第8、9章-空间激光通信课件.ppt
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1、光通信原理与技术空间光通信概念n空间光通信是一种利用光波在空间中的传播达成的通信方式n优点:n与传统的无线电通信(微波通信)相比n承载能力更强n与光纤通信相比n在灵活性、成本、建设周期方面具有明显优势空间光通信分类自由空间光通信大气(近地)星间(外太空)水下江河岸间建筑物/山间岛屿间星地间GEO-GEOGEO-LEO LEO-LEO 天空(卫星/飞机)-水下水下-水下第8章 大气激光通信本章内容n概述n激光在大气信道中的传播特性n用于大气激光通信的关键器件和技术n调制方式n大气激光通信系统n大气激光通信的应用8.1 概述大气激光通信的研究进展 n又被称为自由空间光通信(FSO,Free Spa
2、ce Optics)n发展大致经过了高峰低谷复苏三个阶段 n20世纪6070年代,研究高峰期n特点:激光刚出现,使用激光实现大气光通信,独占光通信舞台n20世纪7080年代,衰落期n光纤出现,光纤通信压倒性优势n20世纪90年代至今,复苏期n作为光纤通信的补充,与其它无线通信方式竞争大气激光通信的应用优势 n无线优势n容量优势n电磁兼容优势n保密优势n尺寸优势n价格优势n功耗优势 面临的主要问题n大气信道问题n大气信道衰减n大气湍流的影响n大气信道散射n背景光干扰n其它问题n飞行物遮挡n工作平台方位稳定性8.2 激光在大气信道中的传播特性大气效应n大气吸收n在紫外、可见光及红外区域,主要的吸收
3、分子是H2O、CO2、O3、O2及少量的CO、CH4、N2O等。在吸收带之间少数几个区域中存在相对“透明”的“窗口”,在这些窗口中辐射透过率较高,吸收较弱,通常称大气窗口 n大气散射n造成光能量衰减的主要原因是悬浮粒子的散射,一般说来,对于半径r0.3m的粒子(如气体分子),波长在1m附近,瑞利定律的误差1%,当粒子半径r0.3m时(如悬浮尘埃等),须采用米氏定律。当粒子半径比辐射波长至少大40m时(如雾滴、雨滴等)才出现非选择性散射n大气散射造成光衰减,是大气窗口上主要的损耗来源,但也可有意利用大气散射构成散射信道n大气湍流n湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化 n
4、其它n背景光/热晕大气透射谱天天顶角顶角=0=0大气质量比大气质量比=1=10.30.50.70.91.11.36060,2 2能见度极佳(能见度极佳(31km)对大气质量比等于对大气质量比等于1时时70.570.5,3 3波长波长 ( m)020406080100透射率(透射率(%)天天顶角顶角=0=0大气质量比大气质量比=1=10.30.50.70.91.11.36060,2 2能见度极佳(能见度极佳(31km)对大气质量比等于对大气质量比等于1时时70.570.5,3 3波长波长 ( m)020406080100透射率(透射率(%)瑞利散射与米氏散射n瑞利散射n光子与空气粒子发生碰撞而产
5、生n特点:散射的强度和波长的四次方成反比;散射光的散射强度与观察方向之间有着比较简单的关系;前向散射能量和后向散射能量相等;90度方向的散射光几乎是偏振的n米氏散射n散射颗粒的大小可以与辐射波长可比拟时产生米氏散射n特点:主要的散射能量集中在前向方向上 大气综合衰减系数表 不同天气时的大气综合衰减系 数和能见度表(工作波长850nm) 天气情况 能见度 大气衰减系数( dB/km) 非常晴朗 5020 km 0.200.52 晴朗 2010 km 0.521.0 轻霾 104 km 1.02.9 阴 42 km 2.95.8 薄雾 21km 5.814.0 轻雾 1000500 m 14.03
6、4.0 中雾 500200 m 34.084.9 浓雾 20050 m 84.9339.6 大气散射损耗经验公式n当工作波长选择在低损耗窗口时,大气损耗主要由散射造成n大气散射损耗经验公式:()3.91/550qaNp kmVnmlsb-骣=桫kmVkmVkmVkmVkmVkmVkmkmVq5 . 0015 . 05 . 06134. 016. 05063 . 1506 . 1能见度 V 定义为最初光功率衰减到2%的距离 非视线紫外大气散射信道 背景光噪声00.511.522.50500100015002000光谱辐照度Wm-2 m-1波长(m)00.511.522.5050010001500
7、2000光谱辐照度Wm-2 m-1波长(m)8.3 关键器件和技术光源n工作波长n不仅要考虑低损耗窗口,还要注意避开背景光的高辐射谱段n可以认为810860 nm、15501600 nm都是无线光通信中可以选择的通信波长n功率要求n大气吸收/散射问题n光束发散问题 n通常选择在 数十mW以上 光检测器n半导体光检测器nPD和APDn真空器件n真空光电管n真空光电倍增管(PMT)n原理:光阴极产生的一次光电子被高电场加速,发射到打拿极并产生二次电子发射;二次电子多少重复以上过程,如此电子的数目也得到可观倍增;一般打拿极的级数可达10级以上,平均倍增系数可达105107n优点:灵敏度高、暗电流小、
8、光电转换能力强、动态响应速度快、信号检测能力强、稳定、较为可靠n缺点:需要高压,体积大,易碎,缺少长波长器件光束发散等效损耗010203040500 510 1520 2530 3540 =850nm,0=5cm=1550nm,0=1mm=850nm,0=1mm=1550nm,0=5cm距离(km)衰减(dB)010203040500 510 1520 2530 3540 =850nm,0=5cm=1550nm,0=1mm=850nm,0=1mm=1550nm,0=5cm距离(km)衰减(dB)接收天线光强光锥发散角)(22211lg10LDe光学天线n作用n在发送端,对激光束实现扩束,压缩光
9、束发散角,减少光束发散损耗,降低对光源的光发射功率要求n在接收端,增大接收面积,大大提高了所接收到的信号光功率,压缩接收视野,减少背景光干扰n大气光通信常用折射式光学天线目镜物镜准直输出8.4 调制方式调制方式n脉冲位置调制(PPM)n目的:提高传输通道抗干扰能力n常用的PPM包括:n单脉冲脉位调制(L-PPMn差分脉冲位置调制(DPPM)n多脉冲PPM调制方式n与OOK调制的比较n平均发送光功率都有所降低nL-PPM调制和L-DPPM调制都有不同程度的带宽扩张n多脉冲PPM调制在选择合适的脉冲数时可以减小带宽扩张甚至没有带宽扩张8.5 大气激光通信系统系统框图电端机线路编/解码光调制/解调光
10、学收/发天线自动跟瞄自适应光学波前校正信源/信宿自动功率控制各部件功能n电端机实现对信息的编码和还原n线路编码实现前向纠错n光调制解调单元实现信号的电-光/光-电变换n自动功率控制补偿大气条件变化导致的激光束传播损耗变化n光学收发天线:接收光学天线的任务是将一定面积内的信号光会聚到光检测器上,目的是增大接收光信号功率;发送光学天线的任务是压缩光束发散角,降低激光束在大气中传播时的发散损耗构成光学天线的主要方式 n收发分离式n收发合一式光学带通滤波片LDAPD光学带通滤波片遮挡和晃动n阵列发射接收解决遮挡问题n散光法和自动跟踪解决建筑物晃动问题接收天线光强光锥发散角大气光通信设备实例光学天线光学
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