第8、9章空間激光通信

光通信原理與技術(shù)空間光通信概念空間光通信是一種利用光波在空間中的傳播達成的通信方式優(yōu)點：與傳統(tǒng)的無線電通信（微波通信）相比承載能力更強與光纖通信相比在靈活性、成本、建設(shè)周期方面具有明顯優(yōu)勢空間光通信分類第8章大氣激光通信本章內(nèi)容概述激光在大氣信道中的傳播特性用于大氣激光通信的關(guān)鍵器件和技術(shù)調(diào)制方式大氣激光通信系統(tǒng)大氣激光通信的應(yīng)用8.1概述大氣激光通信的研究進展又被稱為自由空間光通信（FSO，F(xiàn)reeSpaceOptics）發(fā)展大致經(jīng)過了高峰——低谷——復(fù)蘇三個階段20世紀60～70年代，研究高峰期特點：激光剛出現(xiàn)，使用激光實現(xiàn)大氣光通信，獨占光通信舞臺20世紀70～80年代，衰落期光纖出現(xiàn)，光纖通信壓倒性優(yōu)勢20世紀90年代至今，復(fù)蘇期作為光纖通信的補充，與其它無線通信方式競爭大氣激光通信的應(yīng)用優(yōu)勢無線優(yōu)勢容量優(yōu)勢電磁兼容優(yōu)勢保密優(yōu)勢尺寸優(yōu)勢價格優(yōu)勢功耗優(yōu)勢面臨的主要問題大氣信道問題大氣信道衰減大氣湍流的影響大氣信道散射背景光干擾其它問題飛行物遮擋工作平臺方位穩(wěn)定性8.2激光在大氣信道中的傳播特性大氣效應(yīng)大氣吸收在紫外、可見光及紅外區(qū)域，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收帶之間少數(shù)幾個區(qū)域中存在相對“透明”的“窗口”，在這些窗口中輻射透過率較高，吸收較弱，通常稱大氣窗口大氣散射造成光能量衰減的主要原因是懸浮粒子的散射，一般說來，對于半徑r≤0.3m的粒子（如氣體分子），波長在1m附近，瑞利定律的誤差≤1%，當粒子半徑r>0.3m時（如懸浮塵埃等），須采用米氏定律。當粒子半徑比輻射波長至少大40m時（如霧滴、雨滴等）才出現(xiàn)非選擇性散射大氣散射造成光衰減，是大氣窗口上主要的損耗來源，但也可有意利用大氣散射構(gòu)成散射信道大氣湍流湍流是指大氣中局部溫度、壓力的隨機變化而帶來的折射率的隨機變化其它背景光/熱暈大氣透射譜瑞利散射與米氏散射瑞利散射光子與空氣粒子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生特點：散射的強度和波長的四次方成反比；散射光的散射強度與觀察方向之間有著比較簡單的關(guān)系；前向散射能量和后向散射能量相等；90度方向的散射光幾乎是偏振的米氏散射散射顆粒的大小可以與輻射波長可比擬時產(chǎn)生米氏散射特點：主要的散射能量集中在前向方向上大氣綜合衰減系數(shù)表

不同天氣時的大氣綜合衰減系數(shù)和能見度表（工作波長850nm）

天氣情況

能見度

大氣衰減系數(shù)（dB/km）

非常晴朗

50～20km

0.20～0.52

晴朗

20～10km

0.52～1.0

輕霾

10～4km

1.0～2.9

陰

4～2km

2.9～5.8

薄霧

2～1km

5.8～14.0

輕霧

1000～500m

14.0～34.0

中霧

500～200m

34.0～84.9

濃霧

200～50m

84.9～339.6

大氣散射損耗經(jīng)驗公式當工作波長選擇在低損耗窗口時，大氣損耗主要由散射造成大氣散射損耗經(jīng)驗公式：能見度V定義為最初光功率衰減到2%的距離非視線紫外大氣散射信道背景光噪聲太陽光譜8.3關(guān)鍵器件和技術(shù)光源工作波長不僅要考慮低損耗窗口，還要注意避開背景光的高輻射譜段可以認為810～860nm、1550～1600nm都是無線光通信中可以選擇的通信波長功率要求大氣吸收/散射問題光束發(fā)散問題通常選擇在數(shù)十mW以上

光檢測器半導(dǎo)體光檢測器PD和APD真空器件真空光電管真空光電倍增管（PMT）原理：光陰極產(chǎn)生的一次光電子被高電場加速，發(fā)射到打拿極并產(chǎn)生二次電子發(fā)射；二次電子多少重復(fù)以上過程，如此電子的數(shù)目也得到可觀倍增；一般打拿極的級數(shù)可達10級以上，平均倍增系數(shù)可達105~107優(yōu)點：靈敏度高、暗電流小、光電轉(zhuǎn)換能力強、動態(tài)響應(yīng)速度快、信號檢測能力強、穩(wěn)定、較為可靠缺點：需要高壓，體積大，易碎，缺少長波長器件某型PMT光譜響應(yīng)曲線

光束發(fā)散等效損耗接收天線光強光錐發(fā)散角光學天線作用在發(fā)送端，對激光束實現(xiàn)擴束，壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對光源的光發(fā)射功率要求在接收端，增大接收面積，大大提高了所接收到的信號光功率，壓縮接收視野，減少背景光干擾大氣光通信常用折射式光學天線目鏡物鏡準直輸出8.4調(diào)制方式調(diào)制方式脈沖位置調(diào)制（PPM）目的：提高傳輸通道抗干擾能力常用的PPM包括：單脈沖脈位調(diào)制（L-PPM差分脈沖位置調(diào)制（DPPM）多脈沖PPM調(diào)制方式與OOK調(diào)制的比較平均發(fā)送光功率都有所降低L-PPM調(diào)制和L-DPPM調(diào)制都有不同程度的帶寬擴張多脈沖PPM調(diào)制在選擇合適的脈沖數(shù)時可以減小帶寬擴張甚至沒有帶寬擴張8.5大氣激光通信系統(tǒng)系統(tǒng)框圖各部件功能電端機實現(xiàn)對信息的編碼和還原線路編碼實現(xiàn)前向糾錯光調(diào)制解調(diào)單元實現(xiàn)信號的電-光/光-電變換自動功率控制補償大氣條件變化導(dǎo)致的激光束傳播損耗變化光學收發(fā)天線：接收光學天線的任務(wù)是將一定面積內(nèi)的信號光會聚到光檢測器上，目的是增大接收光信號功率；發(fā)送光學天線的任務(wù)是壓縮光束發(fā)散角，降低激光束在大氣中傳播時的發(fā)散損耗構(gòu)成光學天線的主要方式收發(fā)分離式收發(fā)合一式光學帶通濾波片LDAPD光學帶通濾波片遮擋和晃動陣列發(fā)射接收解決遮擋問題散光法和自動跟蹤解決建筑物晃動問題接收天線光強光錐發(fā)散角大氣光通信設(shè)備實例~光學天線發(fā)收6芯光纜除霜電源線光端機2芯光纜光口用戶通信設(shè)備SDH-155PSH-1441-64E1100BaseTATM-1558E1+100BTPFM用戶信號110~220VAC或-48VDC大氣光通信設(shè)備實例用戶光纖接口用戶光纖接口發(fā)收發(fā)射組件接收組件發(fā)發(fā)發(fā)發(fā)收收管理和控制光纖內(nèi)纜光驅(qū)動設(shè)備光學天線8.6大氣激光通信的應(yīng)用大氣激光通信的應(yīng)用城域網(wǎng)擴展局域網(wǎng)互聯(lián)最后1km接入光纖鏈路的備份寬帶網(wǎng)接入無線基站數(shù)據(jù)回傳與DWDM設(shè)備集成快速業(yè)務(wù)開通其它特殊場合第9章星間激光通信衛(wèi)星激光通信——優(yōu)勢的結(jié)合利用光載波極高的頻率可達成巨大的通信容量利用光器件體積小、重量輕的優(yōu)點可顯著降低衛(wèi)星質(zhì)量利用光波波長短的優(yōu)點可減小天線口徑，提高衛(wèi)星有效載荷利用衛(wèi)星通信的優(yōu)點可方便地實現(xiàn)全球覆蓋和移動性衛(wèi)星光通信鏈路分類星間鏈路ISLIOL星地鏈路9.3.1主要問題及對策主要問題共性問題損耗通信光束的對準、捕捉和跟蹤背景噪聲多譜勒頻移星地光通信面臨的問題大氣信道衰減/湍流損耗自由空間的傳輸損耗與距離的平方成正比，與波長的平方成反比星間距離通常在數(shù)千到數(shù)萬公里自由空間損耗在250dB以上光學天線----解決損耗問題天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長的平方成反比光波波長在m數(shù)量級，小口徑天線即可獲得巨大增益工作波長為1550nm時，20cm口徑的天線即可實現(xiàn)110dB以上的增益發(fā)散角問題圓形口面的天線其波束主瓣半功率角寬度與工作波長成正比，與天線口徑成反比

20cm口徑的天線工作在1550nm波長時，其3dB光束發(fā)散角僅為7.9rad開環(huán)方式基本上不可能實現(xiàn)通信雙方光束的對準PAT子系統(tǒng)----解決對準問題瞄準、捕獲和跟蹤（PAT）子系統(tǒng)瞄準----天線指向捕獲----實現(xiàn)通信光束的對準跟蹤----吸收衛(wèi)星機械振動引起的光束偏移廣譜宇宙噪聲幾種常用光電檢測器的波長響應(yīng)特性光學濾波器----解決背噪問題光電檢測前，在光域?qū)π盘栠M行窄帶濾波，僅讓特定波段的信號光通過，從而大大減少背景光產(chǎn)生的噪聲光電流光學濾波技術(shù)成熟，大量應(yīng)用于DWDM系統(tǒng)閃耀光柵多層介質(zhì)薄膜陣列波導(dǎo)干涉型光纖光柵型多普勒頻移光載波頻移大?。篒OL鏈路存在此問題影響GEO-LEO鏈路中，多普勒頻移量接近9GHz，對應(yīng)的波長變化范圍約0.08nmvq光源觀察者光源運動方向光傳播方向大氣信道大氣效應(yīng)大氣吸收大氣散射大氣湍流對光束的影響衰減多徑色散到達角起伏閃爍選擇工作波長避開大氣高損耗波長AO----部分解決大氣湍流問題自適應(yīng)光學（AO）技術(shù)，在天文觀察領(lǐng)域提出，用于改善大氣湍流條件下的天體成像質(zhì)量AO主要改善光束聚焦質(zhì)量，在通信中可抑制光電檢測器上光斑的功率波動，提高接收性能9.3.2衛(wèi)星光通信系統(tǒng)總體功能框圖調(diào)制器信號光源光電檢測誤差檢測誤差信號處理伺服機械合束器分束器精瞄跟蹤裝置光學收發(fā)天線粗瞄裝置信標信號信標光源接收機光學天線平臺發(fā)射光束接收光束信息數(shù)據(jù)輸入輸出控制計算機系統(tǒng)組成光學天線子系統(tǒng)PAT子系統(tǒng)光波調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)光學天線子系統(tǒng)星間激光通信中，光學天線的作用十分重要，主要表現(xiàn)在兩方面：在發(fā)送端對激光束實現(xiàn)擴束，增大激光束的束腰半徑，可以有效的壓縮光束發(fā)散角，減少光束發(fā)散損耗，降低對光源的光發(fā)射功率要求在接收端增大接收面積，壓縮接收視野，減少背景光干擾，可充分提高光接收機的信噪比，延伸系統(tǒng)的通信距離光學天線類型常見類型折射式天線伽利略式開普勒式反射式天線單反射面雙（多）反射面折反射組合式天線幾種雙反射面光學天線牛頓式光學天線的副鏡面為平面鏡，成像于主鏡的側(cè)方卡塞格倫式光學天線的副鏡面為旋轉(zhuǎn)雙曲面，內(nèi)側(cè)焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的外側(cè)焦點處格雷果里式光學天線的副鏡面為旋轉(zhuǎn)橢圓面，近側(cè)焦點與主鏡焦點重合，成像于主鏡后方的遠側(cè)焦點處牛頓式卡塞格倫式格雷果里式卡塞格倫天線----常見選擇優(yōu)點沒有實焦點重量輕光路設(shè)計方便MNF1F2饋源2b2aPAT子系統(tǒng)光學天線發(fā)送光束接收光束光發(fā)送機光束方向驅(qū)動功能單元光接收機開環(huán)瞄準功能單元跟蹤功能單元捕獲功能單元信標光源PAT工作流程開環(huán)瞄準捕獲掃描誤差檢測天線方向調(diào)整跟蹤誤差檢測光束方向微調(diào)掃描方式單方掃描（Stare—Scan）光束掃描FOV掃描雙方掃描（Scan—Scan）掃描過程主動方按完善的掃描策略計算出若干掃描點，確保在某掃描點上發(fā)送光束一定可以覆蓋被動方；主動方驅(qū)動天線逐一瞄準各個掃描點，并在每個掃描點作一定時間的駐留；在某掃描點上主動方發(fā)送光束出現(xiàn)在被動方的FOV中（因為被動方有足夠大的FOV，因此在其未實現(xiàn)天線精確對準的情況下，也能在FOV中捕獲到主動方投射來的發(fā)送光束）；在主動方于該掃描點上駐留的時間內(nèi)，被動方衛(wèi)星根據(jù)FOV中主動方出現(xiàn)的位置計算出對準誤差，并進一步計算出糾正數(shù)據(jù)，驅(qū)動本方天線實現(xiàn)精確接收對準，同時也實現(xiàn)了本方發(fā)送光束到主動方的對準；被動方出現(xiàn)在主動方的接收FOV中，主動方計算出對準誤差和糾正數(shù)據(jù)并驅(qū)動天線實現(xiàn)精確對準，停止掃描。掃描過程完成。掃描策略誤差檢測部件4QD光束方向調(diào)整部件快速傾斜鏡（FSM）目前：快速調(diào)整跟蹤以吸收衛(wèi)星振動IAIDIBICxyPAT典型光路二軸反射鏡天線方向驅(qū)動系統(tǒng)CCD信標光源半反鏡卡塞格倫光學天線誤差計算開環(huán)瞄準衛(wèi)星狀態(tài)信息掃描控制跟蹤反射鏡跟蹤驅(qū)動誤差計算QD光學濾波片捕獲跟蹤控制APD光束準直LD跟蹤殘差0-2002000-30300-6080AO子系統(tǒng)波前探測器透鏡陣列CCD陣列單個透鏡成像H-S波前傳感器AO對接收性能的改善0.01.0時間（秒）0-10-20-30-40接收光功率（dBm）無AO0-10有AO調(diào)制/解調(diào)子系統(tǒng)光強調(diào)制/直接檢測（IM/DD）為提高傳輸通道抗干擾能力，可采用脈沖位置調(diào)制（PPM）單脈沖PPM差分PPM多脈沖PPM9.3.3典型系統(tǒng)簡介SILEXSILEX：Semiconductor-laserInter-satelliteLinkEXperiment，半導(dǎo)體激光星間鏈路實驗ESA于80年代后期確立的星間激光通信計劃1994年通過設(shè)備級方案評審1996年進行子系統(tǒng)的性能測試1998年3月22日LEO衛(wèi)星發(fā)射2001年7月12日GEO衛(wèi)星發(fā)射2001年11月22日實現(xiàn)星間激光通信SILEX示意圖ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波對地鏈路SILEX工作參數(shù)設(shè)計傳輸距離45000km，上行速率50Mbps，下行速率2Mbps通信子系統(tǒng)采用IM/DD方案發(fā)送端光源使用GaAlAs半導(dǎo)體激光器，GEO發(fā)送波長819nm，LEO發(fā)送波長847nm，平均輸出功率60m