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空间激光通信系统是指以激光光波作为载波大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点既具有大通信容量、高速传输的优点又不需要铺设光纤因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力并取得了很大进展。2007年
1. 传输原理
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。 图1 激光通信原理图
图1所示的是一台激光通信机的原理框图。图中系统可传递语音和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从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。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然后将这一光信号转换成电信号再将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。当开关掷向下时可传递数据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。
2. 关键技术分析
2.1 高功率激光器的选择
二氧化碳激光器
输出功率最大(10kw)输出波长有10.6 m和9.6 m但体积较大寿命较短比较适合于卫星与地面间的光通信。
Nd:YAG激光器
波长为1064nm能提供几瓦的连续输出但要求高功率的调制器并保证波形质量因此比较难于实现是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器若使半导体发射谱线与Nd:YAG激光器吸收谱线一致可减少热效应改善激光光束质量提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。
二极管激光器LD
LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点并且可以直接调制所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800860nm的ALGaAs LD和波长为9701010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有简单、高效的特点并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性在空间光通信中成为一个较好的选择。
2.2 高功率光源及高码率调制技术
在空间光通信系统中大多可采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器作为信号光和信标光光源,其工作波长为018115(m近红外波段。信标光源(采用单管或多个管芯阵列组合,以加大输出功率)要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光,以便在大视场、高背景光干扰下,快速、精确地捕获和跟踪目标,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,以克服背景光的干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器,但要求输出光束质量好,工作频率高(可达到几十兆赫至几十GHz)。具体选择视需要而定。据报道,贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHz的光源。
2.3 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术
发射与接收是空间激光通信系统中最重要的部分包括调制解调器、光发射接收天线及探测放大等装置。发射机主要是完成信息对光通过光学天线发出承载信息的激光而接收机用来接收信号光、进行光电转换通过放大、解调等处理完成通信任务。
空间光通信系统中,光接收端机接收到的信号是十分微弱的,又加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端S/N1。为快速、精确地捕获目标和接收信号,通常采取两方面的措施:一是提高接收端机的灵敏度,达到nWpW量级;其次是对所接收信号进行处理,在光信道上采用光窄带滤波器(干涉滤光片或原子滤光器等),以抑制背景杂散光的干扰,在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。精密
2.4 精密、 可靠 、 高增益的收 、 发天线
为完成系统的双向互逆跟踪, 光通信系统均采用收、 发合一天线 , 隔离度近 100 %的精密光机组件 (又称万向支架)。由于半导体激光器光束质量一般较差 , 要求天线增益要高 , 另外 , 为适应空间系统 , 天线 (包括主副镜, 合束 、 分束滤光片等光学元件)总体结构要紧凑 、 轻巧 、 稳定可靠 。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至 25 厘米。
2.6 快速、精确的捕获、跟踪和瞄准ATP技术
这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成
捕获粗跟踪系统
它是在较大视场范围内捕获目标捕获范围可达±1°±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad灵敏度约为10pW跟踪精度为几十μmrad
跟踪、瞄准精跟踪系统
该系统是在完成目标捕获后对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器QD或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现并配以相应伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百μrad,跟踪精度为几μrad跟踪灵敏度大约为几nW。
2.7 可靠高增益的收、发天线
为完成系统双向互逆跟踪空间光通信系统均采用收、发一体天线隔离度近100%的精密光机组件。由于二极管激光器光束质量一般较差要求天线增益高另外为适应空间系统天线包括主副镜合束、分束滤光片等光学元件总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25厘米。
2.8 大气信道
在地地、地空激光通信系统信号传输中大气信道是随机的。大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子几何尺寸与二极管激光波长相近甚至更小这就会引起光的吸收和散射特别在强湍流情况下光信号将受到严重干扰。因此如何保证随机信道条件下系统的正常工作对大气信道工程研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题并已逐步走向实用化。 此外,完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。
3. 研究重点
3.1 光源
光源的波长应选择在透过率良好的“大气窗口”。发射功率要考虑到人眼的安全。对于光源除了要求输出光束质量好、工作频率高、出射光束窄以外还要考虑激光器的输出功率稳定性、频率稳定性、光束方向稳定性和工作寿命等。因此有必要对新激光光源技术进行进一步研究。多模二极管激光器光谱较宽大气色散等因素会引起一定的脉冲扩展从而限制通信速率因此需要做进一步的分析。自由空间光通信系统原来多采用800nm波段光源这是由于此波段的激光器体积小、重量轻、效率高比较成熟有成品同时该波段也有比较成熟的铯原子滤波器。近年来随着光纤通信技术的成熟自由空间光通信的工作波段有向1550nm波段发展的趋势。
3.2 发射和接收天线
发射和接收天线的效率都会对自由空间光通信系统的接收光功率产生重要影响。发射天线可以设计成接近衍射极限尽管可以获得最小的光斑但也给精确对准带来困难为了接收更多的信号能量接收天线的直径越大越好同时也会增加系统的体积、重量和成本。所以研制体积小、重量轻、光学增益大的新型接收天线对提高接收灵敏度有非常重要的意义。
3.3 大气信道
对于大气对激光通信信号的干扰的分析目前仅局限于大气的吸收和散射等很少涉及到大气湍流引起的闪烁、光束漂移、扩展以及大气色散等问题而这些因素都会影响接收端信号的信噪比从而影响系统的误码率和通信距离、通信带宽。因此有必要在这方面做更深入详尽的分析并提出解决以上问题的技术方案。例如采用自适应光学技术是一个值得重视的研究方向。
3.4 组网及其他技术
各国纷纷把光纤通信的成熟技术和器件引入激光通信波分复用技术和光放大器技术已经应用于自由空间光通信。随着自由空间光通信技术的不断完善由点对点系统向光网络系统发展是大势所趋。有专家预测未来的自由空间光网络将形成一个立体的交叉光网可在大气层内外和外太空卫星上形成庞大的高容量通信网再与地面上的光纤网络相沟通满足未来的各种通信业务需求。
3.5 保密通信
自由空间光通信的安全保密性较好因为红外激光的波束窄且不可见很难在空中发现其通信链路。同时激光束定向性好如果想截取一般需要在链路中插入这是很难做到的而即使被截取用户也会发现因为链路被中断。因此自由空间光通信系统比微波系统安全得多。但是经分析论证由于自由空间光通信信道的开放性窃听信号而又不阻断光束的传播也是可以做到的。所以深入研究自由空间光通信的保密方法和技术是十分必要的。
二、相关器件
1. 光电探测器
光电探测器能把光信号转换为电信号原理是由辐射引起被照射材料电导率发生改变。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同光电探测器可分为两大类一类是光子探测器另一类是热探测器。
技术要求
为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下 光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。 如果测量波长是紫外波段则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件如果信号是可见光则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件如果是红外信号则选用光敏电阻近红外选用Si光电器件或光电倍增管 光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。 其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好因光源必须照到器件的有效位置如光照位置发生变化则光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻有光照的部分电阻就降低必须使光线照在两电极间的全部电阻体上以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积故一般把透镜作为光的入射窗要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一定要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号器件必须有合适的灵敏度以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号 光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。 这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件但在电路上也要注意匹配好动态参数 光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等
为使器件能长期稳定可靠地工作必须注意选择好器件的规格和使用的环境条件并且要使器件在额定条件下使用
2. 卫星光通信系统
空间激光通信技术及其发展胡 渝刘 华1998
3. 双工逆向调制MRR自由空间激光通信FSO系统的制作方法 本发明属于激光通信技术领域具体涉及一种双工逆向调制mrr自由空间激光通信fso系统。
3.1 技术背景
传统的自由空间激光通信fso系统链路两端都需要装载激光发射/接收系统和复杂的跟踪捕获atp系统再加之传统的fso系统中进行信息传输的激光波段都是不可见光所以在进行跟踪捕获方面有着巨大的困难。此外传统的fso系统的链路两端设备重量、体积、功耗等是限制fso技术发展的重要因素。
将传统fso系统的一个终端替换成mrr端而构成的一个非对称fso系统免去了fso链路中一个终端激光发射器和复杂的atp系统可以在很大程度上减轻整体系统的重量、体积和功耗在一定程度上促进了fso技术的发展。从上世纪90年代起国内外学者对mrrfso系统开展了大量研究工作从一开始的单工mrrfso系统再到半双工mrrfso系统实现了数十千米以上传输速率在mhz的通信指标。但是就目前研究工作而言在mrrfso系统中远距离收发机端和mrr端在对准和光路追踪等方面仍有较大困难下行链路mrr端调制速率只能达到khz还有大气环境的影响等都对mrrfso系统距离和传输速率的提升造成不小的困难。
3.2 技术实现要素
本发明解决了现有技术所存在的结构复杂安装调试繁琐制作成本高使用不甚方便等的技术问题提供了一种便于安装成本低使用方便的双工mrrfso系统。
为了实现上述目的本发明所采用的技术方案如下
双工逆向调制mrr自由空间激光通信fso系统包括收发机端和mrr端两部分
收发机端包括光源模块、第一信号处理模块、第一光探测器模块和第一共用光学天线模块四部分 所述的mrr端由第二光学天线模块、第二光探测器模块、mrr模块和第二信号处理模块四部分组成。
作为对上述技术方案的补充和完善本发明还包括以下技术特征。
所述的光源模块包括两个不同波段的激光器和相应的电光调制器其中一个激光器的波段为可见光波段另一个激光器的波段为光通信中多个工作窗口中的一个,电光调制器是将可调电信号加载到激光器的激光上实现激光外调制第一信号处理模块是将要发送的数据进行调制和对接收到的电信号进行滤波、放大及解调同时对发送和接收的数据进行实时处理并进行纠错码、误码率计算等所述的第一光探测器模块可以将入射到其接收面的光功率的变化转化为相应的电流其具有较高的灵敏度、较小的噪声响应速度快以适应高速率信息传输的需求第一共用光学天线模块包括滤光片、二向色镜和望远镜系统滤光片可将指定范围内之外的其他波段范围内的光滤除掉只允许指定范围波段内的光通过通过二向色镜将一束经过调制的不可见波段激光光束和一束未经调制的可见光波段激光束进行合束或者分束再通过望远镜系统将经过合束的激光束发送出去二向色镜可对两束不同波段的光进行合束也可将混合光束中不同波段的光拆分开来望远镜系统可对发射光束进行扩束和整形并可增加接收孔径扩大接收面积
收发机端首先通过第一光探测器模块将要发送的数据发送至第一信号处理模块进行相关处理输出的电信号控制电光调制器对相应光信号进行调制从而通过控制激光的通断将信息发送到第一共用光学天线模块再与可见光波段的激光器中出射的未经调制的光合束并从所述的望远镜系统中出射完成收发机端的信息的发送。
所述的第二共用天线模块可将来自收发机端的一部分自由空间光束耦合进光纤中具有较高耦合效率所述的第二光探测器模块为光纤型光探测器模块可将共用光学天线模块光纤中的光功率转换成电流光信号转变为电信号具有最佳耦合效率灵敏度和稳定性所述的第二信号处理模块可将第二光探测器模块的电信号输出进行滤波和放大处理解调出数据信息并可对mrr端的回复反射信号进行再调制所述的mrr模块具有逆向反射的特性通过所述的第二信号处理模块中的数据可以实现对光信号进行逆向调制mrr模块尺寸小功耗低结构稳定是构成非对称fso系统的关键器件能够实现远距离、高速率的要求
mrr端首先将收发机端发送来的光信号通过第二共用天线模块耦合进第二光探测器模块中进行接收将接收到的光信号通过第二信号处理模块转换为电信号并进行进行对数据进行处理还原出收发机端发送的信号发送至所述的mrr模块再调制将调制信号以回复反射的形式反射回收发机端。
进一步所述的共用光学天线模块中的反射式望远镜系统在作为发射端时可以起到扩束和减小发射光束发散角的作用在作为接收端时可以利用望远镜系统大的接收孔径接收回复反射的激光信号。
进一步所述的光探测器模块能检测出入射到其有效面积上的光功率并把这个光功率的变化转化为相应的电流。从而可以通过转接线在示波器上显示出来也可以将产生的电信号作为信号处理模块的输入恢复出接收信号中有效的信息。
进一步所述的共用光学天线模块在接收回复反射的光信号时首先将光束中不同波段的光束拆分开来携带有数据信息的光束经过滤光片滤除掉该波段附近其他无用光束将有用光束送进光探测器进行进一步处理。
进一步所述的mrr端的mrr器件可对来自收发机端的信号进行再调制将调制信号以回复反射的形式反射回收发机端。
使用本发明可以达到以下有益效果本系统利用mrr逆向反射调制的特性使得mrr端具有无需激光器和复杂捕跟系统尺寸小、功耗低和结构稳定等优点可实现远距离、高速率信息传输。本发明在应用形式、实际效果、技术方案简便性上具有很好的创新形式和强大的适应性更是在远距离光捕获的实际效果上尤为突出可以广泛应用于白天黑夜任何时间任何地点具备很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体功能方框图。
图2是本发明收发机端的整体功能方框图。
图3是本发明mrr端的整体功能方框图。
3.3 具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地描述。
如图1所示本实施例双工逆向调制自由空间激光通信系统由收发机端和mrr端两部分组成。其中收发机端由光源模块、第一信号处理模块、第一光探测器模块和第一共用光学天线模块组成mrr端由第二光学天线模块、第二光探测器模块、mrr模块和第二信号处理模块组成。光源模块是产生携带有效信息的激光光束和可见的信标光。信号处理模块有两方面作用一是产生调制信号二是对接收到的信号进行解调恢复数据信息。光探测器模块是将接收到的光信号转换成相应电信号供后续的信息处理模块进行相应处理。第一共用光学天线模块可以将两束不同波段的光进行合并或分束减小发射时光束的发散角增大接收孔径其中的关键器件二向色镜也可起到滤光的作用。第二共用光学天线模块可将光束耦合进光纤中。mrr模块主要作用是对光束进行再调制和将光束反射回收发机端。
双工逆向调制自由空间激光通信系统的执行过程可以从图2、图3看到首先携带调制信息的不可见光束从电光调制器中出射通过带孔反射镜中央小孔出射通过对该不可见光波段近乎完全透射的滤光片、二向色镜同时可见光光束从激光器中出射出射光束与二向色镜成45°角二向色镜对两束光进行合束从望远镜系统的目镜处入射经过两个反射器反射从望远镜系统的出光口出射在经过第一个球面反射镜时光束会扩大相当于扩束镜的作用使出射光斑变大反射式望远镜系统可以用来减小光束发散角。激光从望远镜系统中出射在大气湍流中传输一段时间后到达mrr端实现上行链路的传输其中一部分光被耦合进光纤型探测器中进行检测输出电信号经过滤波、放大处理后输入信号处理模块进行数据解码和误码率测试另一部分光中为“1”的信号通过调制ccr实现二次调制从mrr端反射回大气湍流中。回复反射回收发机端的光信号在入射进望远镜系统后逆光路从望远镜系统目镜中出射经过二向色镜和滤光片后只有相应不可见波段的激光反射至光探测器模块然后经光探测器输出的光信号再由信号处理模块进行相应处理。
本领域技术人员可显见本发明上述概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式容易对本发明进行各种修改和形式替换而不偏离本发明的精神和范围。因此旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改、替换及其等同形式。
4. 星地激光通信系统结构图 1 https://www.eefocus.com/communication/171532 https://m.sohu.com/n/491567798/ 2 https://baike.baidu.com/item/%E5%85%89%E7%94%B5%E6%8E%A2%E6%B5%8B%E5%99%A8/3643907 http://www.juestc.uestc.edu.cn/fileDZKJDX_ZKB/journal/article/dzkjdxxbzrkxb/1998/5/PDF/1998-5-453.pdf http://www.xjishu.com/zhuanli/62/201710644936.html http://www.xjishu.com/zhuanli/62/201710644936_2.html
