第8、9章 空间激光通信

1、光通信原理与技术空间光通信概念n空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达成的通信方式n优点：n与传统的无线电通信（微波通信）相比n承载能力更强n与光纤通信相比n在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势空间光通信分类自由空间光通信大气（近地）星间（外太空）水下江河岸间建筑物/山间岛屿间星地间GEO-GEOGEO-LEO LEO-LEO 天空（卫星/飞机）-水下水下-水下第8章 大气激光通信本章内容n概述n激光在大气信道中的传播特性n用于大气激光通信的关键器件和技术n调制方式n大气激光通信系统n大气激光通信的应用8.1 概述大气激光通信的研究进展 n又被称为自由空间光通信（FSO，Free Spa

2、ce Optics）n发展大致经过了高峰低谷复苏三个阶段 n20世纪6070年代，研究高峰期n特点：激光刚出现，使用激光实现大气光通信，独占光通信舞台n20世纪7080年代，衰落期n光纤出现，光纤通信压倒性优势n20世纪90年代至今，复苏期n作为光纤通信的补充，与其它无线通信方式竞争大气激光通信的应用优势 n无线优势n容量优势n电磁兼容优势n保密优势n尺寸优势n价格优势n功耗优势 面临的主要问题n大气信道问题n大气信道衰减n大气湍流的影响n大气信道散射n背景光干扰n其它问题n飞行物遮挡n工作平台方位稳定性8.2 激光在大气信道中的传播特性大气效应n大气吸收n在紫外、可见光及红外区域，主要的吸收

3、分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明”的“窗口”，在这些窗口中辐射透过率较高，吸收较弱，通常称大气窗口 n大气散射n造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射，一般说来，对于半径r0.3m的粒子（如气体分子），波长在1m附近，瑞利定律的误差1%，当粒子半径r0.3m时（如悬浮尘埃等），须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至少大40m时（如雾滴、雨滴等）才出现非选择性散射n大气散射造成光衰减，是大气窗口上主要的损耗来源，但也可有意利用大气散射构成散射信道n大气湍流n湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化 n

4、其它n背景光/热晕大气透射谱天天顶顶角角= =0 0大大气气质质量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能见见度度极极佳佳（31km）对对大大气气质质量量比比等等于于1时时7 70 0. .5 5，3 3波波长长 （ m）020406080100透透射射率率（%）天天顶顶角角= =0 0大大气气质质量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能见见度度极极佳佳（31km）对对大大气气质质量量比比等等于于1时时7 70 0. .5 5，3 3波波长长 （ m）020406080100透透射射率率（%）瑞利散射与米氏散射n瑞利

5、散射n光子与空气粒子发生碰撞而产生n特点：散射的强度和波长的四次方成反比；散射光的散射强度与观察方向之间有着比较简单的关系；前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散射光几乎是偏振的n米氏散射n散射颗粒的大小可以与辐射波长可比拟时产生米氏散射n特点：主要的散射能量集中在前向方向上 大气综合衰减系数表 不同天气时的大气综合衰减系 数和能见度表（工作波长850nm） 天气情况 能见度 大气衰减系数（ dB/km） 非常晴朗 5020 km 0.200.52 晴朗 2010 km 0.521.0 轻霾 104 km 1.02.9 阴 42 km 2.95.8 薄雾 21km 5.814.0 轻雾

6、 1000500 m 14.034.0 中雾 500200 m 34.084.9 浓雾 20050 m 84.9339.6 大气散射损耗经验公式n当工作波长选择在低损耗窗口时，大气损耗主要由散射造成n大气散射损耗经验公式：()3.91/550qaNp kmVnmlsb-骣=桫kmVkmVkmVkmVkmVkmVkmkmVq5 . 0015 . 05 . 06134. 016. 05063 . 1506 . 1能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离 非视线紫外大气散射信道 背景光噪声00.511.522.50500100015002000光谱辐照度Wm-2 m-1波长（m）00.511.5

7、22.50500100015002000光谱辐照度Wm-2 m-1波长（m）8.3 关键器件和技术光源n工作波长n不仅要考虑低损耗窗口，还要注意避开背景光的高辐射谱段n可以认为810860 nm、15501600 nm都是无线光通信中可以选择的通信波长n功率要求n大气吸收/散射问题n光束发散问题 n通常选择在 数十mW以上 光检测器n半导体光检测器nPD和APDn真空器件n真空光电管n真空光电倍增管（PMT）n原理：光阴极产生的一次光电子被高电场加速，发射到打拿极并产生二次电子发射；二次电子多少重复以上过程，如此电子的数目也得到可观倍增；一般打拿极的级数可达10级以上，平均倍增系数可达1051

8、07n优点：灵敏度高、暗电流小、光电转换能力强、动态响应速度快、信号检测能力强、稳定、较为可靠n缺点：需要高压，体积大，易碎，缺少长波长器件光束发散等效损耗010203040500 510 1520 2530 3540 =850nm，0=5cm=1550nm，0=1mm=850nm，0=1mm=1550nm，0=5cm距离（km）衰减（dB）010203040500 510 1520 2530 3540 =850nm，0=5cm=1550nm，0=1mm=850nm，0=1mm=1550nm，0=5cm距离（km）衰减（dB）接收天线光强光锥发散角)(22211lg10LDe光学天线n作用n在

9、发送端，对激光束实现扩束，压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求n在接收端，增大接收面积，大大提高了所接收到的信号光功率，压缩接收视野，减少背景光干扰n大气光通信常用折射式光学天线目镜物镜准直输出8.4 调制方式调制方式n脉冲位置调制（PPM）n目的：提高传输通道抗干扰能力n常用的PPM包括：n单脉冲脉位调制（L-PPMn差分脉冲位置调制（DPPM）n多脉冲PPM调制方式n与OOK调制的比较n平均发送光功率都有所降低nL-PPM调制和L-DPPM调制都有不同程度的带宽扩张n多脉冲PPM调制在选择合适的脉冲数时可以减小带宽扩张甚至没有带宽扩张8.5 大气激光通信系统系统框图

10、电端机线路编/解码光调制/解调光学收/发天线自动跟瞄自适应光学波前校正信源/信宿自动功率控制各部件功能n电端机实现对信息的编码和还原n线路编码实现前向纠错n光调制解调单元实现信号的电-光/光-电变换n自动功率控制补偿大气条件变化导致的激光束传播损耗变化n光学收发天线：接收光学天线的任务是将一定面积内的信号光会聚到光检测器上，目的是增大接收光信号功率；发送光学天线的任务是压缩光束发散角，降低激光束在大气中传播时的发散损耗构成光学天线的主要方式 n收发分离式n收发合一式光学带通滤波片LDAPD光学带通滤波片遮挡和晃动n阵列发射接收解决遮挡问题n散光法和自动跟踪解决建筑物晃动问题接收天线光强光锥发散

11、角大气光通信设备实例光学天线光学天线发收6芯光缆除霜电源线光端机光端机2芯光缆光口用户通信设备用户通信设备SDH-155PSH-1441-64 E1100BaseTATM-1558E1+100BTPFM用户信号110220V AC或-48V DC大气光通信设备实例用户光纤接口用户光纤接口发收发射组件接收组件发发发发收收管理和控制光纤内缆光驱动设备光学天线8.6 大气激光通信的应用大气激光通信的应用 n城域网扩展n局域网互联n最后1km接入n光纤链路的备份n宽带网接入n无线基站数据回传n与DWDM设备集成n快速业务开通n其它特殊场合第9章 星间激光通信 卫星光通信链路分类n星间链路nISLnIO

12、Ln星地链路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步轨道低轨道星地链路GEOGEOLEOLEO地球地面站ISLIOL同步轨道低轨道星地链路9.3.1 主要问题及对策主要问题n共性问题n损耗n通信光束的对准、捕捉和跟踪n背景噪声n多谱勒频移n星地光通信面临的问题n大气信道n衰减/湍流损耗n自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比n星间距离通常在数千到数万公里n自由空间损耗 在250dB以上24lg10dLf光学天线-解决损耗问题n天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比 n光波波长在m数量级，小口径天线即可获得巨大增益n工作波长为1550 nm时，20cm

13、口径的天线即可实现110dB以上的增益)(lg102DG发散角问题n圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比 n20cm口径的天线工作在1550nm波长时，其3dB光束发散角仅为7.9 rad n开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准dP02. 122/PAT子系统-解决对准问题n瞄准、捕获和跟踪（PAT）子系统n瞄准-天线指向n捕获-实现通信光束的对准n跟踪-吸收卫星机械振动引起的光束偏移广谱宇宙噪声0.60.40.81.01.21.41.620406080100SiGeInGaAsP波长波长 ( m)量量子子效效率率%几种常用光电检测器的波长响应特性光学滤

14、波器-解决背噪问题n光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流n光学滤波技术成熟，大量应用于DWDM系统n闪耀光栅n多层介质薄膜n阵列波导干涉型n光纤光栅型多普勒频移n光载波频移大小：nIOL链路存在此问题影响nGEO-LEO链路中，多普勒频移量接近9GHz，对应的波长变化范围约0.08nmv光源光源观察者观察者光源运动方向光传播方向ff1cos112cv大气信道n大气效应n大气吸收n大气散射n大气湍流n对光束的影响n衰减n多径色散n到达角起伏n闪烁选择工作波长天天顶顶角角= =0 0大大气气质质量量比比= =1 10.30.50.70.

15、91.11.36 60 0，2 2能能见见度度极极佳佳（31km）对对大大气气质质量量比比等等于于1时时7 70 0. .5 5，3 3波波长长 （ m）020406080100透透射射率率（%）天天顶顶角角= =0 0大大气气质质量量比比= =1 10.30.50.70.91.11.36 60 0，2 2能能见见度度极极佳佳（31km）对对大大气气质质量量比比等等于于1时时7 70 0. .5 5，3 3波波长长 （ m）020406080100透透射射率率（%）避开大气高损耗波长AO-部分解决大气湍流问题n自适应光学（AO）技术，在天文观察领域提出，用于改善大气湍流条件下的天体成像质量nA

16、O主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上光斑的功率波动，提高接收性能9.3.2 卫星光通信系统总体功能框图调制器信号光源光电检测误差检测误差信号处理伺服机械合束器分束器精瞄跟踪装置光学收发天线粗瞄装置信标信号信标光源接收机光学天线平台发射光束接收光束信息数据输入输出控制计算机n系统组成n光学天线子系统nPAT子系统n光波调制解调子系统光学天线子系统n星间激光通信中，光学天线的作用十分重要， 主要表现在两方面： n在发送端n对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径，可以有效的压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求n在接收端n增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰

17、，可充分提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离光学天线类型n常见类型n折射式天线n伽利略式n开普勒式n反射式天线n单反射面n双（多）反射面n折反射组合式天线 几种双反射面光学天线n牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方n卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处n格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远侧焦点处牛顿式卡塞格伦式格雷果里式卡塞格伦天线-常见选择n优点n没有实焦点n重量轻n光路设计方便MNF1F2馈源2b 2aPAT子系统光学天线发送光束接收光束光发送机光束方向驱动功能单元光接收机

18、开环瞄准功能单元跟踪功能单元捕获功能单元信标光源PAT工作流程n开环瞄准n捕获n扫描n误差检测n天线方向调整n跟踪n误差检测n光束方向微调扫描方式n单方扫描（StareScan）n光束扫描nFOV扫描n双方扫描（ScanScan）扫描过程n主动方按完善的扫描策略计算出若干扫描点，确保在某扫描点上发送光束一定可以覆盖被动方；n主动方驱动天线逐一瞄准各个扫描点，并在每个扫描点作一定时间的驻留；n在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的 FOV 中（因为被动方有足够大的FOV，因此在其未实现天线精确对准的情况下，也能在 FOV 中捕获到主动方投射来的发送光束）；n在主动方于该扫描点上驻留的时间内，被

19、动方卫星根据 FOV 中主动方出现的位置计算出对准误差，并进一步计算出纠正数据，驱动本方天线实现精确接收对准，同时也实现了本方发送光束到主动方的对准；n被动方出现在主动方的接收 FOV 中，主动方计算出对准误差和纠正数据并驱动天线实现精确对准，停止扫描。扫描过程完成。扫描策略n误差检测部件n4QDn光束方向调整部件n快速倾斜镜（FSM）n目前：快速调整跟踪以吸收卫星振动IAIDIBICxyPAT典型光路二轴反射镜天线方向驱动系统CCD信标光源半反镜卡塞格伦光学天线误差计算开环瞄准卫星状态信息扫描控制跟踪反射镜跟踪驱动误差计算QD光学滤波片捕获跟踪控制APD光束准直LD跟踪残差0-2002000-30300-6080AO子系统-0.500.5-0.500.5-10-50510波前探测器透镜阵列CCD阵列单个透镜成像nH-S波前传感器AO对接收性能的改善 0.0 1.0时间（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）无AO0-10有AO调制/解调子系统n光强调制/直接检测（IM/DD ）n为提高传输通道抗干扰能力，可采用脉冲位置调制（PPM） n单脉冲PPM