6 无线激光通信的发展与前景
发布时间：2022-10-08 11:24:51 所属栏目：应用 来源：
导读： 笔者近两学期正在从事一个关于光通信的创新项目，这篇文章是基于项目刚开展时所查资料写的，当时是为了应付一篇课程论文。
摘要：无线激光通信以激光束作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质。最
摘要：无线激光通信以激光束作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质。最
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笔者近两学期正在从事一个关于光通信的创新项目，这篇文章是基于项目刚开展时所查资料写的，当时是为了应付一篇课程论文。 摘要：无线激光通信以激光束作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质。最简单的无线通信系统可以被归结为发射和接收两个主要子系统。大气信道特性使得激光在大气中传输有衰减，大气湍流效应会引起激光在传输过程中在时间和空间上的随机起伏。在激光通信中,瞄准捕获与跟踪系统(APT)至关重要,决定着通信链路的建立速度、维持能力以及通信质量。在国外基于大气激光通信的研究主要综合了地面、飞机、卫星等方面进行，在这方面，美国、日本、欧洲处于领先地位。国内在基于大气激光通信的系统研究方面起步较晚，不过近年来进展迅速。无线激光通信还有很多潜在的应用场景，如深空光通信、水下激光通信、单兵无线激光通信等。 关键词：自由空间光通信，大气光学，捕获、瞄准和跟踪 1 简介 现有网络通信的发展已经相当全面，骨干网和光纤网络已经基本覆盖了我们的很多高速 通信场合。这些基于有线的通信网络具有高带宽、抗干扰能力强等优点，具有很强的业务提 供能力，为我们提供了丰富的通信内容，包括数据、语音、视频等。但是这些网络大多数还 是基于有线网络，在应急通信或者存在地理环境阻隔等场合存在灵活性差的缺点，需要采用 其它通信方式来弥补，而无线激光通信是一种非常适合的通信方式。 无线激光通信又被称为FSO（Free Space Optical,自由空间光通信〕，是一种以自由空间为传输信道的通信方式，具有高码率、高带宽、灵活等优点。无线激光通信根据自由空间信道的不同可以划分为大气激光通信、水下激光通信等等。[1] 无线激光通信以激光束作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质。早期，无线激光通信的研究与应用集中于航空航天和军事国防领域。随着各方面技术的发展，无线激光通信逐渐应用于上用地面通信，整体的工艺也在日臻成熟。 公元前七百多年，我国就已经使用烽火台进行了或光通信。这可以认为是一种建议的通信系统——信号源时烽火；调制方式是“点燃—熄灭”的二进制编码；传输介质是大气；接收处理装置是人眼与人脑。当然，这种原始的方式有许多缺点：易受天气干扰、难以保密、信息量低、传输距离短。 到了1880年，贝尔研制成功第一部光学电话，采用弧光灯作为信号源，使用话筒薄膜作为调制器，光电池作为接收器。在二战期间，人们在贝尔光电话的基础上进行了改进，实现了五英里级别的无线光通信。为了增强保密性，光源被换为红外线。[2] 20世纪60年代，高锟和G.A.Hockham在一系列论证后提出了基于光纤的远距离通信方案。他们语言光波导材料的衰减率可以被优化至20dB/km，光纤每秒能够传送十亿位数字信号。果然，四年后材料技术达到了指标要求，光纤通信开创了人类光通信的新纪元。 目前，卫星间主要借助微波进行通信。受制于体积，深空干扰等因素，其超大容量的无线通信只能通过发展卫星间光通信解决。卫星间激光通信具有高可靠性、高码率、信道容量大等优点。同时，激光散射角度极小，可以节省功耗，提高通信质量，并且具有保密和抗干扰能力。下表展示了微波和激光的波长对比。 无线激光通信的应用主要包括三个方面： （1）卫星间，星地间远程大容量通信； （2）岛屿间，楼宇间，江河两岸短距通信，或者用于解决光纤入网的“最后一公里”； （3）水下通信，潜艇间通信等 2 无线激光通信的基本原理2.1 无线激光通信的系统组成 最简单的无线通信系统可以被归结为发射和接收两个主要子系统。无线激光通信的收发系统也类似，如下图所示： 无线激光通信概念图 待传送的信号经过编码器编码以后，加载到调制器的激励器上，调制器的激励电流就随着信号的变化规律而变化。激光的输出信号经过调制器调制以后，强度、香味和偏振就会按照相应地规律变化。最后经过光学天线变换为发散角很小的已调光向空间发射出去。接收端接收到已调光束之后，首先经过光检测器转换成射频电流，然后馈入射频检波器，最后由解码器解调出原来的信号。光学天线就是望远镜，相比于无线电通信的天线更加轻便紧凑。 2.2激光的传播 在发射机和接收机之间，是一段传播路径，称之为信道。大气激光通信系统光源发射的激光束强度服从高斯分布，根据高斯分布的概率密度函数可知，在激光束中心的光强强度是最强的，然后从中心向周边的光强强度会呈现出指数下降。[3]沿着激光光束传输的方向建立Z轴，可知高斯光束的光场强振幅分布可以用公式(1)描述，光束的束腰中心为Z轴的原点: E(r,z)=\frac{A_{0}}{\omega(z)}e^{\frac{-r^{2}}{\omega^{2}(z)}}(1) 公式(1)中的 \omega(z) 表示高斯激光束在z点处的光斑半径，其中z为高斯激光束沿着Z轴传播的距离，r为激光截面上的某点到Z轴的垂直距离。根据高斯激光束的传播形式，可以得 到它的光斑半径公式如下： \omega(z)=\omega_{0}\sqrt{1+(\frac{z\lambda}{\pi \omega_{0}^{2}})^{2}}(2) 上式中 \lambda 为激光的波长，\omega_{0} 为高斯激光束的初始光斑半径。这里的通信距离对于高斯光束而言是属于远场情况光通信应用，即z远大于 \frac{\pi \omega_{0}^{2}}{\lambda} ，从而可以得到高斯激光束的远场发散半角公式如下： \theta=\frac{\lambda}{\pi \omega_{0}}(3) 在远场条件下,对于高斯激光束而言，可以计算激光通过光学发射天线发射后，在接收端经过光学接收天线汇聚，最终得到的高斯光束的激光发散角 \theta 和光斑直径 \bar{\omega} 分别为: \theta=\frac{2\lambda}{\pi \omega_{0}}(4) \bar{\omega}=2\omega(z)=\frac{2\lambda z}{\pi \omega_{0}}(5) 假设大气激光通信系统的发射功率和接收灵敏度已经确定，那么整个系统的通信能力和 通信质量在很大程度上就是由激光传输效果决定的。由公式(1)可以看出，激光发射功率密 度与高斯激光束的光斑直径成反比，那么在接收天线接收口径不变的条件下，可以得到激光 发射光束的光斑直径越小，激光发射功率密度越大，与此同时激光传输距离越远。由公式(4)和公式(5)可以看出，我们要想减小高斯激光束的光斑直径，可以采用准直扩束的方法，即 通过增大激光发射光束的光斑半径从而减小激光发散角，从而增加激光传输距离。 2.3 大气对激光的削弱 大气激光通信最大的特点就是大气信道特性，它决定了大气激光通信系统中存在的问题。一方面，大气中的各种颗粒物和各种复杂的气象现象对激光在大气中传输都有衰减作用，这会造 成激光功率快速减小，同时也会导致激光传输方向的偏离，影响了激光的准直特性。大气中 的一些气体分子对激光具有选择性吸收作用，悬浮颗粒会造成激光散射作用，导致激光衰减。如下图所示： 另一方面，大气信道的另一个明显特征就是存在大气湍流效应。大气信道中存在大气湍流效应的主要原因是随机的微小温度变化会导致风速的随机变化。大气湍流效应会引起激光在传输过程中在时间和空间上的随机起伏，主要表现为激光折射率的随机起伏和激光截面内的强度的随 机起伏。激光传输过程的大气湍流现象还会引起光束抖动、强度抖动、光束扩展、像点抖动等现象，对大气激光通信系统的通信质量产生了严重的不利影响。 2.3.1 大气折射 空气折射率n与光波波长，空气温度T，湿度e，压强p和高度h有关，可表示为： n=1+N(\lambda,T,p,e,h)(6) 其中N为折射率模，在标准大气状况下，T=288.15K，p=1.01325*105Pa，e=0，此时有Cauchy色散公式： N_{0}=\frac{a}{\frac{1}{\lambda_{0}^{2}}-\frac{1}{\lambda^{2}}}(7) 近似地可以表达为： N=\frac{0.79p}{T}(8) 激光在大气传输过程中，由于折射率的分布不均将产生弯曲，其曲率C取决于折射率的垂直梯度 \frac{\partial d}{\partial n} 。在近地面情况下，主要受温度影响。人们在炎热天气中看到的光滑路面上的“水面”就是由温度梯度异常造成的“下现蜃景”。 2.3.2 大气吸收 激光在大气中传输时，因与大气相互作用而衰减。光强I的变化规律服从Beer定律： I(\nu,z)=I_{0}(\nu)e^{-(\alpha+s)z}(9) 式中 I_{0}(\nu) 为参考光强， \alpha 和s分别为吸收系数和散射系数， (\alpha+s) 称为消光系数。大气对激光的吸收是由分子吸收光谱特性决定的。大气分子的吸收特性较为复杂，且吸收系数强烈依赖于频率。完整描述任何一种气体分子的吸收特性应包含频率，谱线线型和强度。 2.3.3 大气散射 激光在大气中传输时，大气分子和气溶胶粒子会对光产生散射辐射的频率与入射辐射的频率相同，而且光子能量无损失时称为弹性散射。 激光由地面向空中传播时，散射系数是高度的函数，分子和气溶胶粒子的散射系数都随高度呈负指数规律变化，随高度增加而迅速变小。 3 瞄准捕获与跟踪(APT) 在激光通信中,瞄准捕获与跟踪系统(APT)至关重要,决定着通信链路的建立速度、维持能力以及通信质量。 3.1 APT系统的组成与原理 快速、精确的ATP技术是保证无线激光通信的必要核心技术。ATP系统的作用是在接收端探测发射端发出的信标光，并对其进行捕获、跟踪，然后返回一信标光到发射端,借以完成点对点的锁定,在两端间建立通信链接。 然后，双方用通信光速开始传输数据，实现通信。在整个通信过程中，这一链接需一直保持。如因某种原因链接断开，这就需要 ATP系统尽快重新进行捕获、跟踪和瞄准。典型ATP系统一般采用复合控制系统结构，它可分为粗瞄准机构、精瞄准机构、预瞄准机构、控制及传感器电子学系统等。 粗瞄准机构一般包括二维万向转台、望远镜、 CCD传感器等器件 ,具有低的伺服带宽，大的动态范围。在粗瞄准机构中 ,采用两路交流力矩电机驱动的二维万向转台实现水平角和俯仰角定位，由CCD传感器检测光信号作为角位置反馈。在捕获阶段，它工作在开环方式下，它接收信号，将望远镜定位到对方通信终端的方向上，以便来自对方的信标光进入捕获探测器的视场。在粗跟踪阶段 ,它工作在闭环方式下，根据目标在探测器上的位置与探测器中心的偏差来控制万向架上的望远镜。 精瞄准机构具有高的伺服带宽，窄的动态范围，它利用压电陶瓷驱动二维偏转镜实现水平角和俯仰角的角度精调，采用四象限光电二极管APD分别作为信标光角位置探测器和信号光角位置探测器。它工作在闭环方式下，根据精瞄探测器的误差信号，控制二维快速偏转镜，跟踪入射光束。预瞄准机构由偏转镜和四象限APD传感器构成。收发端在某一时刻的位置和速度可通过监测手段和动力学方程进行预测。采用开环控制方式 ,使出射光预先偏离入射光相应角度 ,从而使出射光可精确 地瞄准对方。下图为空间光通信中 ATP系统的组成 框图。 3.2 APT系统的关键技术 3.2.1 精瞄偏转镜 用于精瞄准机构的压电陶瓷驱动的二维偏转镜采用两块内置电阻应变片式传感器压电陶瓷，压电陶瓷分别分布在两条偏转轴上，且到两偏转轴交点的距离相等。两条相互垂直的偏转轴是由两个相互垂直的柔性铰链机构形成的。当一块压电陶瓷输出位移时，将使工作台产生一定的偏转。通过压电陶瓷驱动柔性铰链杠杆结构，实现了工作台的偏转或微位移的放大，极大地拓展了压电陶瓷驱动器的应用领域，并保证了运动平稳、无间隙、无机械摩擦、高位移分辨率。[4] 3.2.2 闭环控制器 由于ATP系统维修费用极高，因此必须选择成熟、可靠性高、简单有效的跟踪控制算法。在国外为卫星激光通信设计的APT系统中，其跟踪控制器都采用比例积分或比例积分微分控制算法 ,如日本的 LCE激光通信实验装置采用模拟电路来实现PI控制，欧空局(ESA)的 SILEX实验装置采用DS来完成数字PI控制。下图是一种用于APT的简易闭环控制系统。[5] 4 无线激光通信系统的现状与未来4.1 国内外发展状况 在国外基于大气激光通信的研究主要综合了地面、飞机、卫星等方面进行，在这方面，美国、日本、欧洲处于领先地位。由于它们的研究是以军用为主要目的，因此美国、欧洲、 日本的主要研究机构都是国家或者军事部门，如美国的航空宇宙航行局、 日本的宇宙开发事业团和欧洲的航天署等。 1995年，美国宇航局选择了喷气推进实验室完成了基于大气激光通信的系统演示，数据速率可达750Mbps 。美国的战略导弹防御组织研制出了激光通信的终端设备，然后进行了通信距离为42km，数据速率为1Gbps，误码率为的24小时跟踪扫描实验。 欧洲航天署从80 年代后期开始，确立了一项非常庞大的研究计划，即SILEX系统研制计划，能够实现在两颗卫星间建立实验性的激光通信链路。尽管由于非技术上的原因使得SILEX计划的研究变得缓慢，但是其设计者宣称已经可以设计出小型、高效、成本低的实用 化卫星间激光通信端机。 国内在基于大气激光通信的系统研究方面起步较晚，不过近年来进展迅速，取得了很多 研究成果，在这方面的主要研究机构有哈尔滨工业大学、清华大学、中科院、华中科技大学、 西安理工大学等等。 在 2002年，哈尔滨工业大学激光通信研究所研制成功了国内第一套激光链路模拟实验系统，这一系统可以模拟激光链路的整个发射和接收过程，并对通信指标进行测量。 在 2009年，西安理工大学进行了基于以太网的大气激光视频传输系统的研制，实验结果显示该系统的通信距离可以达到3?5km，能够实现24 小时全天候无间断实时视频网络数据通信。 4.2 现存的主要问题与难点 （1）成本高。基于大气激光通信的系统研究大多集中在军用领域，而在民用领域也基本集中在大型公司。其主要原因是光电子器件（半导体激光器、光电探测器、光学收发天线等）的成本很高，而这些器件在很大程度上决定了系统的性能。 （2）发射功率有限。对于激光产品都有人眼安全限制，但是激光发射功率直接决定了 设备的传输距离，并且激光器发射功率和调制频率是相互制约的，即大功率激光器的调制频率不能做到很高。半导体激光器的成本和温度控制的难度也会随着发射功率的增大变得越来 越高。 （3）功能性不够。主要表现在业务接口不够丰富，不能同时提供多种数据类型的发送 和接收，一般都是提供某种专用功能，需要丰富其功能性，提高设备的通用性。 4.3 未来发展 （1）深空光通信。在航天器测控和业务数据传输技术方面，我国目前主要采用低速率全向测控和高速率业务数 据两种信道。随着航天技术的不断发展，在轨卫星种类和数据不断增加，卫星对业务数据的下传需求已远远超出当前微波链路的传输能力。激光通信技术具有通信容量大、信道抗干扰性强、终端 功耗低、体积小等优点，是公认的星间超高速信息 传送的有效手段之一。根据我国航天测控系统的现状、国情及未来建立卫星网络系统的迫切需求，结 合目前国外航天大国的定位技术及通信研究动态 建立激光测控通信一体化系统，在实现激光通信 同时实现星间的距离、速度测量及时间频率传递， 将大大提高空间测控系统的测量精度及信息传输 速率，改变目前我国完全依赖地面微波测控系统 的局面，我国才能在未来的卫星技术竞争中处于不败之地。[6] （2）水下激光通信。近几年来经过研究，已经提出了解决水下激光通信的两种设想方案。 一 种方案是在空间部署“ 激光反射卫星”。 它的特点就是将激光器部署在地球表面的某个固定场地上，或者为了提高其生存能力, 还可以把激光器装在可移动的平台上。它们产生的信号调制的激光射束将通过“激光反射卫星”上的激光反射镜反射到大洋中的某些区域，为在深水中游弋的核潜艇提供通信服务。另一种方案就是直接使用“激光卫星”。它的特点就是把蓝绿激光器装在卫星上，而它的上行线路则采用射频传输方式。 （3）单兵无线通信。随着信息战对抗手段的不断进步与发展，传统的微波通信已经不能满足现代战场的需求，而激光通信具有抗干扰，抗截获，抗压制的能力，愈来愈受到各国的高度重视。激光较强的单向性只能实现点对点的通信，同时要求光轴的对准精度较高。传统的激光通信设备均为机械式粗跟踪转台，不适于单兵通信。单兵手持激光通信机稳像系统，利用直接式陀螺稳定平台的稳像原理，克服了手臂抖动对激光通信机的影响，提高了瞄准精度，同时通信的反射光轴和接收光轴与瞄准视轴同轴，同步稳定，瞄准后即可保证通信光轴对准，适合单兵作战的需要。 当然，无线激光通信还有很多潜在的应用场景。 5 结语 总体来说，激光通信最突出的优点是信道容量大、保密信号，显然也有很多缺点和难点需要克服。上世纪末可以说是激光通信的黄金发展时期，而随着无线通信的发展，激光通信的受关注度逐渐下降了。不过，随着科技的发展，激光通信的硬件单元能够向着小型化、轻便化的方向发展，从而突出其优点，使之成为复杂电磁环境与特殊情境下的一种可靠的保密通信方式。 （编辑：PHP编程网 - 钦州站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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