通信的一种，因此具有无线激光通信的优点。
与微波通信系统相比，大气激光通信系统具有不挤占频带，通信容量大，传输率高，抗电磁干扰和防止窃听等优势。
此外，与有线通信系统相比，它还具有机动灵活、经济实用、架设快捷、使用方便、不影响市政建设等诸多优点。
随着大气通信技术的日益成熟，该系统的应用将会越来越广泛。
根据其特点，它可应用于下列场合:民用上:①有强电磁干扰的场所;②一些不宜布线的场所，比如在具有纪念意义的古建筑，危险性大的工厂、车间;③在走线成本高、施工难度大或经市政部门审批困难的场合，如马路两侧建筑物之间、不易架桥的江河两岸之间、山头之间及边远山区等;④一些临时性的场所，如展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境下，可作为有线系统的应急备用系统;二. 本课题国内外的研究现状分析2.1国际研究概况国际上大气激光通信的研究是综合卫星、飞机、地面等方面进行的，从事这方面研究的主要机构在美国、日本和欧洲。
由于该系统主要是以国防军为主要目的，因此欧美日的主要研究机构一般都是国家或军事部门，如美国的航空宇宙航行局(NASA)和美国空军;日本的邮政省通信研究室(CTL)和宇宙开发事业团(NASDA );欧洲的欧洲航天署(ESA)等。
这里我们主要介绍世界各公司推出的用于地面无线光通信的已商用化的产品。
美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家，也是研究技术走在最前沿的国家之一，2000年夏季由国际通信业巨头美国郎讯推出的光通信商用系统。
他们采用四波长波分复用技术，每路波长速率为2. 5Gbps，总容量达l OGbps，工作距离达5公里。
2.2日本及欧洲目前，日本的Hamamatsu公司研制出了用于Intranet的传输速率久155Mbps 的产品;Sony公司研制出了带跟踪瞄准性能的传输速率叉622Mbps的产品;Canon 公司也研制出了DT 50产品，其传输速率戈25一622Mbps o此外，英国的PA V公司、德国的CBL公司、韩国的Taehan公司等多家企业也都各自推出了不同技术水平的产品。
2.3国内研究概况和国际相比，我国的研究相对单一，但对大气激光通信技术的研究起步并不比国际晚，早在1963年我国就开始了对大气激光通信的研究。
1974年电子工业部34所推出了Nd:YAG激光大气通信系统实验样机，并成功进行了外场实验，通信距离约13km"'。
与此同时，电子科技大学、桂林激光研究所、北京邮电大学、武汉邮电科学研究院及北京、长春、合肥等地的一些单位也相继展开了对大气激光通信的研究。
三．系统组成和总体方案大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的系统，它们相互向对方发射被调制的激光信号(声音或数据)，接收并解调来自对方的激光信号，实现双工通信，即通信双方都可同时发送和同时接收信息。
其中一台激光通信机的基本工作原理如图所示(图中只画出系统的发射和接收部分)。
大气传输光通信系统原理框图由图可见，每套端机包括发射机和接收机，安装于一个机箱之内。
发射机的主要组成部件有:(1)半导体激光器发射光源以及它的夔动电源。
(2)发射望远镜。
(3)信号输入和处理的电路。
要传输的信号可以从电端口输入，也可以从光纤端口输入，经放大输出到激光器跳驱动器，来推动激光器。
接收机的主要组成部件有:(1)硅APD探测器。
(2)接收望远镜(3)信号放大处理电路。
探测到的光信号在APD管转化为光电流后，经前置放大、整形放大。
输出方式也有二种:一是放大后以ECL或TTL电信号从电端口输出。
另一种是输出到1. 3微米激光器的驱动器，推碳激光器，从光纤端口输出光信号。
另外每台样机都配置一个瞄准望远镜，由于该通信端机既有电端口又有光纤端口，实现了与其它通信设摊接口匹配的问题，可灵活地适应各种场合的使用，实用价值得到了提高设备发出的调制信号不仅可在大气传输，也能直接利用光纤作为载体桂输，克服了在天气恶劣情况下无法通信的缺陷。
3. 1光发射端机的基本原理与结构1.光发射端机的设计考虑在光通信系统中，由光发射机来完成将电信号转变为光信号的功能。
光发射机的关键器件就是光源，因此必须合理选取光源。
在3. 2节中将详细介绍光源的选取。
此外，光发射机主要由接口电路、调制电路、温控及驱动电路等单元电路组成，在设计中，为保证设备能适应野外环境，所有电路器件的选择应从严要求，尽量选用宽温器件;为保证设备工作的可靠性，尽量采用成熟的单元电路功能模块。
2.光发射端机的基本结构图中，接口电路的作用是将计算机网卡与调制电路连接起来，使之能同步协调工作。
关于接口电路的研究在后面的章节中会具体提及。
调制电路的作用是把二进制脉冲调制成适宜在信道上传输的波形。
由于半导体激光器的输出功率与温度密切相关，因此一般还有自动温度控制(ATC)电路。
由于本论文的目标是研制作用距离数公里量级、定点工作的通信机，暂时不考虑光信号的自动跟踪瞄准。
因此瞄准装置(瞄准镜)可以采用市场采购的方式解决。
3.光接收端机的基本原理与结构1.光接收端机的设计考虑光接收端机的作用是将接收天线接收到的微弱光信号转换成电信号，并进行放大输出。
它主要由光电探测器、前置放大电路、主放大电路、自动增益控制电路、均衡电路、码型变换、输出接口电路等部分构成。
设计时，元器件的选择和单元电路的设计同光发射机一样，尽量采用成熟的单元电路功能模块;此外，设计时除了认真研究分析电子线路中的量子噪声、热噪声、散弹噪声外，还要考虑恶劣气候(雨、雾、雪、湍流等)出现的附加噪声;为保证系统具有强的抗干扰能力和抵御大气衰减的能力，设计光发射功率要足够大，这就要求光接收机具有很宽的光动态范围;最后，如何减少背景光的干扰也是光接收端机设计时需要考虑的一个问题。
光接收端机的基本结构2.接收端机的噪声分析在信号的传输过程中对信号影响的因素都可以归结为噪声，噪声主要来自三个方面:发射机方面、大气方面、接收部分方面。
发射方面的噪声主要是激光器自身的原因和各种匹配等因素造成的，大气的影响主要是由大气中的粒子对红外光的吸收和散射造成的。
这两点在前面文章中己有叙述，这里就不再介绍。
接收部分的主要噪声源有:暗电流噪声、散粒噪声、热噪声、放大器噪声和背景噪声，这里将作详细分析。
四. 大气激光传输链路的设计方案4.1激光光源1.大气激光通信系统对光源的要求在大气激光通信中，将电信号转变成光信号是由光发射机来完成的。
光发射机的关键器件是光源，激光通信对光源的要求可以概括为:a.光源发射的峰值波长，应在大气通信窗口内，大气窗口在近红外谱段主要有路径效应[ys}。
使得激光束在大气中产生光斑闪烁、漂移、断裂等因素，影响通信链路的稳定性。
因此大气因素和天气状况是影响通信链路的主要因素。
1)大气效应对通信链路的影响大气中对激光信号的影响主要体现在大气的散射效应、吸收效应、湍流效应三部分。
i)散射效应大气散射效应主要有灰尘颗粒和气溶胶颗粒对光束的散射效应最严重。
灰尘颗粒尺寸分布从10恤m到,um量级。
当激光波长远远大于散射粒子直径时，就会产生瑞利散射，其散射系数可表示为上式中N为单位体积的粒子数目，入为光波波长，n为折射率。
在干燥的空气中瑞利散射系数可近似表示为从上式中看出，瑞利散射系数和波长有关，波长越小，力越强。
当粒子尺寸小于0.03,um时，其散射误差小于1%0当激光波长接近散射粒子直径时，就会产生米耶散射，瑞利散射系数越大。
散射能其散射系数可表示为上式中，N(d)表示单位体积的粒子数，d为粒子直径，Q、为米耶散射效率。
米耶散射效率是粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比，它是粒子的相对尺度和复折射率的函数。
n, Ko分别是复折射率的实部和虚部。
当粒子半径在p和r:之间连续分布时，米耶散射系数可由下列积分求得:通常情况下，小雨、雾、霆等颗粒尺寸接近于激光波长，此时的灰尘与水蒸气都满足米耶散射效应。
大气的散射效应会改变激光光束的能量分布却不会损失光束能量。
经过大气散射的激光束在原来的传播方向上能量减少。
因此要尽可能的增大光学天线的接收面积，减少光束在传播方向上的能量损失。
ii)吸收效应大气对激光光束具有吸收效应，气体分子对每个波段的吸收强弱不尽相同。
