母一寧，宋路

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

大氣作為一種時(shí)變信道會(huì)對(duì)激光通信鏈路造成重要影響［1-3］：不同的氣象條件會(huì)使大氣吸收與散射造成的光功率衰減也不盡相同；大氣湍流的存在會(huì)使入射光軸達(dá)到角隨機(jī)起伏，光斑發(fā)生變形與破碎。這些影響會(huì)使接收端探測(cè)到的信號(hào)能量產(chǎn)生隨機(jī)起伏，進(jìn)而使平均信噪比降低、通信誤碼率增加、中斷概率增加，最終導(dǎo)致信道帶寬下降［4，5］。當(dāng)通信速率達(dá)到射頻量級(jí)以后，即便大氣環(huán)境能見度較高其信道影響也是十分明顯的。為此，針對(duì)大氣信道影響國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多有效的抑制手段［6-9］，但這些手段只是相對(duì)地提升大氣信道帶寬，無(wú)法絕對(duì)地改善大氣信道對(duì)通信帶寬的影響。因此，本文針對(duì)不同大氣信道下對(duì)射頻級(jí)別的無(wú)線激光通信誤碼率情況展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 信道特性實(shí)驗(yàn)與分析

在進(jìn)行系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)前，需要研究信道大致特性。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)大氣衰減效應(yīng)與大氣湍流效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了野外試驗(yàn)。

1.1 大氣衰減效應(yīng)

大氣衰減效應(yīng)主要是由于大氣傳輸過(guò)程中受到大氣吸收和大氣散射造成的。大氣衰減使得激光傳輸?shù)哪芰繙p小，距離越遠(yuǎn)，這種能量衰減就越大。大氣引起的光功率衰減與距離L的關(guān)系可表示為：

通常也用衰減dB數(shù)來(lái)衡量大氣散射程度為：

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用測(cè)試光波長(zhǎng)為1550nm，不同能見度條件下的大氣散射衰減系數(shù)β，如圖1所示。當(dāng)能見度為20km，激光傳輸1km，將引起0.5dB的功率衰減；如果能見度為4km，激光傳輸1km，將引起3.1dB的功率衰減。大氣條件對(duì)于鏈路功率影響非常嚴(yán)重，大氣信道內(nèi)激光通信系統(tǒng)，需要留有較大的功率量，來(lái)彌補(bǔ)大氣散射的影響。

圖1 功率衰減與能見度的關(guān)系示意圖

1.2 大氣湍流效應(yīng)

大氣湍流是指大氣中局部溫度、壓強(qiáng)的隨機(jī)變化而帶來(lái)的折射率隨機(jī)變化現(xiàn)象。大氣湍流引起光強(qiáng)閃爍效應(yīng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其表達(dá)式為：其中I0表示光強(qiáng)均值，σx表示閃爍指數(shù)（光信號(hào)的對(duì)數(shù)振幅標(biāo)準(zhǔn)偏差）。大氣湍流對(duì)光波傳輸影響程度通常用Rytov變量度量，對(duì)應(yīng)弱起伏平面波的歸一化光強(qiáng)起伏方差可表示為：

2 光端機(jī)分析與設(shè)計(jì)需求

2.1 光學(xué)收發(fā)天線系統(tǒng)要求

為了實(shí)現(xiàn)十公里以上的2.5Gbps大氣信道誤碼影響實(shí)驗(yàn)，需要針對(duì)上述分析結(jié)果提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)分析。

2.1.1 發(fā)射天線設(shè)計(jì)與分析

大氣湍流效應(yīng)對(duì)激光發(fā)射端會(huì)造成影響，所以設(shè)計(jì)激光發(fā)射天線時(shí)，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施以緩解大氣對(duì)通信系統(tǒng)的影響。由激光評(píng)價(jià)原理可知，在評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量時(shí)，通常采用該激光的M數(shù)作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)，即M數(shù)等于激光的發(fā)散角與激光束腰的乘積。一旦激光器確定后，其M數(shù)便為一個(gè)常數(shù)，即發(fā)散角與束腰便成了一對(duì)相互制約的函數(shù)。當(dāng)選擇降低束腰直徑增大發(fā)散角時(shí)，其對(duì)準(zhǔn)跟蹤精度需求降低，但通信光接收功率會(huì)明顯下降，發(fā)射端抗湍流干擾能力降低（因在激光鏈路的初始狀態(tài)，激光的波束非常窄，即激光波束直徑小于湍流內(nèi)尺度時(shí)，在這期間受湍流影響非常嚴(yán)重）。反之，當(dāng)增大激光束腰降低發(fā)散角時(shí)，其通信光接收功率和抗湍流干擾能力會(huì)明顯增強(qiáng)，但是對(duì)跟蹤精度的需求也有較大的提高。為了保證發(fā)散角不變的情況下，增大束腰寬度，緩解大氣湍流在發(fā)射初期對(duì)激光通信影響，本系統(tǒng)采用光纖分光和多口徑發(fā)射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)保持原有發(fā)散角的基礎(chǔ)上將束腰增大數(shù)倍。

圖2 傳輸距離13Km光斑平均亮度曲線圖

2.1.2 接收天線設(shè)計(jì)與分析

大氣湍流效應(yīng)會(huì)使接收到的光強(qiáng)隨機(jī)起伏，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的噪聲功率。由于湍流引入的噪聲功率和天氣情況、通信距離直接相關(guān)，所以在設(shè)計(jì)無(wú)線激光通信系統(tǒng)是應(yīng)該充分考慮如何緩解湍流對(duì)通信的影響。由香農(nóng)理論可知，當(dāng)接收到的有效功率增大時(shí)，通信系統(tǒng)對(duì)噪聲功率干擾的敏感程度便會(huì)下降。目前通過(guò)擴(kuò)大光學(xué)天線接收口徑是最為直接的辦法，大口徑接收天線不僅可以以平方的速率增大接收信號(hào)光功率，而且還能避免大氣“空洞效應(yīng)”。由工程經(jīng)驗(yàn)可知，為了滿足10公里以上的無(wú)線激光通信其光學(xué)接收天線直徑不得低于80mm。設(shè)計(jì)光端機(jī)選擇帶有中心遮攔的卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)作為通信光的接收天線，因?yàn)樵撓到y(tǒng)帶有一定的中心遮攔，所以將其口徑增至120mm。

2.2 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

由奈奎斯特準(zhǔn)則可知，如果通信系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)2Bbps的通信速率，則該系統(tǒng)最少提供BHz的頻響帶寬。又因?yàn)榧す馔ㄐ畔到y(tǒng)的通信單元被分為發(fā)射和接收兩部分，相當(dāng)與這兩個(gè)部分級(jí)聯(lián)，整個(gè)通信系統(tǒng)的接收和發(fā)射的頻響帶寬均需要高于2BHz。比如：當(dāng)通信的速率需要達(dá)到2.5Gbps以上時(shí)，無(wú)線激光通信的接收和發(fā)射單元自身的頻響帶寬均需要高于2.5GHz，否則會(huì)出現(xiàn)調(diào)制深度不夠的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)的光端機(jī)應(yīng)從工程安全出發(fā)，要求接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)均提供高于3GHz的頻響帶寬。本實(shí)驗(yàn)所用光端機(jī)采用了光纖分光和多口徑發(fā)射技術(shù)，所以光纖分光時(shí)的分光損失功率這一指標(biāo)也非常關(guān)鍵，如果該指標(biāo)過(guò)低，則多口徑發(fā)射效果便得不償失。該設(shè)計(jì)光端機(jī)的分光系統(tǒng)損失優(yōu)于10%。

2.3 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

由于要求設(shè)計(jì)光端機(jī)的通信的距離需要達(dá)到10km以外，所以設(shè)觀測(cè)距離L=10km，光端機(jī)整體外形尺寸約為0.2m，所以要求觀瞄分辨力為0.1m，進(jìn)而觀瞄系統(tǒng)的最小分辨角要優(yōu)于2秒。由于人眼的分辨角為1分，所以如果通過(guò)人眼進(jìn)行觀瞄其望遠(yuǎn)系統(tǒng)的入瞳尺寸需要大于300mm（設(shè)出瞳尺寸為10mm），并且非常不利于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且采用人眼瞄準(zhǔn)還存在眼瞳匹配問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)采用CCD探測(cè)器作為傳感器件，并且該CCD傳感器還可以為控制系統(tǒng)提供位置環(huán)信息。設(shè)定該瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)焦距為650mm，要求CCD的像元尺寸要小于6.5μm。為了避免較高的系統(tǒng)筒長(zhǎng)，設(shè)計(jì)應(yīng)選用卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的觀瞄。

當(dāng)激光出瞳功率和發(fā)散角確定以后，其接收功率的大小、通信距離的長(zhǎng)短和通信鏈路持續(xù)性均需要通過(guò)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)來(lái)保證，由于本系統(tǒng)的激光發(fā)散角被定為1.5mrad，所以工程應(yīng)用中其跟蹤精度應(yīng)該是發(fā)散角的八分之一倍或六分之一倍，所以，系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度需要優(yōu)于200μrad。后端CCD觀瞄相機(jī)的傳感器選擇SONY公司2/3英寸的CCD探測(cè)器，分辨率1024×1024，幀頻25Hz，該相機(jī)在35MHz、25fps頻率模式下，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到64.5dB，采用14位RS-644（LVDS）輸出，具有2組串口（TTL/LVDS）和兩組外觸發(fā)（TTL/LVDS）模式，工作參數(shù)可通過(guò)串口進(jìn)行全面控制.該系統(tǒng)探測(cè)系統(tǒng)光軸分辨精度如下：觀測(cè)距離L=10km，基臺(tái)尺寸大致為0.2m，為了能夠分辨出目標(biāo)，要求光學(xué)系統(tǒng)最小分辨力為ΔL=0.1m，則系統(tǒng)最小分辨角為：

CCD像元尺寸為6.5μm，則系統(tǒng)焦距為：

以550nm的綠光作為分辨基準(zhǔn)，系統(tǒng)最小的衍射極限口徑為60mm，從工程角度可取系統(tǒng)口徑D=65mm，這時(shí)系統(tǒng)相對(duì)孔徑為1∶10。由于觀測(cè)距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)焦距長(zhǎng)。為減小筒長(zhǎng)，光學(xué)系統(tǒng)采用后補(bǔ)償式卡式系統(tǒng)，系統(tǒng)口徑 D=65mm，焦距 f=650mm。該相機(jī)與焦距為650mm的卡式望遠(yuǎn)系統(tǒng)相互配合，可以分辨十公里外0.1m的物體，分辨率可以達(dá)到10μrad。利用該CCD相機(jī)的靶面作為視場(chǎng)光闌，光闌的水平視場(chǎng)8.89mm，俯仰視場(chǎng)6.67mm。根據(jù)焦距反算推導(dǎo)，視場(chǎng)范圍為水平30mrad，俯仰20mrad。由于該相機(jī)具有大視場(chǎng)的特點(diǎn)，在系統(tǒng)中即作為初始指向時(shí)觀靶相機(jī)用，也作為光束跟蹤時(shí)信標(biāo)光探測(cè)的傳感器使用。

3 光端機(jī)總體設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)組成框圖

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速率的無(wú)線激光通信，整個(gè)系統(tǒng)由初始觀瞄子系統(tǒng)、激光調(diào)制發(fā)射子系統(tǒng)、激光解調(diào)接收子系統(tǒng)、光軸檢測(cè)及跟蹤子系統(tǒng)、光學(xué)天線、系統(tǒng)總體控制及通信接口單元等組成。初始捕獲觀瞄單元完成開機(jī)后在大視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的搜索與對(duì)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用大功率近紅外半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的發(fā)射、使用CCD傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)方光軸入射角度的實(shí)時(shí)精確閉環(huán)，并且使用光電編碼器實(shí)現(xiàn)自身姿態(tài)的精確閉環(huán)、根據(jù)CCD和光電編碼器的反饋信息手動(dòng)調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信雙方的光軸初始對(duì)準(zhǔn)。光軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，完成通信過(guò)程中的光束對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)CCD接收光斑脫靶量信息，自動(dòng)控制調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺(tái)的位置狀態(tài)，保證在CCD接收能量最大值的位置上實(shí)現(xiàn)激光通信；激光數(shù)據(jù)通信采用2口徑激光發(fā)射、大口徑激光接收的通信模式；總體控制完成各分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作功能；通信接口包含數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像的光接口和電接口。整個(gè)系統(tǒng)組成框圖如圖3所示，光端機(jī)總體結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

圖4 光端機(jī)結(jié)構(gòu)外形示意圖

4 結(jié)論

本文從大氣信道無(wú)線激光通信的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，分析了設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離、高速率大氣無(wú)線激光通信系統(tǒng)時(shí)要注意的技術(shù)要點(diǎn)與方法。

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