大气激光通信系统

背景六十年代激光出现以来，光学和整个现代科学的面貌都焕然一新，激光以其突出的高度相干性、高亮度、方向性好、极小的发散角、功率集中等优异特点广泛应用于各个邻域中。

空间激光通信是指利用激光束作载波在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。

与微波通信相比，激光通信具有以下显著的优势：激光波长短，通信容量显著增大；较小的发射功率需求；较小的收发天线和系统结构；各通信链路间的电磁干扰小；由于通信激光束发散角很小，保密性强，这一点对军事应用十分重要。

研究现状主要研究单位有：NASA的喷气推进实验室、美国空军部、林肯实验室、欧空局、日本邮政通信室、宇宙开发事业团。

国内目前主要研究单位有哈尔滨工业大学、北京大学、电子科技大学、长春理工大学、上海光机所、武汉大学及空间技术研究院504所等。

关键技术：激光及高码率调制技术、光学准直技术、高增益光学收发天线、高灵敏度光信号接收技术、快速精确的APT（捕获、瞄准、跟踪）技术、大气信道技术。

自由空间光通信原理：最初的无线激光通信系统和无线电系统在结构上基本相同。

信号通过调制器加载到光波上，通过光学天线将发散角极小的光束向发射出去。

接收端的光学天线捕获到经调制的光波后，首先经过光探测器件将光信号转换为电信号，然后由解码器解调作加载的信号。

其中激光器类似于无线电通信中的射频发生器。

发射端和接收端的收发光学天线相当于无线电收发电线。

所不同的仅仅是激光通信使用光波作为信息的载波。

光学天线其实就是光学望远镜，只是尺寸有明显的减小。

一、光空间通信技术（FSO）自由空间光通信或称无线光通信（FSO：Free Space Optical Communication）是一种宽带接入方式。

FSO是光通信和无线通信结合的产物，是用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统，也可以理解为是以大气为介质的激光通信系统。

FSO有两种工作波长：850纳米和1550纳米。

850纳米的设备相对便宜，一般应用在传输距离不太远的场合。

学号激光加工技术结课论文激光通信技术学生姓名班级指导教师成绩＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿系201年月日激光通信技术一、引言空间激光通信是利用激光光束作为载波，在自由空间如大气、外太空中直接传输光信息的一种通信方式。

开辟了全新的通信频道使调制带宽可以显著增加、传输速率及信息量大（最高可达10G/min）、能把光功率集中在非常窄的光束中、器件的尺寸、重量、功耗都明显降低、各通信链路间的电磁干扰小、保密性强并且显著减少地面基站。

二、激光通信发展现状上世纪60年代中期美国就开始实施空间光通信方面的研究计划。

美国国家航空和宇航局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)早在70年代就一直进行卫星激光通信的研究工作，其它如林肯、贝尔等著名实验室也都开展了空间激光链路的研究。

日本于80年代中期开始空间光通信研究，且已于1995年7月成功地在日本的工程试验卫星ETS-VI与地面站之间进行了星地链路的光通信实验，这是世界上首次成功进行的空间光通信实验。

欧洲空间局(ESA)于1977年夏就开展了高数据率空间激光链路研究，现已在该领域的一些关键技术方面处于明显的领先地位。

我国卫星光通信研究与美、欧、日相比起步较晚，目前国内只有少数几个单位(比如电子科技大学、哈尔滨工业大学、武汉大学等)进行卫星光通信方面的研究工作，这些工作涉及到卫星光通信的基础技术及基本元器件的研究，以及关键技术的研究。

目前，哈工大的光通信研究已经进入工程实化阶段，并向空间试验阶段迈进。

三、系统基本组成下面给出激光通信系统的方框图。

图1 光通信系统方框图卫星光通信系统由下面几个主要子系统组成：（1）光源子系统。

在卫星激光通信中，通信光源至关重要。

它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量。

在激光通信系统中大多可以采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信标光和信号光的光源,工作波长为0.8-1.5pm近红外波段。

通常信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹或几千赫兹至几十千赫兹,以便克服背景光的干扰。

激光是一种方向性极好的单色相干光。利用激光来有效地传送信息，叫做激光通信。 激光通信系统包括发送和接收两个部分。发送部分主要有激光器、光调制器和光学发射天线。接收部分主要包括光学接收天线、光学滤波器、光探测器。要传送的信息送到与激光器相连的光调制器中，光调制器将信息调制在激光上，通过光学发射天线发送出去。在接收端，光学接收天线将激光信号接收下来，送至光探测器，光探测器将激光信号变为电信号，经放大、解调后变为原来的信息。 激光通信的优点是：1、通信容量大。在理论上，激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话；2、保密性强。激光不仅方向性特强，而且可采用不可见光，因而不易被敌方所截获，保密性能好；3、结构轻便，设备经济。由于激光束发散角小，方向性好，激光通信所需的发射天线和接收天线都可做的很小，一般天线直径为几十厘米，重量不过几公斤，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。 激光通信的一些弱点是：1、大气衰减严重。激光在传播过程中，受大气和气候的影响比较严重，云雾、雨雪、尘埃等会妨碍光波传播。这就严重地影响了通信的距离；2、瞄准困难。激光束有极高的方向性，这给发射和接收点之间的瞄准带来不少困难。为保证发射和接收点之间瞄准，不仅对设备的稳定性和精度提出很高的要求，而且操作也复杂。 激光通信的应用主要有以下几个方面：1、地面间短距离通信；2、短距离内传送传真和电视；3、由于激光通信容量大，可作导弹靶场的数据传输和地面间的多路通信。4、通过卫星全反射的全球通信和星际通信，以及水下潜艇间的通信。 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）。 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。 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。 随着器件技术、工艺技术和地面通信系统技术的不断成熟，半导体激光大气通信系统还是未来实现卫星之间的通信的有效手段，因此，在构筑外层空间通信网上，半导体激光自由空间通信将发挥重要的作用。 各类器件技术和工艺技术的不断完善成熟，也是半导体激光大气通信系统得以实用化的有力保证。在这方面，国外用于大气激光通信的半导体激光和接收器件已商品化，目前，就发射功率和探测灵敏度而言，完全能满足15km以内的大气通信系统需求。例如，近年来美国、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（含组合激光器件），连续输出光功率从数十毫瓦到数瓦之间，脉冲输出时蜂值功率有的还达到了灵敏十瓦的量级。此外，为使收发天线更加简单实用，俄罗斯还研制开发了收发合一的半导体组件。 在光学天线设计制作上，相关技术也不断完善成熟。光学天线现在主要的构成方式为：收发结合式、收发分离式和收发合一式。就俄罗斯而言，收发分离式是用得较多的方式。在光学天线内光学系统的设计上，国外有效地采用了自适应变焦技术以解决大气信息道传输特性随机变化时对通信造成的不利影响。实践证明，自适应变焦技术是一项有效的实用技术。 在光学天线的架设上，高效率地安装校准装置和方法已经试验成功。现在，在俄罗斯仅需几分钟时间就可将一对半导体激光大气通信系统的天线架设好并使系统开通工作。 信号压缩编码技术的合理使用，为在半导体激光大气通信目前还十分有限的调制带宽内（尤其是大功率下的有限带宽）更大容量地传输多路信号提供了保证。光波窄带滤波技术和光源稳频技术的成熟，可有效地排除背景光噪声的干扰，提高系统的稳定可靠性，这些技术在实用化系统中得到了广泛的应用。 上述各项关键技术的完善和成熟，为激光大气通信技术实用化提供了强有力的技术保障，使得沉默了十余年之久的激光大气通信技术正在悄然复兴。 一项新技术最终能否得以实用化，排除市场因素而仅从技术因素而言，有的得依赖于这项技术中的一项或几项关键技术能否得到类似于发明性的重大突破才能得以实用，有的则可依赖各项关键技术的工艺技术不断完善和成熟而实用化。笔者认为，半导体激光大气通信技术之所以能够逐步得到推广应用，恐怕应属于后者的范畴。为了说明激光大气通信技术在悄然复兴这一主题，在这里还需补充说明的是，俄罗斯不但已在本国内开始使用半导体激光大气通信系统，而且已向国外少量出口。目前俄罗斯正在与亚洲一些国家联合开展半导体激光大气通信组网技术的研究。美国在过去的一些年里，激光大气通信的推广应用情况发展也不错，据悉在1996年里，激光大气通信系统设备产值已达数千万美元„„。 总之，从现在起，激光大气通信实用化技术应该是一项值得我们引以高度重视的重要技术。 通信，一直是保证作战指挥顺利达成的重要手段之一。特别是在现代信息化战争中，战况瞬息万变，错综复杂，如果没有迅速、准确、保密和不间断的通信，就不可能实现及时而有效的指挥和作战。因此，目前世界各军事强国均投入大量的人力、财力和物力对通信技术加强研究，使这一领域得到了极大的发展。 时下常用的无线电通信最大优点是：迅速；而最大缺点是：保密性差，怕干扰（主要是电磁干扰和核爆炸产生的强电磁脉冲干扰）。有线电通信虽然比无线电通信保密性好一些，但也不是万无一失，平时打固定电话，不是常听到耳机中传出一些不相干的声音吗？这就是话路串音现象，这种现象给窃听提供了条件，只要将微型窃听器接到电话线上，既可窃听对方的军事秘密，又可实施欺骗干扰，制造假军情。 伴随着激光的产生，一种新颖奇特的通信——激光通信问世了。尤其是近年来，随着光导纤维通信的高速发展，给激光通信带来了明媚的春天，成为现代通信的“热门”领域。激光通信依据传输介质的不同，主要分为光纤通信、大气通信、空间通信和水下通信四类，其中最常见、发展最成熟的是大气激光通信和光导纤维通信。 大气激光通信：炸不断的线路 大气激光通信是以大气为传输介质的激光通信。它有“两不怕”：一不怕侦听和干扰。由于激光频率极高，光束极细，方向性又好（指哪射哪），所以用当今的电话设备无法侦听，用电磁波更难以截获和干扰。至于天空中电离层的变幻和骚动，地球两极上空极光闪烁等对它影响也甚微，好似两股道上跑的车，互不干扰，因此其通信稳定，话音质量良好。二不怕核辐射。一般无线电通信方式在核武器爆炸瞬间都要中断一阵子，唯独激光通信不受其害，这是因为核武器爆炸所产生的强电磁脉冲，并没有激光的频率高，所以干扰不了激光。同时，核武器爆炸所产生的强烈光辐射，属于非相干光之类，尽管能量很强，但是不集中，向四面八方发散，即使能够钻进激光接收机，其强度相比也是微乎其微，除了会增加点噪声外，无其它影响。难怪人们称大气通信是炸不断的“线路”，能“气死”核武器。 大气激光通信不但可以传送电话，还可以传送数据、传真、电视和可视电话等。现在各国研究主要集中在增大通信距离，提高全天候性能和传输速率以及实现移动通信等方面。据报道，前苏联早已建造了一条直线距离为160-180公里的大气通信系统；美国海军电子中心则在17.6公里二氧化碳激光通信中实现了可通信率为99%的准全天候通信；日本用氦氖激光器在2公里线路上的传输速率达到1.544Kb/s。此外，美激光系统公司研制的系统中，装有高倍双目望远镜，可将活动目标放大20倍，从而解决了移动通信问题，可用于各种移动车辆、舰艇、高速直升机的移动通信。可见，激光大气通信已成为现代保密通信的得力工具。 光导纤维通信：通信“点对点” 光导纤维通信，是以光导纤维为传输介质的激光通信，它更是神奇绝妙，别具一格。光信号在极细的玻璃丝中传播，既不向外泄漏一丝一毫，外面杂乱无章的光束（阳光、灯光及各种红外辐射）也休想窜进来兴风作浪；至于空间那些喧闹不堪的电磁波，因频率相对太低，只好干瞪眼，在光导纤维外面“徘徊”，毫无办法。此外，光导纤维通信还不会受大气中的云、雾、雨、雪等自然条件所左右，因此通信质量良好，传递图像清晰，传输数据误码率极低。 在军事应用上，光导纤维通信一样可以大显身手。如在短距离（几百米）通信方面，可用于通信车厢内配线、各种作战飞机内的数据传输母线、信号显示及机内温控、遥测等。据悉，光纤点对点通信链路已在F/A-18、AV-8B、“黑鹰”直升机等飞机中有良好表现。由于电磁干扰、电磁脉冲、高强度无线电频率及定向能武器等严重威胁电控飞行的飞机安全，采用光纤系统实施“光控飞行”则不怕上述干扰，还可把机载设备重量减少90-320kg；也可用于大型军舰内的闭路电视系统，多路通信系统及数据显示和传输以及各种天线的连接等。例如，美海军“能抗毁的自适应光纤嵌入网”已实现实用化，并安装于CG-47“Aegis”导弹巡洋舰、DDG51级导弹驱逐舰、“乔治·华盛顿”号航空母舰等装备上。在中距离（几百米至1公里）通信方面，光缆适宜于指挥所内通信配线，导弹、火箭的遥控和遥测，野战计算机之间的连线等。在长距离（1公里至上百公里）通信方面，光缆还可用于雷达群传送情报和数据传输，特别是低损耗、大容量海底光缆系统，为陆、海、空军立体军事战略自动化通信网开辟了广阔的前景。据报道，近期美国国防部列出了2010年十大国防技术，其中两项是“光子学·光电子学”和“点对点通信”，而光纤通信在“点对点通信”中占有举足轻重的地位。 “光通信”展望：打造立体通信网 目前，世界激光通信技术正在加速向实用化阶段迈进。其发展主要有如下几个方面： 向长波段挺进。光导纤维通信之所以向长波段发展，是因为长波段激光在光导纤维中传输损耗较小的缘故。长波段光导纤维通信，还为实现光复用开辟了广阔的前景，比如，现已成功地在0.85微米大波段上进行了三束光复用实践，传输距离和接收端质量良好，各信道间的干扰失真很小，系统的传输信息量可提高3倍，即线路的利用率提高了3倍。未来，还可以做得更好。 向集成光路方向发展。这里所说的集成光路，其基本原理与大规模集成电路很相似，它的实质就是把已经成熟的集成电路技术、微波技术应用到光频波段上，从而制成精巧别致的微型集成光路。也就是说，把这些器件集成在一个很小的公共台片上，最后构成具有一定功能的微型光学系统，从而实现微型化或超微型化。所以，集成电路的迅速发展，为光缆通信系统的小型化、超小型化创造了条件。