[科普中國]-自由空間光通信

自由原理

空間激光通信系統(tǒng)是指以激光光波作為載波，大氣作為傳輸介質(zhì)的光通信系統(tǒng)。自由空間激光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點，既具有大通信容量、高速傳輸?shù)膬?yōu)點，又不需要鋪設(shè)光纖，因此各技術(shù)強國在空間激光通信領(lǐng)域投入大量人力物力，并取得了很大進展。

傳輸原理大氣傳輸激光通信系統(tǒng)是由兩臺激光通信機構(gòu)成的通信系統(tǒng)，它們相互向?qū)Ψ桨l(fā)射被調(diào)制的激光脈沖信號（聲音或數(shù)據(jù)），接收并解調(diào)來自對方的激光脈沖信號，實現(xiàn)雙工通信。激光通信機的原理為系統(tǒng)可傳遞語音和進行計算機間數(shù)據(jù)通信。受調(diào)制的信號通過功率驅(qū)動電路使激光器發(fā)光，從而使載有語音信號的激光通過光學天線發(fā)射出去。另一端的激光通信機通過光學天線將收集到的光信號聚到光電探測器上，然后將這一光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將信號放大，用閾值探測方法檢出有用信號，再經(jīng)過解調(diào)電路濾去基頻分量和高頻分量，還原出語音信號，最后通過功放經(jīng)耳機接收，完成語音通信。當開關(guān)K擲向下時，可傳遞數(shù)據(jù)，進行計算機間通信，這相當于一個數(shù)字通信系統(tǒng)。它由計算機、接口電路、調(diào)制解調(diào)器、大氣傳輸信道等幾部分組成。

接口電路將計算機與調(diào)制解調(diào)器連接起來，使兩者能同步、協(xié)調(diào)工作；調(diào)制器把二進制脈沖變換成或調(diào)制成適宜在信道上傳輸?shù)牟ㄐ?，其目的是在不改變傳輸結(jié)果的條件下，盡量減少激光器的發(fā)射總功率；解調(diào)是調(diào)制的逆過程，把接收到的已調(diào)制信號進行反變換，恢復出原數(shù)字信號將其送到接口電路；同步系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一，其作用是使通信系統(tǒng)的收、發(fā)端有統(tǒng)一的時間標準，步調(diào)一致。

技術(shù)分析高功率激光器的選擇

激光器用于產(chǎn)生激光信號，并形成光束射向空間。激光器的好壞直接影響通信質(zhì)量及通信距離，對系統(tǒng)整體性能影響很大，因而對它的選擇十分重要。空間光通信具有傳輸距離長，空間損耗大的特點，因此要求光發(fā)射系統(tǒng)中的激光器輸出功率大，調(diào)制速率高。一般用于空間通信的激光器有三類：

二氧化碳激光器。輸出功率最大(>10kw)，輸出波長有10.6 m和9.6 m，但體積較大，壽命較短，比較適合于衛(wèi)星與地面間的光通信。

Nd:YAG激光器。波長為1064nm，能提供幾瓦的連續(xù)輸出，但要求高功率的調(diào)制器并保證波形質(zhì)量，因此比較難于實現(xiàn)，是未來空間通信的發(fā)展方向之一。采用半導體泵浦的固體激光器，若使半導體發(fā)射譜線與Nd:YAG激光器吸收譜線一致，可減少熱效應，改善激光光束質(zhì)量，提高激光源綜合性能。這種激光器適合用于星際光通信。

二極管激光器（LD）。LD具有高效率、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點，并且可以直接調(diào)制，所以現(xiàn)在的許多空間光通信系統(tǒng)都采用LD作為光源。例如波長為800～860nm的ALGaAs LD和波長為970～1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有簡單、高效的特點，并且與探測、跟蹤用CCD陣列具有波長兼容性，在空間光通信中成為一個較好的選擇。

快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）技術(shù)

這是保證實現(xiàn)空間遠距離光通信的必要核心技術(shù)。系統(tǒng)通常由以下兩部分組成：

**捕獲（粗跟蹤）系統(tǒng)。**它是在較大視場范圍內(nèi)捕獲目標，捕獲范圍可達±1°～±20°或更大。通常采用CCD陣列來實現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執(zhí)行機構(gòu)共同完成粗跟蹤，即目標的捕獲。粗跟蹤的視場角為幾mrad，靈敏度約為10pW，跟蹤精度為幾十mrad；

**跟蹤、瞄準（精跟蹤）系統(tǒng)。**該系統(tǒng)是在完成目標捕獲后，對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常采用四象限紅外探測器（QD）或Q-APD高靈敏度位置傳感器來實現(xiàn)，并配以相應伺服控制系統(tǒng)。精跟蹤要求視場角為幾百祌ad，跟蹤精度為幾 rad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。

精密可靠高增益的收、發(fā)天線

為完成系統(tǒng)雙向互逆跟蹤，空間光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)一體天線，隔離度近100%的精密光機組件。由于二極管激光器光束質(zhì)量一般較差，要求天線增益高，另外為適應空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。目前天線口徑一般為幾厘米至25厘米。

大氣信道

在地－地、地－空激光通信系統(tǒng)信號傳輸中，大氣信道是隨機的。大氣中氣體分子、水霧、雪、氣溶膠等粒子，幾何尺寸與二極管激光波長相近甚至更小，這就會引起光的吸收和散射，特別在強湍流情況下，光信號將受到嚴重干擾。因此如何保證隨機信道條件下系統(tǒng)的正常工作，對大氣信道工程研究是十分重要的。自適應光學技術(shù)可以較好地解決這一問題，并已逐步走向?qū)嵱没?/p>

總之，空間光通信是包含多項工程的交叉科學研究課題，它的發(fā)展與高質(zhì)量大功率半導體激光器、精密光學元件、高質(zhì)量光濾波器件、高靈敏度光學探測器及快速、精密光、機、電綜合技術(shù)的研究和發(fā)展密切不可分，光電器件、激光技術(shù)和電子學技術(shù)的發(fā)展，為空間光通信奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

研究重點光源

光源的波長應選擇在透過率良好的“大氣窗口”。發(fā)射功率要考慮到人眼的安全。對于光源，除了要求輸出光束質(zhì)量好、工作頻率高、出射光束窄以外，還要考慮激光器的輸出功率穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性、光束方向穩(wěn)定性和工作壽命等。因此有必要對新激光光源技術(shù)進行進一步研究。多模二極管激光器光譜較寬，大氣色散等因素會引起一定的脈沖擴展，從而限制通信速率，因此需要做進一步的分析。自由空間光通信系統(tǒng)原來多采用800nm波段光源，這是由于此波段的激光器體積小、重量輕、效率高，比較成熟，有成品；同時該波段也有比較成熟的銫原子濾波器。近年來，隨著光纖通信技術(shù)的成熟，自由空間光通信的工作波段有向1550nm波段發(fā)展的趨勢。

發(fā)射和接收天線

發(fā)射和接收天線的效率都會對自由空間光通信系統(tǒng)的接收光功率產(chǎn)生重要影響。發(fā)射天線可以設(shè)計成接近衍射極限，盡管可以獲得最小的光斑，但也給精確對準帶來困難；為了接收更多的信號能量，接收天線的直徑越大越好，同時也會增加系統(tǒng)的體積、重量和成本。所以，研制體積小、重量輕、光學增益大的新型接收天線對提高接收靈敏度有非常重要的意義。

大氣信道

對于大氣對激光通信信號的干擾的分析，目前僅局限于大氣的吸收和散射等，很少涉及到大氣湍流引起的閃爍、光束漂移、擴展以及大氣色散等問題，而這些因素都會影響接收端信號的信噪比，從而影響系統(tǒng)的誤碼率和通信距離、通信帶寬。因此，有必要在這方面做更深入詳盡的分析，并提出解決以上問題的技術(shù)方案。例如，采用自適應光學技術(shù)是一個值得重視的研究方向。

組網(wǎng)及其他技術(shù)

各國紛紛把光纖通信的成熟技術(shù)和器件引入激光通信，波分復用技術(shù)和光放大器技術(shù)已經(jīng)應用于自由空間光通信。隨著自由空間光通信技術(shù)的不斷完善，由點對點系統(tǒng)向光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展是大勢所趨。有專家預測，未來的自由空間光網(wǎng)絡(luò)將形成一個立體的交叉光網(wǎng)，可在大氣層內(nèi)外和外太空衛(wèi)星上形成龐大的高容量通信網(wǎng)，再與地面上的光纖網(wǎng)絡(luò)相溝通，滿足未來的各種通信業(yè)務(wù)需求。

保密通信

自由空間光通信的安全保密性較好，因為紅外激光的波束窄且不可見，很難在空中發(fā)現(xiàn)其通信鏈路。同時，激光束定向性好，如果想截取，一般需要在鏈路中插入，這是很難做到的，而即使被截取，用戶也會發(fā)現(xiàn)，因為鏈路被中斷。因此，自由空間光通信系統(tǒng)比微波系統(tǒng)安全得多。但是經(jīng)分析論證，由于自由空間光通信信道的開放性，竊聽信號而又不阻斷光束的傳播，也是可以做到的。所以深入研究自由空間光通信的保密方法和技術(shù)是十分必要的。

優(yōu)點特點自由空間光通信與微波技術(shù)相比，它具有調(diào)制速率高、頻帶寬、不占用頻譜資源等特點； 與有線和光纖通信相比， 它具有機動靈活、對市政建設(shè)影響較小、運行成本低、易于推廣等優(yōu)點。自由空間光通信可以在一定程度彌補光纖和微波的不足。它的容量與光纖相近， 但價格卻低得多。它可以直接架設(shè)在屋頂， 由空中傳送。既不需申請頻率執(zhí)照，也沒有敷設(shè)管道挖掘馬路的問題。使用點對點的系統(tǒng)， 在確定發(fā)收兩點之間視線不受阻擋的通道之后， 一般可在數(shù)小時之內(nèi)安裝完畢，投入運行。在考慮到當?shù)貧庀蟮臈l件以后，光無線系統(tǒng)一般可得到99.9% 的可用性。如果采用其他系統(tǒng)構(gòu)成主備用， 甚至可達到99.999% 電信級的可用性要求2。

存在問題（1）FSO是一種視距寬帶通信技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時波束就會變寬導致難以被接收點正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質(zhì)量，最遠只能達到4Km。多種因素影響其達不到99.999%（五個9）的穩(wěn)定性。

（2）FSO系統(tǒng)性能對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨、雪和霧對傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國外為解決這個難題，一般會采用更高功率的激光器二極管、更先進的光學器件和多光束來解決。

（3）城市內(nèi)，由于建筑物的阻隔、晃動將影響兩個點之間的激光對準。

（4）激光的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的激光可能對人眼產(chǎn)生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。所以產(chǎn)品要符合眼睛安全標準。

發(fā)展趨勢星際自由空間光通信技術(shù)的可行性問題已經(jīng)解決，雖然至今尚未真正實現(xiàn)星際通信，但是發(fā)射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準要求、熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)近幾年已取得明顯進步，相信不遠的將來將取代微波通信成為星際通信的主要手段。

地面空間光通信將作為一種主要手段進入本地寬帶接入市場，特別是那些通常沒有光纖連接的中小企業(yè)。

微波系統(tǒng)和自由空間光通信系統(tǒng)在許多方面可互為補充，前者能提供大區(qū)域內(nèi)低速通信，而后者能提供小區(qū)域內(nèi)高速靈活的連接。各種系統(tǒng)的無縫連接能使用戶得到更方便的服務(wù)。此外，微波系統(tǒng)還可與自由空間光通信系統(tǒng)互為備份，在天氣惡劣甚至無法進行光通信時，啟動微波通信系統(tǒng)，可以大大提高通信系統(tǒng)的適用性和可靠性。

在戰(zhàn)場上，當受到敵方強電磁輻射干擾時，會導致微波通信系統(tǒng)失效，而光纖通信系統(tǒng)既無法在短時間內(nèi)建立起來，也不能滿足機動性要求。此時自由空間光通信系統(tǒng)的優(yōu)勢立刻顯現(xiàn)：它能在極短的時間內(nèi)建立，還對電磁干擾免疫，所以自由空間光通信在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。

應用前景傳統(tǒng)的射頻無線通信傳輸速率受限，頻譜資源緊張；而空間光通信具有頻譜不受限，傳輸速率高，天線口徑小，端機功耗低、體積小、重量輕，并且具有良好的抗干擾和抗截獲性能。因此，空間光通信在許多領(lǐng)域有望取代無線通信，成為“最后一公里”通信的解決方案。比如星間通信、地面樓層通信、星地通信，需要大容量傳輸，而無線由于頻譜限制而無法達到所需速率的時候。實際上，運營商已經(jīng)開始采用設(shè)備，桂林三十四所在這方面的研究已經(jīng)實現(xiàn)了實用化。

FSO主要應用于有星地、星間和地面光通信，在軍事和民用領(lǐng)域均具有重大的戰(zhàn)略需求與應用價值。地面空間光通信的主要應用場景有：3G、4G無線基站數(shù)據(jù)回傳，最后一公里接入，不便于假設(shè)光纜的場合，應急通信保障等。激光通信將改變現(xiàn)有的衛(wèi)星通信體制，給空間信息傳輸領(lǐng)域帶來革命性的變化3。