大气激光通信系统的研究(2)

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大气的散射效应会改变激光光束的能量分布却不会损失光束能量。经过大气散射的激光束在原来的传播方向上能量减少。因此要尽可能的增大光学天线的接收面积，减少光束在传播方向上的能量损失。 ii)吸收效应

大气对激光光束具有吸收效应，气体分子对每个波段的吸收强弱不尽相同。气体分子对不同波段的吸收谱线形成的谱带群，使得对极少数的波长的吸收较弱，对大部分的吸收较强。因此，适合在大气中传输的激光波长应处在气体分子吸收较弱的大气窗口之内 图3.1是大气对光波波长的吸收示意图。

850nm附近和1550nm附近，激光波长只有在此范围，其大气损耗最低，才能应用与激从图3.1可以看出，在可见光波段、0.85,um波段、1.0伽m波段、1.55伽m波段、10.伽m波段，其大气透射百分比较大，气体分子对其吸收能力较小。 大气散射与吸收的作用气体散射与吸收主要表现为激光束的大气衰减，光波的大

气透射率可以表示为

a(幻表示为波长兄的大气透射率;z为传输距离，a(幻一am+a。为散射损耗系数和吸收损耗系数的总衰减系数。常用的大气透射率和能见度可表示为

式子中Y为能见度，单位为km，传输距离z的单位也是km，波长兄的单位是,um, q的取值和能见度有关，当Y较大时，q=1.6;能见度中等时，q=1.3;当h<6km时，q=0.585 V。 (iv)湍流效应

由于温差而产生的大气流动，形成不同的气流漩涡，这些漩涡的温度、压强、密度、流速等参数各不相同。并且这些漩涡也在随时间的变化而变化着，他们之间相互叠加后形成随即的湍流运动]。因此，在大气中局部的温度、压强、大气密度等参数随机变化，从而引起光通信的湍流效应。首先体现在波阵面产生随即畸变，传播方向发生随即偏转。其次是产生光照度的随即起伏，光斑强度发生随即变化。也就是所说的光斑闪烁、漂移。

表征湍流大小的函数可以用大气折射率函数表示，即

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其中，h为高度，单位为米，Q-(Qosmee)一SO为上升

流的热通量(Wm.z}} Q的大小和太阳光与地面夹”·风速等“关。昧示太阳”。一0.35h引，其中·为风速，·的单位为ms。夏季的湍流效应最强，晴朗天气湍流效应较强，每天的10点一15点湍流效应较强。利用开普勒望远镜型的接收天线可以减小湍流效应的影响。 (2)天气条件对通信链路的影响

天气条件对激光传输链路的影响表现在不同的天气(雨、雾、霆等)对激光的强度衰减。处在大气窗口的激光信号，随着天气的恶化，其衰减系数不断增大，散射系数也不断增大，激光信号强度急剧减小[24]。因而长距离激光通信需要选择高功率的激光器，抑制天气条件所引起的信号衰减，以满足通信链路的正常化。 不同天气条件下的能见度和衰减情况

4.2激光器的选择

1.常用激光器性能比较 根据激光通信的条件，通信波长应穿在大气窗口内。常用的位于大气窗口的波长有1550nm, 1064nm, 850nm和780nm波段。表3.2是市场是各波段的激光器的性能比较。

常用激光器的性能比较

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从上表中可以看出，从激光器的体积、价格、使用寿命和信号加载难易程度等四个方面考虑，本文选用激光通信中占主导地位的半导体激光器。半导体激光器的优点首先是性能稳定，技术成熟，安全系数比较高;其次是激光器体积较小，便于携带，发光高效率，使用寿命长，不容易损坏;第三，半导体激光器的初涉光斑为发散度较低的圆形光斑，有利于后续光学发射的聚焦处理。VCSEL激光器的价格便宜，维修方便，检测费用低。 2.大气激光通信系统模型

典型的大气无线激光通信链路的框图如图2.2所示。和其他通信技术一样， 一个无线激光通信系统主要由发射机、信道和接收机三部分组成。

五．大气湍流信道中随机光强信号的检测

5.1无线激光通信中的光强信号检测

在FSO系统中，如果用户信息被调制到信号强度上后发射到大气中，在接收机端，探测器直接将接收到的信号功率转换为电信号，则这种探测称为直接探测，其调制和探测过程也称为强度调制和直接探测。在利用OOK调制方式的强度调制和直接探测系统中，接收机的输出在一个符号(比特)周期结束时和一个与噪声有关的闽值几进行比较后做出判决。对于具有正反两个极性的信号集合来说，判决闽值始终是零。然而，对于OOK调制方式来说，判决闽值与噪声有关，所以必须动态设定。

1.无湍流时的光强信号检测

忽略信道中湍流引起的退化效应时，则信道变为具有高斯加性噪声的非退化

信道，接收电流i_的最优判决机制可表示为6s}

通过假设，该检测机制变为

2.己知完整信道状态的光强信号检测

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信道状态信息是指在接收机端获得的关于信道系数h的瞬时信息。如果己知 信道状态信息，则最优探测器的设计变得非常简单。假设使用最优检测的接收机接收的功率被规范化，则最大似然机制的闽值由下式给出

六．结论

大气激光通信是目前光通信发展的一个重要分支，本文通过阅读大量技术文献，对该领域的研究现状、各个主要组成部件、关键技术等方面进行了深入的研究和广泛的调研。在选择和实现了前人提出的电信号输入输出方式、单个激光器通过单路光学天线发射和接收的同时，根据实际情况，对其中的接口电路进行了改进和创新，最后得到一个既有电接口又有光接口的完整的大气激光通信系统，使其实用性得到了广泛的延伸。本论文主要内容包括以下几点:

1.深入研究分析了半导体激光器的选取和调制驱动方式，并用集成芯片MAX3667设计出了半导体激光器的调制驱动电路，完成了半导体激光器的调制实验。

2.详细讨论了光学发射天线的准直特性，并明确了设计准直系统时数值孔径的选取原则等。

3.根据光传输特性的噪声分析，合理选取了光电探测器，用MAXIM公司的集成芯片MAX3266和MAX3964设计出了”D光接收模块，并定量地计算出了它的接收灵敏度。

4.通过定量地讨论光束发散角、光学接收天线孔径、接收灵敏度与传输距离、传输扩展损耗的关系，合理选取了接收光学天线的口径，同时也验证了课题方案中对能量的估算。

5.论证了以计算机作为信源和信宿的大气激光通信系统的总体方案。设计出了具体的光发射机和接收机，并对系统的保密性能、光电性能进行了分析，提出了改善意见。由于时间、经费以及本人能力所限，我对大气激光通信系统的研究 工作仅仅是个开始，还有很多实际工作尚未完成。大气激光通信系统涉及的领域比较广泛，整个系统也较为复杂，需要有更多的人力、物力投入到这项研究工作中去，希望下一位研究者能继续深入研究并完成这一使命。 参考文献

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[2] 易湘 刘增基 大气激光通信中光强闪烁及其抑制技术的研究2013.4

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[6] Dong tang Ma(马东堂),Jibo wei (魏急波),Zhao wen Zhuang (庄钊文),and TaoWen(温涛) Design and analysis of the optical transceiver for mobile atmospheric laser communication Received April10,2003

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