大氣信道無線激光通信系統(tǒng)設計方法研究

母一寧，宋路

（長春理工大學 理學院，長春 130022；長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

大氣作為一種時變信道會對激光通信鏈路造成重要影響［1-3］：不同的氣象條件會使大氣吸收與散射造成的光功率衰減也不盡相同；大氣湍流的存在會使入射光軸達到角隨機起伏，光斑發(fā)生變形與破碎。這些影響會使接收端探測到的信號能量產(chǎn)生隨機起伏，進而使平均信噪比降低、通信誤碼率增加、中斷概率增加，最終導致信道帶寬下降［4，5］。當通信速率達到射頻量級以后，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，針對大氣信道影響國內(nèi)外學者提出了諸多有效的抑制手段［6-9］，但這些手段只是相對地提升大氣信道帶寬，無法絕對地改善大氣信道對通信帶寬的影響。因此，本文針對不同大氣信道下對射頻級別的無線激光通信誤碼率情況展開相關實驗研究。

1 信道特性實驗與分析

在進行系統(tǒng)總體方案設計前，需要研究信道大致特性。首先通過實驗的方式對大氣衰減效應與大氣湍流效應現(xiàn)象進行了野外試驗。

1.1 大氣衰減效應

大氣衰減效應主要是由于大氣傳輸過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，這種能量衰減就越大。大氣引起的光功率衰減與距離L的關系可表示為：

通常也用衰減dB數(shù)來衡量大氣散射程度為：

實驗系統(tǒng)采用測試光波長為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。大氣條件對于鏈路功率影響非常嚴重，大氣信道內(nèi)激光通信系統(tǒng)，需要留有較大的功率量，來彌補大氣散射的影響。

圖1 功率衰減與能見度的關系示意圖

1.2 大氣湍流效應

大氣湍流是指大氣中局部溫度、壓強的隨機變化而帶來的折射率隨機變化現(xiàn)象。大氣湍流引起光強閃爍效應服從對數(shù)正態(tài)分布，其表達式為：其中I0表示光強均值，σx表示閃爍指數(shù)（光信號的對數(shù)振幅標準偏差）。大氣湍流對光波傳輸影響程度通常用Rytov變量度量，對應弱起伏平面波的歸一化光強起伏方差可表示為：

2 光端機分析與設計需求

2.1 光學收發(fā)天線系統(tǒng)要求

為了實現(xiàn)十公里以上的2.5Gbps大氣信道誤碼影響實驗，需要針對上述分析結(jié)果提出相應的設計分析。

2.1.1 發(fā)射天線設計與分析

大氣湍流效應對激光發(fā)射端會造成影響，所以設計激光發(fā)射天線時，應該采取相應的措施以緩解大氣對通信系統(tǒng)的影響。由激光評價原理可知，在評價激光光束質(zhì)量時，通常采用該激光的M數(shù)作為其評價指標，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)便為一個常數(shù)，即發(fā)散角與束腰便成了一對相互制約的函數(shù)。當選擇降低束腰直徑增大發(fā)散角時，其對準跟蹤精度需求降低，但通信光接收功率會明顯下降，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，在這期間受湍流影響非常嚴重）。反之，當增大激光束腰降低發(fā)散角時，其通信光接收功率和抗湍流干擾能力會明顯增強，但是對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)，實現(xiàn)保持原有發(fā)散角的基礎上將束腰增大數(shù)倍。

圖2 傳輸距離13Km光斑平均亮度曲線圖

2.1.2 接收天線設計與分析

大氣湍流效應會使接收到的光強隨機起伏，進而提高整個系統(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，所以在設計無線激光通信系統(tǒng)是應該充分考慮如何緩解湍流對通信的影響。由香農(nóng)理論可知，當接收到的有效功率增大時，通信系統(tǒng)對噪聲功率干擾的敏感程度便會下降。目前通過擴大光學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光功率，而且還能避免大氣“空洞效應”。由工程經(jīng)驗可知，為了滿足10公里以上的無線激光通信其光學接收天線直徑不得低于80mm。設計光端機選擇帶有中心遮攔的卡塞格林望遠系統(tǒng)作為通信光的接收天線，因為該系統(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)設計與分析

由奈奎斯特準則可知，如果通信系統(tǒng)要實現(xiàn)2Bbps的通信速率，則該系統(tǒng)最少提供BHz的頻響帶寬。又因為激光通信系統(tǒng)的通信單元被分為發(fā)射和接收兩部分，相當與這兩個部分級聯(lián)，整個通信系統(tǒng)的接收和發(fā)射的頻響帶寬均需要高于2BHz。比如：當通信的速率需要達到2.5Gbps以上時，無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，否則會出現(xiàn)調(diào)制深度不夠的現(xiàn)象。設計的光端機應從工程安全出發(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。本實驗所用光端機采用了光纖分光和多口徑發(fā)射技術(shù)，所以光纖分光時的分光損失功率這一指標也非常關鍵，如果該指標過低，則多口徑發(fā)射效果便得不償失。該設計光端機的分光系統(tǒng)損失優(yōu)于10%。

2.3 瞄準系統(tǒng)與跟蹤系統(tǒng)的設計與分析

由于要求設計光端機的通信的距離需要達到10km以外，所以設觀測距離L=10km，光端機整體外形尺寸約為0.2m，所以要求觀瞄分辨力為0.1m，進而觀瞄系統(tǒng)的最小分辨角要優(yōu)于2秒。由于人眼的分辨角為1分，所以如果通過人眼進行觀瞄其望遠系統(tǒng)的入瞳尺寸需要大于300mm（設出瞳尺寸為10mm），并且非常不利于整體結(jié)構(gòu)設計，并且采用人眼瞄準還存在眼瞳匹配問題。本文設計采用CCD探測器作為傳感器件，并且該CCD傳感器還可以為控制系統(tǒng)提供位置環(huán)信息。設定該瞄準系統(tǒng)的光學系統(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，設計應選用卡塞格林望遠系統(tǒng)來實現(xiàn)目標的觀瞄。

當激光出瞳功率和發(fā)散角確定以后，其接收功率的大小、通信距離的長短和通信鏈路持續(xù)性均需要通過自動跟蹤系統(tǒng)來保證，由于本系統(tǒng)的激光發(fā)散角被定為1.5mrad，所以工程應用中其跟蹤精度應該是發(fā)散角的八分之一倍或六分之一倍，所以，系統(tǒng)的自動跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度需要優(yōu)于200μrad。后端CCD觀瞄相機的傳感器選擇SONY公司2/3英寸的CCD探測器，分辨率1024×1024，幀頻25Hz，該相機在35MHz、25fps頻率模式下，動態(tài)范圍達到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)可通過串口進行全面控制.該系統(tǒng)探測系統(tǒng)光軸分辨精度如下：觀測距離L=10km，基臺尺寸大致為0.2m，為了能夠分辨出目標，要求光學系統(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，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，這時系統(tǒng)相對孔徑為1∶10。由于觀測距離遠，系統(tǒng)焦距長。為減小筒長，光學系統(tǒng)采用后補償式卡式系統(tǒng)，系統(tǒng)口徑 D=65mm，焦距 f=650mm。該相機與焦距為650mm的卡式望遠系統(tǒng)相互配合，可以分辨十公里外0.1m的物體，分辨率可以達到10μrad。利用該CCD相機的靶面作為視場光闌，光闌的水平視場8.89mm，俯仰視場6.67mm。根據(jù)焦距反算推導，視場范圍為水平30mrad，俯仰20mrad。由于該相機具有大視場的特點，在系統(tǒng)中即作為初始指向時觀靶相機用，也作為光束跟蹤時信標光探測的傳感器使用。

3 光端機總體設計

圖3 系統(tǒng)組成框圖

為了實現(xiàn)遠距離高速率的無線激光通信，整個系統(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)、光軸檢測及跟蹤子系統(tǒng)、光學天線、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后在大視場內(nèi)目標的搜索與對準。系統(tǒng)采用大功率近紅外半導體激光器實現(xiàn)信標光的發(fā)射、使用CCD傳感器實現(xiàn)對方光軸入射角度的實時精確閉環(huán)，并且使用光電編碼器實現(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調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)通信雙方的光軸初始對準。光軸自動跟蹤系統(tǒng)，完成通信過程中的光束對準，通過對CCD接收光斑脫靶量信息，自動控制調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺的位置狀態(tài)，保證在CCD接收能量最大值的位置上實現(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)、語音、圖像的光接口和電接口。整個系統(tǒng)組成框圖如圖3所示，光端機總體結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。

圖4 光端機結(jié)構(gòu)外形示意圖

4 結(jié)論

本文從大氣信道無線激光通信的設計需求出發(fā)，分析了設計遠距離、高速率大氣無線激光通信系統(tǒng)時要注意的技術(shù)要點與方法。

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