激光无线通信（共10篇）
激光无线通信 篇1
激光在通信技术领域的应用目前主要体现在两个方面:一个是有线激光通信即光纤通信, 另一个是无线激光通信即空间激光通信。无线激光通信是一种新型的无线通信技术, 是光通信和无线通信结合的产物;它是利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种通信技术, 又称为“自由空间光通信” (Free Space Optical communication简称FSO) 。
(一) 无线激光通信的基本原理
无线激光通信不是用光纤作为传输媒介, 而是以大气为媒质, 通过激光或光脉冲在太赫兹 (THz) 光谱范围内传送信息的通信系统;其传送终端在原理上与光纤传送终端十分相似, 但由于用在接入系统, 因而组成更为简单。激光具有普通光的一切特性, 即折射、反射、透射、衍射和干涉等, 但它比普通光具有更优良的特性, 即单色性 (激光光波都具有相同的频率) 好, 强度高, 相干性与方向性好, 因此激光束的发散角度小, 能量集中在很小的范围内, 接收器可获得比微波高几个数量级的功率密度。
无线激光通信本质上也是一种无线电通信, 但它与一般无线电通信相比又有区别。在无线激光通信系统中多了两个转换过程, 即在发送端进行电–光的转换, 在接收端进行光–电的转换。一个光传输系统, 所用的基本技术, 也就是光电的转换。在点对点传输的情况下, 每一端都设有光发射机和光接收机, 具有全双工的通信能力。通常把待发送的信息源 (语言、文字、数据、图像等) , 通过信号转换设备 (话筒、摄像机等) 转换成模拟或数字电信号, 然后把这些信号输入光调制器, 调制到一个由激光器产生的激光束 (激光载波) 上, 并控制这个载波的某个参数 (振幅等) , 使它按电信号的规律变化。于是, 激光载波就运载着这些信息 (此时的激光被称作已调制激光信号) , 经过信息处理以后由发射望远镜 (发射天线) 发射出去。发射望远镜能把截面很小的激光束变成截面较大的激光束, 方便接收望远镜调整方位并接收信号;如果不进行这样的处理, 由于激光束截面很小, 且激光是直线传播的, 将会给接收望远镜的方位调整带来困难。接收是发射的逆过程。接收望远镜 (接收天线) 接收到已调制激光信号, 送到光检测器取出电信号, 然后由信号转换设备 (如扬声器、显示器等) 恢复出原始信息。接收望远镜能用于接收大面积的激光束, 并聚焦成较小的光斑, 起到恢复激光束本来面目的作用。
由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大差别, 可以选用透过率较好的波段窗口, 激光无线系统通常使用0.85μm或1.55μm的红外波段。波长0.85μm的设备相对便宜, 一般应用于传输距离不太远的场合;1.55μm波长的设备价格要高一些, 但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1.55μm的红外光波大部分都被角膜吸收, 照射不到视网膜, 因此, 相关安全规定允许1.55μm波长设备的功率可以比0.85μm的设备高两个等级。功率的增大, 有利于增大传输距离和在一定程度上抵消恶劣气候对传输质量的影响。
(二) 无线激光通信的优势
相比于微波通信等其他几种接入方式, 无线激光通信主要优势包括:
1. 无须授权执照。
FSO系统的设备之间没有射频信号的相互干扰, 工作频率在百THz以上, 不挤占宝贵的无线电频率资源, 可以免费使用, 故无需像无线电通信那样申请频率使用许可证。
2. 快速链路部署。
因为不需要埋设光纤和等待各种手续上的问题, 只须在通信点上进行设备安装, 工程建设以小时或天为计量单位。FSO的无线接收器大小如同一部视频摄像机, 可以轻而易举地安装在屋顶, 屋内甚至窗外, 对于重新撤换部署也很方便容易。
3. 成本低廉。
由于以大气为传输媒质, 免去了昂贵的光纤铺设和维护工作。有资料表明, FSO系统的造价仅为光纤系统造价的五分之一左右。
4. 传输保密性强。
激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄, 方向性好;激光束的发散角通常都在毫弧度, 甚至微弧度量级, 因此具有数据传送的保密性。激光波长使用红外非可视光, 夜间也无法被发现, 因此无法探测到链路的位置, 更不存在窃听的可能性;除非其通信链路被截断, 否则数据不易外泄。
5. 信息容量大。
自由空间光通信和光纤通信一样, 具有频带高的优势。FSO支持155Mbit/s~10Gbit/s的传输速率, 传输距离在2~4km之间。在点到多点的组网方式中, FSO同样能支持155Mbit/s~10Gbit/s的传输速率, 但传输距离为1~2km。
6. 协议透明。
FSO以光为传输机制, 任何传输协议均可容易地叠加上去, 对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。
7. 设备尺寸小。
光收发终端设备小巧轻便, 便于携带, 尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多, 具有功耗小、体积小、重量轻等特点。
(三) 无线激光通信的缺点
当然, 无线激光通信也有其固有的缺点:
1. 通信距离有限。
激光的定向性虽然很好, 但波束还是随传输距离的增加而慢慢变宽, 超过一定距离后就难以被正确接收。目前用于地面民用无线激光通信的设备所能达到的距离一般为200m到6000m, 受发送功率、数据速率、天气等条件的限制, 实际使用的距离要短一些。测试表明, FSO系统在1公里以下才能获得最佳的效率和质量。
2. 易受恶劣天气影响。
FSO的传输质量对天气非常敏感。因为激光光波的波长与雨雪或雾气的水微粒的直径差不多, 光波易被水气吸收, 导致衰减严重;所以遇到雨、雪、雾天气, 将严重影响激光通信的可靠性, 甚至无法接通。据测试FSO受天气影响的衰减经验值分别为:晴天5~15d B/Km, 雨天20~50d B/Km, 雪天为50~150d B/Km, 雾天为50~300 d B/Km。
3. 只能在视线范围内建立链路。
由于激光不能穿过有形物体, 如建筑物、树木等障碍物, 所以无线激光通信要求两个通信点之间视线范围内必须无遮挡;对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输, 可以通过建立一个中继站实现连接。
4. 对准困难。
由于激光在自由空间传输时人眼看不见, 这就使接收天线不易把握方位, 对准困难。一般FSO系统的发射天线设在大楼上, 大风或轻微的地震都会使天线产生晃动造成光路的偏移而不易对准。目前已有“偏光法”和“动态跟踪法”两种手段可以解决这一问题。
5. 意外因素使通信链路阻断。
点对点及点对多点模式中, 如有飞鸟或杂物经过某条链路空间时, 链路将被隔断, 通信受阻。
(四) 无线激光通信的主要应用
1. FSO在企事业内部网连接中的应用。
在校园网、小区网或大企业的内部网建设中, 经常会碰到这样一种情况:马路对面的新建大楼急需接通, 可挖路许可权却迟迟不能得到批准或者根本就无法取到, 这时候无线激光通信技术便可以大显身手, 如右图所示。无线激光通信设备配备标准RJ45接口或光接口, 且对协议透明, 可以非常方便的完成局域网的连接。
2. FSO在宽带接入中“最后一公里”的应用。
随着通信网建设的发展, 局域网以及千兆以太网开始快速增长, 将这些高速的局域网和千兆以太网连接到运营商的通信网络, 必须依靠高带宽的接入网络。当前有很多接入技术可供选择, 比如光纤、微波、x DSL等;但光纤、微波接入方式成本高, x DSL则带宽太低, 而无线激光通信作为一种新兴的宽带无线接入方式浮出水面, 是解决宽带网络“最后一公里”的传输瓶颈的有效途径。
3. FSO在移动通信中的应用。
移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一, 随着移动电话用户的迅猛增长和移动数据业务的推广, 无线网络需要具有更高的带宽和容量。如何充分地利用现有资源, 用最低投入、以最快速度实现移动网络扩容和优化, 成为移动网络运营商最为关注的问题。无线激光通信技术作为一种接入技术, 因为其自身的特点和在施工、带宽、成本等方面的优点, 已逐渐成为各大运营商的首选方案之一。该方案在主干网到距离最近的天线之间采用光纤连接, 经过协议转换器后, 由FSO设备系统再连接到其它天线, 一定距离内的天线可以共用一个基站, 具有以下优点:一是省去基站到天线之间的链路铺设, 缩短了施工时间和施工费用;二是可以多个天线共用一个基站, 减少了基站数目;三是无线激光通信技术采用红外激光传输, 相邻设备之间不会产生干扰。
4. 用于意外恢复和应急临时链路。
在突发的自然或人为意外灾害中, 原有通信线路被破坏, 难以立即恢复时;或者在一些特殊地方发生突发事件, 需要应急通信;或者某些需要快速建立一些临时链路用于现场通信的场合, 可采用无线激光通信进行快速的部署。
5. 用于特殊地理条件下的通信链路连接。
在通信链路必须跨越高速公路、河流、拥挤的城区, 由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时, 采用无线激光通信可以有效解决链路连接的困难。
(五) 结束语
无线激光通信与微波通信相比, 它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点;与有线和光纤通信相比, 它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。因此, 无线激光通信已成为通信家族中新的一员。FSO可以用于城域网的扩展, 局域网的互连, 移动通信的基站互连, 最后一公里宽带接入, 以及灾难应急、临时部署等。今后, 随着宽带网络的进一步发展, 要求更高带宽应用的流媒体视频等业务的普及, 对接入网络的容量和覆盖范围的要求将更为严格。而作为光纤与微波通信的一种补充方式, 无线激光通信将有着良好的应用发展前景。
参考文献
[1]张以漠.应用光学[M].合肥:中国科技大学出版社, 1997.
[2]万玲玉.气象条件对近地视距光通信链路的影响研究[D].南宁:广西大学.
激光无线通信 篇2
摘要：通过对电磁波无线、光纤及现有的激光无线通信的优缺点分析，介绍了一种结构简单的激光无线语音通信系统的结构及主要硬件的设计。经实际应用表明：该系统能够灵活地适应各种场合。
关键词：激光 无线通信 语音
电磁波作为无线通信的信号载体由来已久，至今仍广泛应用于短波、微波、毫米波无线通信。但它们存在致命的缺陷：保密性差、通信容量低、波段资源受限制等。光纤通信以光作为载体，以光纤作为传输介质。由于光的频带资源十分丰富，故通信容量巨大，已成为现代通信的主体。但光纤通信网络包括光端机、光缆等通信基础设施的建设是事先规划的、固定的，将会出现光缆没有到达或光缆不便到达的地址，无法进行光纤通信。早在二十世纪70年代，人们就开始了激光大气通信技术的研究，但由于当时光纤通信较为成功，激光自由空间的通信未能得到充分重视。近几年来，由于移动通信的需要和微波通信的带宽限制，光自由空间的通信取得了很大的进展。美国朗讯公司采用1.55μm波段的半导体激光器加光纤放大器(EDFA)作为发射光源，并采用波分复用结构，实现10Gbps容量的空间光通信。日本、欧洲等国家也报道了几种空间激光通信装置。我国电子科技大学采用二氧化碳激光器(10.6μm波长，内腔式)，实现定点双工四线制三路电话的大气通信(技术成果编号88210414);中山大学激光与光谱学研究所采用音频或数字信号的调幅激光制式工作实现大气通信传输(技术成果编号89209283)。但它们都因通信容量低，在通信系统的结构上，没有与其他通信设备(包括光纤通信、微波通信)的接口，故实用价值小。为解决上述问题，中国科学院上海光学精密机械研究所报导了一种无线激光通信端机实现了与其它通信设施的接口(技术成果编号00217069.8)，但由于该端机设备昂贵，未能得到广泛应用。本文提出了基本激光无线语音通信系统的研制，目的在于提供一种价格便宜、携带方便、同机具有激光信号发射和接收装置，且激光接收装置具自动跟踪激光发射装置的双工通信功能的设备。该设备发射装置发出调制激光信号不仅可在自由空间传输，也能直接利用光纤作为载体传输，克服了在天气恶劣情况下无法通信的缺陷;该设备信号传输容量大，可直接与光纤通信、微波通信网络并网，并能灵活地适应各种场合的使用。
图1 空间激光无线通讯系统原理框图
1 总体方案设计
激光天线通信系统主要由激光发射装置、激光接收装置和光学望远镜三部份组成(如图1所示)。其工作原理是：发射端的轴电缆通过高频电缆与发射机码型变换器相接;光纤适配器通过光纤与发射机光电转换器相连;码型变换器与光电转换器均与制式选择开关相连，然后经信号处理模块进行整形、放大、时钟提取等处理，输入激光驱动器使激光器组件产生调制的激光光束，通过激光发射天线定向向空间发射。经光接收天线收集的调制激光信号接进探测器，转换成信号输入信号处理模块，再接进制式选择开关后分两路：一路连接激光驱动器，经光纤适配器连接光纤通信线路;另一路则与码型变换器相接，再接入同轴电缆至电传输线路上。对于本系统所设计的语音激光无线通信系统主要由图2所示的各部分组成。
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2 主要硬件的设计
2.1 激光器件的选择
空间激光通信波长选择主要考虑：尽量避免太阳辐射的影响、减小光束发射角、减小收发天线的尺寸、光波在大气中的透过率以及器件的现实性或预期的可行性，包括器件性能价格比的预计。从激光天线通信的角度分析，大气的透射率是个重要影响因素。在小于300nm的紫外波段，大气的透过率急剧下降。显然，紫外线光不利于大气通信。可见波段的激光，例如二次倍频YAG激光器，也不利于避免太阳光引起的背景辐射噪声。常用的`激光波段有830～860nm、980～1060nm和1550～1600nm，都是良好的大气窗口。
2.2 光发射与接收天线
由于光学天线的功能是将需传输的光信号有效地发向对方并将对传来的信号光高效接收，因此，光天线的设计是在满足总体设计的前提下，保证系统在设定的通信距离及大气衰减时能正常工作，合理选取发射远镜的远场发散角、接收望远镜的接收视场角及光学系统的其他参数。下面分别予以介绍。
(1)设计考虑
主要光学性能要求：高的光学质量(λ/20RMS);低的遮挡率;高的光透射率(T≥0.92);低的散射光。此外，要求材料热膨胀系数小、机械强度纺高、重量轻、使用寿命长。
图3 (a)光发射天线系统原理图(b)光发射天线系统原理图
光学设计考虑：为了满足空间通信对天线的要求，笔者选择卡塞格伦天线。主要包括：抛物面初级反射镜;双曲线次级反射镜;聚焦镜，使成像在天线结构的外部。
(2)性能分析
假设光源电场强度满足高斯幅度分布，即
其中，ω为光腰大小，R表示曲率半径。
利用非涅尔近似场区的辐射定律以及天线增益定义，得到观测点(r，θ)处的天线增益值：
其中，
定义：
α=a/ω,γ=b/a,X=kasinθ,β=(ka2/2)[(1/r)+(1/R)]
次级反射镜的遮挡率，天线的误指向效应以及光学天线的桁架对天线增益都有较大影响。此外，对接收无线的增益，检测方式也有较大影响。
在光学设计时，为了满足空间通信对天线的要求，光发射天线系统如图3(a)所示，它由半导体激光器和设置于其光路上的发射镜构成。光接收天线系统如3(b)所示，主要由校正镜、校正镜2次镜胶合镜、主镜、滤光片、聚光镜胶合镜和滤光片聚光镜、探测器等组成。其中，探测器采用SI-PIN GT101型复合光电二极管完成光信号转换为相应的电信号。该器件在反向偏置条件下工作，当光照时，半导体吸收光，在耗尽层或离耗尽层一个扩散长度内产生电子空穴时，最后被电场分开。当载流子漂移通过耗尽层时，在外部电路中形成电流，从而实现光电转换。
图4 激光无线通信(发送器)原理图
2.3 主要电路设计
・电源电路选用了集成稳压器。
・前置处理电路主要包括前置放大器和功率放大器两部分。经内调制转换的电信号通常比较微弱，需经前置放大电路将前级电路的输出电压放大。故前置处理器质量的优劣，在很大程序上标志着系统整体的音质水平。即前置处理器与功率放大器的选择对于本系统非常重要。本系统采用集成芯片NE5532作为前置放大器，LA4101作为功率放大器。同时，为获得较好的效果，减小干扰，在信号输入前置放大器之前，设计了高通滤波器。
・调制电路对光源进行调制的方法有若干扰，但从光源与调制器之间的关系可分：光源的内调制、光源的外调制。本系统采用了光源的内调制方式。
・功率放大电路因光电探测器的电信号较弱，需经功率放大器放大电压信号，产生足够的不失真的输出功率，以推动扬声器发音。放大器的种类较多，本系统采用集成电路功率放大器LA4101。
上述设计的发射电路如图4所示，接收电路如图5所示。
图5 激光无线通信(接受器)原理图
3 试验样机及结论
在上述设计思想指导下，完成了一个5km的激光无线大气通信机试制。通信光源采用波长为0.885μm的半导体单模量子阱激光器 ，用芯径为200μm的光纤耦合，出纤光功率为200mW。光天线发射/接收望远镜的通光孔径为φ110mm，激光远场发射角为1.5mrad，接收视场角为3mrad。
本系统兼容128/256/512/1024/2048kbps速率，并具有AMI及HDB3，码两种接口功能。该系统已进行了户外开通试验。将其设备分别设在相距约5km的两栋高楼之间(要求视距无遮挡)，进行了长达360h的开通试验，其中经历了大雾、大雨、小雨、晴天等天气变化。试验结果表明，除能见度极你的大雾天气外，通信系统都能正常工作，通话质量良好。该个有以下优点：
(1)具有双工位功能;
(2)可实现单对多的多通道通信;
(3)通过光学望远镜检测发射部分与接收部分之间的对正情况;
(4)结构简单，携带方便;
(5)具有与光纤通信接口，适用范围广，特别适用于两河对岸、高山之间、高层建筑之间的无线通信;
空间激光通信研究现状及发展趋势 篇3
【关键词】 空间激光通信 研究现状 发展趋势
前言：在即将到来的信息时代，构建信息传播速率快、信息传输量大、覆盖空间广阔的通信网络是很重要的。空间激光通信技术正是构建符合未来社会发展需求的通信网络的重要技术支持之一。我国的各大高校和科学研究机构都有对这一方面展开研究，比如武汉大学的静态激光通信、华中科技大学的对潜激光通信、中科院成都光电所的自适应激光通信、中电集团34所的大气静态激光通信等。空间激光通信的应用，有助于构建一体化的通信网络，对于我国发展具有深远的影响。
一、空间激光通信的技术特点
1.1光波频率高
空间激光通信就是利用激光进行信号传输的通信技术[1]。激光的频率比微波高出三到四个数量级。这就导致以激光为载波进行通信，能够利用的频带更加宽广，在短时间内传输大量的数据。在地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等领域，经常需要在一段时间内实现海量数据的传输，空间激光通信就可以有效实现这一点。
1.2光波波长短
空间激光通信所运用的光波具有极短的波长。光波的波长决定了发射天线的口径。如果光波的波长较短，发射天线的口径也会比较小，这样，激光在发射过程中就会相对集中，不容易发生分散，同时消耗的功率也比以往的微波发射低，节省更多的能源。不仅仅是发射天线，接收终端的型号也与光波的波长长短有关。利用短波长的光波进行信息传输，接收终端的体积、重量也可以相应缩小，同时消耗更低的能源。这种性质使得空间激光通信能够搭配多种通信平台，适用范围极为广阔。
1.3方向性强
空间激光通信发射的激光光束很窄，指向明确，能够直达目的地，很少发生散射[2]。以往的微波通信，光束宽，指向性不明显，容易发生散射和折射，影响通信的效果，导致通信不稳定。空间激光通信就将这一问题进行极大程度的改善。另外，空间激光通信还具有防窃听的能力，在传输过程中不容易被外界窃取信息，在保证了通信的稳定性的同时，也保证了通信的保密性。
1.4波段远离电磁波谱
如果通信光波的波段距离电磁波谱较近，就容易在传输的过程中受到电磁波谱的干扰。所以，空间激光通信采取远离电磁波谱的光波波段。在机场、战争区域等环境中，电磁波谱的干扰极为严重，只有利用空间激光通信才能够确保信息的顺利传输。
二、空间激光通信的关键技术
2.1激光调制发射技术
激光调制发射技术具有高功率和高速率的特点。这种技术的主要组成部件有激光器、驱动器、温度控制、功率控制、光放大器、光学天线和信道编码部分。为了降低噪声的产生，激光调制发射技术利用电子滤波或者光学滤波的手段，将发射信号中所含的噪音过滤出去，提升通信信号的稳定性。
2.2光信号接收技术
现阶段通用的激光接受方式有直接探测和相干探测两种[3]。直接探测的方法应用比较广泛，但是探测的灵敏程度受到元件性能的影响极为严重。如果探测元件性能不足，探测的灵敏程度就会大大降低。另外，通信速率与探测灵敏程度也有一定的反比关系，在提升通信速率的同时，会导致探测的灵敏程度大大降低。而相干探测具有极高的探测灵敏度，但是对技术的要求比直接探测要高。相干探测要求信号光与本振光具有相关性，在通信过程中保持频率的稳定，需要用到极为复杂的通信系统，所以应用范围还不是很广泛。
三、空间激光通信的发展趋势
目前，我国在空间激光通信的研究上取得了重大突破，通信性能的标准比起以往也有了很大提高，在完成高功率和高速率发射的同时，能够在一定程度上保持良好的灵敏度。与以往的探测技术相比，探测灵敏度几乎没有区别，而探测速率已经提升到了Gbps的量级。另外，通信模式也在发生变化，光通信组网模式已经逐渐取代了点对点的通信模式，形成全方位覆盖、能够有效传输信息的通信网络体系。
结论：空间激光通信在科学研究、环境监控、军事探测等领域内都具有重要的意义，是世界各国都在进行研究的重要课题之一。空间激光通信比起以往的通信技术传输速率更快、传输效果更好、抗干扰能力更强。我国应该加紧对空间激光通信的技术进行优化，对其应用进行普及，提升我国的通信水平，促进我国的全面发展。
参 考 文 献
[1]常呈武，程砾瑜，罗丹等.空间激光通信进展及在天基网中应用构想[J].飞行器测控学报，2015，02：176-183.
[2]姜会林，安岩，张雅琳等.空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析[J].飞行器测控学报，2015，03：207-217.
近距离无线激光通信系统的设计 篇4
无线激光通信是指在两个或多个终端之间,利用在空间传输的激光束作为信息载体实现通信。它包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道的卫星之间,地面站与卫星之间以及地面站与地面站之间的激光通信,又称为自由空间激光通信( Free Space Optical Communication , 简称FSO)[1]。与光纤通信相比,FSO具有价格低廉、无需线路敷设、安装迅速、组网灵活以及建设周期短等优点;而与其它无线电通信相比,具有不占用宝贵的无线电频带资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、保密性好、设备体积小、重量轻、系统机动性强、易于扩容等优点。但FSO也存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确对准和保持难度大等问题。目前,FSO已成为解决宽带网络“最后一公里”瓶颈和最终实现全球个人移动通信的重要技术选择[2]。FSO主要用于:a.作为预防光纤通信和微波通信服务中断时的备份;b.移动通信基站间的互连;c.近距离高速网的建设;d.不宜布线或布线成本高、施工难度大、难以获得市政部门审批的地方;e.在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合;f.用于企业内部网互连和数据传输。
FSO技术以其容量和价格的优势,受到越来越多运营公司的关注。目前,国外已有几家较大的FSO通信设备生产厂家,如LightPointe、AirFiber、Canon、Terabeam等。我国的FSO在发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准、机械稳定性等关键技术方面已取得明显进步,已有几家研究所与公司生产了比较成熟的样机[3]。
1 系统结构和器件的选择
近距离无线激光通信系统的基本组成如图1所示,主要包括信息源、编码器、光发射机、发射光学系统、接收光学系统、光接收机、解码器以及显示终端。在点对点传输的情况下,每一端都设有光发射机和光接收机,可以实现全双工通信[4]。
系统所用的基本技术是电—光和光—电转换。信息源采用模拟图像信息源;编码器将模拟图像信号转变为数字信号;光发射机由光源和驱动电路组成,编码后的电信号加到光发射机的驱动电路上调制激光器发出的光;光载波以光束的形式通过发射光学系统发射到大气信道中进行传输;接收光学系统汇集光束;光接收机中的光电检测器将接收到的光信号转换为电信号,进行放大整形后通过解码器将信号还原显示,本系统采用彩色电视机显示。
光源的功能是把电信号转换为光信号。作为光源的发光器件应满足以下基本要求:体积小,可直接调制且调制频率输出特性好,可靠性高,温度特性好。目前广泛使用的光源主要有半导体激光二极管(LD)和发光二极管(LED)。室外激光通信系统通常选择功率较大的LD激光源。
大气介质对不同光波长信号的透过率有较大的差别,FSO系统一般选用透过率较好的波段窗口,最常用的光学波长是近红外光谱中的850 nm;还有一些FSO系统使用1 500 nm波长,可以支持更大的系统功率[5]。本实验系统选择的光源为850 nm的LD激光器(自带一个61.6 Ω的串联电阻),在实验中测得的该LD的阈值特性如表1所示。在测量过程中,将电源电压逐渐调高,观测LD发光亮度的
变化,记录当LD发出的光由荧光突变为激光那一刻毫安表的电流读数,即为LD的阈值电流。由测量值可见,该LD的阈值电流为18.11 mA。
2 光发射机电路
本系统对发射机的主要技术要求是:a.稳定的光功率输出。当环境温度变化时或器件老化时,输出光功率应保持稳定。b.尽可能小的非线性失真。发射机输出光功率越大,光通信的距离越长。但光功率太大也会使系统工作在非线性状态。因此,要求发射机要有合适的光功率输出。 本文设计的是近距离无线激光通信系统,对LD激光器实施电流限制可使LD激光器工作在相对稳定的功率和温度条件下,因此发射电路采用过电流控制保护电路设计方案,发射机电路如图2所示。
电源部分是由变压器、桥式整流滤波电路和稳压电路组成。交流220 V经过变压器变为9 V左右的交流电,通过整流滤波电路得到+9 V左右的直流电。经过稳压器7805后可得到+5 V左右的直流稳定电压,在稳压器两边分别使用一个C4、 C5的大电容和C6和C7的瓷片小电容,滤掉电源中的低频和高频分量,以获得稳定的直流电压。
LD激光器工作在直流+5 V左右比较安全,信号源即VCD光盘读出的RF信号,其输出电压峰-峰值为1 V左右,频率为1.5 MHz。LD的阈值电流约为19 mA,根据LD的特性曲线,可将LD的静态工作电流设为27 mA,从而可计算出各个电路元件参数。三极管T1、T2、T3均选9013管,放大倍数β为150。电容C1用于抗低频干扰,C2用于抗高频干扰,C3是交流信号耦合电容,起隔直流通交流的作用。Re为限流电阻,R2为激光器电阻, Rb1、Rb2、Rb3为T1的偏置电阻,其中Rb1为可调电阻。R1为分流电阻。
3 光接收机电路
光接收机电路如图3所示,主要作用是把光电检测器接收到的微弱光信号转变成电信号后,再通过多级放大电路处理,恢复为原来的信号。光电二极管(PIN)对接收的光信号进行光电检测,T1的共射极和T2的共集电极(射随器)两级放大电路对光电流进行放大。C1、C2和C3为隔直流电容。可变电阻R1为PIN的负载电阻,实验中将不断调整,以确定最佳阻值(约为470 Ω)。R2为T1的偏置电阻,R5为T2的负载电阻。该电路的静态参数为:T1的集电极电压Vc1=2.5 V,T2的发射极输出Ve2=3.3 V,均处于电源电压+5 V的中间位置,这样能最大限度地保证信号不失真。根据接收要求,在接收机放大电路输入端输入的信号峰-峰值大约为30 mV,放大电路输出端的输出电压要达到峰-峰值1 V以上,通过计算可确定光接收机放大电路中的R3和R4电阻值。
4 系统的实现与调试
本系统采用的信号源是VCD输出的信号,已经经过了数字化和压缩编码。该信号通过光发射机加载在LD发出的光波上,经过大气传输信道,由光接收机的PIN光电二极管接收,并经过放大、整形及解压解码电路,在电视机里显示出原图像信号。
首先调试电源,并分别对光发射机和接收机进行单独调试,表2给出了接收机放大电路的测试数据,信号发生器输出的交流正弦电压峰-峰值为25~35 mV,频率为0.7~1.5 MHz。放大电路不失真输出的电压峰-峰值为1 V左右(信号过小则电压解码板不能正确解码出原信号)。
当发射机和接收机的单独调试均顺利通过之后则开始对整个系统进行收发联调。收发联调的步骤如下:a.把发射机与接收机分别安装在高度与方向可调的两个三脚支架上,调节三脚支架使两者基本处在同一平面。发射机不输入信号,打开电源,调节三脚架的高度与方向,使LD的发射光束对准接收机中PIN光电二极管的接收面。b.将VCD机的数字信号输入到发射机,用示波器同时观测输入信号与LD两端的输出信号,微调发射电路可变电阻Rb1,使眼图输出线条清晰,眼张开得大。c.将光束对准接收机的PIN光电检测器,用示波器同时观测PIN两端的输入信号波形和经过前置放大器和主放大器后的输出波形。如果PIN两端的输入信号失真,需调节接收电路可变电阻R1。d.打开电视机,选择AV频道,电视显示解码板的图像界面。当开启各部分电源,将光束对准PIN时,图像便可传输到电视屏幕上。
5 结束语
本文提出了一种用于传输宽带图像信号的近距离无线激光通信系统模型,对其发射机和接收机进行了电路设计,制作和搭建了实验系统,并对系统整体进行了联合调试。实验中选择VCD机的输出信号作为数字信号源,对LD进行直接强度调制。光信号在大气中传输几十至数百米,到达接收机的光电检测器光敏面,转换成电信号,经放大器处理后恢复为原信号,接收机输出电压峰-峰值达1 V左右。再把光接收机输出的信号送到解码板,进行解压处理,通过D/A变换输出的模拟视频和音频信号经电视机显示图像。实验效果良好,实验系统的光发射功率为5 mW时,在户外天气晴朗时,在200 m的传输距离内能实现12 h不间断的动态数字图像的清晰、稳定、连续传输。如果提高发射机的输出光功率,则传输距离可以长达500 m甚至几千米。
参考文献
[1]季伟,赵长明,陈淑芬.空间光通信系统、技术、现状及展望[J].通讯世界,2002(6):30-34.
[2]王海先.大气中激光通信技术[J].红外与激光工程,2001(4):123-127.
[3]聂小强,曾小东,詹玉书.空间激光通信技术[J].电子科技,1998(2):3-12.
[4]GAGLIARDI R M,KARP S.光通信技术与应用[M].北京:电子工业出版社,1998.
激光无线通信 篇5
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激光通信在潜艇通信中的应用 篇6
1 激光通信的发展现状
众所周知, 激光是一种比较新型, 光源比较强, 亮度和方向性都相对较强的通信形式。而且, 其频率比较单纯, 能量的集中程度也相对较高, 波束的密集程度也逐渐增强。随着多年的发展, 激光通信大致经历了两个发展阶段, 分别是大气激光和光波导通信两种。在大气通信阶段, 世界性的研究热潮比较明显。在发展的过程中, 投入了大量的人力和物力。在一些发达国家, 激光通信技术的发展水平比较高, 通信系统以及趋于完善和成熟, 可以在社会发展和生产中得到广泛地应用。由于大气激光通信技术的不稳定性逐渐暴露, 在具体的应用中渐渐隐退。
由于人们对激光通信技术寄予了深厚期望, 所以, 在对这一技术进行研究的过程中, 分别融入了不同类型的技术, 逐渐提升了激光通信技术的高效性。在所有的激光通信技术中, 大气通信是一种唯一不需要采取光纤形式就可以进行的通信技术。在传输的过程中, 可以通过不同类型的信息表现形式来进行传输。其中包括文字, 图像以及速度等等。这种方式可以通过各种通信协议来进行, 保密程度以及资源的利用效率等方面都相对比较高。可以任意在陆地、海洋或者是天空中有效的应用。
为了对激光通信的技术进行研究, 国家的相关部门已经做出了具体的方案和计划, 在总结激光通讯技术研究经验的基础上, 积极借鉴国外的先进技术。找到现如今激光通信技术的不足, 并且对激光系统的应用状况进行研究和改进。
2 长波对潜通讯方式以及问题之所在
从未来潜艇作战中可以看出, 前提主要承担的任务和使用较重, 其中包括打击、核反击等等。所以说, 在实际的工作中, 保证潜艇指挥通信的准确性至关重要。为了对这些问题进行研究, 需要从各个学科领域入手。电磁波是一种比较常见的物理概念, 可以在水中进行高效传播。不同的水体对电磁波的吸收程度也存在着严重的差异。电磁波的长度和频率之间具有密切的关系, 波长不同在水中的衰减程度也不同。所以, 在潜艇通讯的过程中, 工作人员需要对电磁波的长度进行严格地控制。一般来说, 要想在海水中保证通讯的高效性和稳定性, 就需要选择长波通讯, 因为, 短波的衰减率较高。
2.1 VLF通信方式
所谓的VLF主要是指频段较低的通信方式, 具体的频率范围在3k Hz-30k Hz, 波长也不会超过100km。传播速率相对较高。这种频段的无线电信号可以在水下20m左右的深度内收到信号, 潜艇的单向发信过程中主要应用的是这种通信方式。国际上的多数国家都建立了长波电台, 通信设备也逐渐趋于完善。电台的规模相对比较大, 天线的高度也超过了200m。在战争中, 天线系统是地方打击的重要目标, 而且长波通信的频带相对较窄, 无法进行直接地通话, 但是可以进行电报的低速传播。
2.2 ELF通信方式
所谓的ELF的通信方式主要是指极低频段, 通常情况下, 频率被定义在3k H以下, 这类无线电信号是比较常见的信号问题之一。这种通信方式的主要优势就是潜艇可以在100m深度的范围内轻松地接收到信号, 采用更为先进的接收设备和天线可以将深度降到更低。用ELF频段的电磁波来对潜通信, 信号传播的稳定性比较高, 同时还有更高的抗干扰能力。及时在潜艇航行的过程中, 同样可以对复杂的命令进行接收, 然后采用科学的形式来发送报文。
由于海水是一种性能较强的导体, 在无线电通信的过程中, 相关的通信效应会对电磁波的传输形式产生深入地影响, 安全性逐渐降低。
3 用蓝绿激光来实现对潜通信
采用蓝绿激光的形式来有效的实现对潜通信, 这种形式所表现出的特点可以从以下几个方面来进行深入分析:
3.1 潜艇的安全深度提高
由于激光可以轻松地穿透较深的海水, 可以达到海洋的深处。蓝绿光本身的透光度比较强。所以, 可以利用蓝绿光来对潜入在海底深处的潜艇进行通讯, 在这一过程中, 潜艇无需上浮, 这样就有效的提升了潜艇的安全程度, 进而保证了潜艇航行的灵活性和相对隐蔽性。
3.2 频率相对较高, 耗能较少
蓝绿光的通信技术, 工作频率可以控制在标准的范围内, 通信方式较多, 耗能量相对较少。从某种程度上提升了潜艇的生存能力, 有助于潜艇的作战形式。
3.3 安全性好激光波束的方向性好
抗截获、抗干扰、抗摧毁能力强, 且不受电磁波及核辐射的影响, 因此.潜艇在深海处就能够与地面进行通信, 避免了敌方的测向、侦察和监视, 更便于隐蔽作战企图。
蓝绿激光对潜通信系统主要由发射和接收两部分组成。发射部分包括发射天线、激光器和电信号处理电路:接收部分包括光学接收天线、光探测器和电信号处理电路。信源将信息变成电信号。
结语
由于蓝绿激光对潜通信系统其既有较大入水深度, 又有极高的通信速度, 因而备受各国军方的重视, 在不远的将来, 我们在和潜艇通话时一定可以像陆地通信一样灵便畅通。我国在蓝绿激光对潜通信方面也已经取得了可喜的进展。鉴于战略核潜艇以及常规潜艇在现代以及未来战争中的重要作用, 各国还迫切希望为其提供更多优良的通信手段。
参考文献
[1]柯熙政, 席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社, 2004.
[2]徐启阳.蓝绿激光雷达海洋探测[M].北京:国防工业出版社, 2002.
激光无线通信 篇7
1963年,S.A.Sullivan和S.Q.Duntely等人在研究光波在海水中的传播特性时, 发现在海水中存在一个类似于大气透光窗口的低光衰减系数波段,即海水对于450nm ~ 550nm波段内的蓝绿光衰减系数要比其它光波段小。这为蓝绿激光用于水下通信提供了理论依据,使其得到了迅速的发展。基于蓝绿激光的水下无线激光通信系统具有如下优点:激光光波频率高,信息承载能力强,通信频带宽,可以实现水下大容量数据传输;激光光束宽度窄,方向性好,因而系统抗干扰能力强,保密性好;而且还具有设备轻小功耗低等优点。然而,海水组成成分繁多,特性复杂, 激光光束在海水中传输时,会受到海水的吸收和散射作用的影响,同时海水中还存在变化范围颇大的背景光辐射会对光信号产生干扰[3]。海水的这些特性,会使在海水中传播的光信号产生多径效应[4]、信号能量衰弱等不良变化,继而增加信号传输的误码率,严重影响水下无线激光通信信号的信噪比。因此,在水下无线通信系统的电路设计时,必须充分考虑海水信道对信号可能产生的影响,在电路设计时, 选择具有纠正随机错误和突发错误功能的芯片,增加系统的抗干扰能力,提高系统的鲁棒性。
1系统整体设计
本文设计的水下无线激光语音通信系统由语音处理模块,控制模块,调制/ 驱动模块,信号处理模块等模块构成,系统整体框图如下图1所示。
发送语音信号时,语音处理模块将送入的模拟语音信号进行A/D转换变成数字语音信号。数字语音信号经压缩编码并加上纠错码后送入由FPGA组成的控制模块进行处理:包括去除帧头信息,提取真正的语音数据等处理流程。经控制模块处理后的信号被送入调制/ 驱动模块,以强度调制的方式加载到蓝光激光上并送入海水信道中进行传输。
接收语音信号时,光电探测器将经海水信道传输的光信号转化为微弱的电信号。该微弱电信号被送入信号处理模块进行放大、滤波、整形等处理后再被送入控制模块。控制模块产生一个系统帧头,系统帧头与被送入的信号组成一帧完整的语音信号后送入语音处理模块进行解码, D/A转换,最后输出模拟语音信号。
图1系统总体框图
2具体硬件电路设计
2.1语音处理模块
本系统的语音处理模块所采用的核心芯片是AMBE-2000。该声码芯片是美国语音系统公司(Digital Voice System Inc) 推出的基于高级多带激励(AMBE) 语音编码算法的高性能、低功耗的实时编解码芯片。AMBE-2000的压缩率可以在2.0~9.6kbps范围内调节,提供灵活的前向纠错数据速率选择,而且还具有适度噪声插入,语音激活检测,双音多频信号检测等功能。
AMBE-2000的基本工作原理图[7] 如下图2.
图2 AMBE-2000结构框图
如图2所示,AMBE-2000声码芯片可以看成是由两个独立的编码器和解码器组成。编码器接收8k Hz的语音数据流, 经过压缩处理后以所期望的速率将压缩数据流输出至信道。相反地,解码器则从信道中接收压缩数据流并经过解压缩处理后得到8k Hz的语音数据流。
AMBE-2000的编码器和解码器的接口时序是完全异步的,而工作却是同步的。该芯片的编码器每20ms输出一帧语音数据流,而解码器则每20ms接收一帧语音数据流。
本系统中,AMBE-2000工作于串行被动帧模式。在该模式下,AMBE-2000芯片需要外部控制单元给该芯片提供正常工作所需要的时序。
2.2控制模块
本系统的控制模块选用Altera公司的Cyclone II系列FPGA,该系列FPGA是Altera公司推出的低成本FPGA,其在保证成本优势的前提下提供了很高的集成度和性能。选用FPGA进行控制模块的设计具有硬件结构简单,抗干扰能力强,可靠性高,功耗低等优点,并且由于FPGA具有可编程性,使得系统配置更加灵活, 方便以后的系统升级,降低系统升级的成本。
该控制模块主要是完成为AMBE- 2000提供正常工作所需要的各种时序信号以及对输入输出语音数据流进行数据提取、去系统帧头、加系统帧头等工作。故可将控制模块分为三个主要子模块:时序产生子模块,数据发送子模块和数据接收子模块。
时序产生子模块主要是通过使用VHDL语言进行编程得到分频器,将晶振的固有频率通过分频器变换为AMBE- 2000所需要的频率。数据接收和发送子模块则主要采用FIFO进行数据缓存。并通过编写接收和发送有限状态机来对FIFO进行相应控制,完成对语音数据流的接收发送及处理等任务。控制模块的时序仿真图如下图3。
图3控制模块时序仿真图
2.3调制及信号处理模块
高效、可靠、抗干扰能力强的调制技术是高传输率、低误码率通信的保证,对提高系统性能的发挥有着重要的作用。本系统所采用的激光器为半导体蓝光激光器,选用的调制模块为实验室已有的调制电路。该电路所采用的调制方式为结构简单的内调制方式,通过对光信号强度的直接调制,将语音信号加载到蓝光激光上。 此调制模块结构简单,易于实现。
本系统所用的信号处理模块电路原理图如下图4所示。光信号通过光电转换器转换为微弱的电信号。电信号输入至第一级低噪声放大电路,在设计该级放大电路时,考虑到所采用光电转换器在50Ω 负载电阻下频率响应最好,故该放大电路采用由低噪声运算放大器构成的反相比例放大电路,这样设计既能使光电转换器工作在频率响应最好的状态,又能满足适当的前级放大。第二级为一个二阶的低通滤波器,滤除高频噪声。第三级为反向比例放大电路构成的主放大电路,该电路使信号放大到满足整流电路能够响应的电压值。最后一级为一个电压比较器构成的整流电路,该整流电路是模拟电路与数字电路的接口。
3实验结果
为了验证本系统的性能,在实验室中通过装满海水的长约1m的水槽模拟海水信道进行实验,实验装置示意图如下图5所示。
图5实验装置示意图
实验结果如图6所示。图6-1为5个数字语音信号数据帧整体对比图。蓝色为原始数字语音信号,黄色为经过信道传输以及信号处理模块处理后的数字语音信号。图6-2为单个数字语音信号数据帧对比图。图6-3则为数字语音信号数据帧帧头的对比图。由以上三图可以看出,经传输和处理后的信号与原始信号基本一致。 图6-4为原始模拟语音信号与经过传输以及语音通信系统还原后的模拟语音信号的对比图,由图中可以看出,两个信号虽然存在一些延时,信号幅值也不同但信号的包络基本相似。在实验时,通过扬声器,也能听到清晰同步的语音。
4结论
设计了一款基于FPGA的水下无线激光语音通信系统,该系统结构简单,可靠性高,功耗低,借助于FPGA的可编程性以及AMBE-2000的语音速率和前向纠错数据速率选择灵活的特点,使得该系统升级方便。光学对准模块是提高系统光功率利用率的重要光学手段,本文侧重于该系统的电路部分,故不对光学对准模块做过多介绍。系统验证实验是在较为理想的实验室环境下进行的,对于在真实海水信道下的实际效果,还需进一步的实际测量。
摘要：提出了一种基于FPGA的水下无线蓝光激光语音通信系统的实现方案。给出了该语音系统的总体设计框图,并对各个组成部分做了必要的分析。在实验室环境下通过使用装满海水的水槽模拟海水信道对该系统进行验证。实验结果表明,该系统能够很好的还原经过信道传输的语音信号,还原的语音信号,声音自然,语音清晰,能够满足基本语音通信任务。
浅谈激光大气通信及其军事应用 篇8
通信是人类进行信息交流的重要手段, 随着科学技术的发展, 人类已进入信息社会, 信息量之大、信息增长速度之快前所未有, 军事通信作为现代战争的中枢神经系统, 尤其受到各国军方的高度重视, 因此改进通信技术手段、提高通信速度、增强通信保密性是通信研究的重要内容。激光大气通信由于其独特的优势而格外受到重视, 但其发展历程却不是一帆风顺的。
1 激光大气通信简要发展历程
激光是一种特殊的光, 因此提到激光通信, 人们很自然地联想到光通信。广义地讲, 光通信不仅起源早, 且在当今社会也被广泛运用, 如古时的烽火台、现代的旗语、交通红绿灯、信号弹等, 都是利用光进行信息传递的;但从狭义上理解, 这些都是用可见光进行的视觉通信, 是非常原始的方式, 称不上是完全意义上的光通信;真正意义上光通信指的是运用光作为载体而传送信息的通信方式。光在大气中的传送要受到气象条件的限制, 此外, 太阳光、灯光等光源, 并不适合作为通信光源, 因为从通信技术上看, 它们都带有“噪声”。
1960年7月, 梅曼发明了红宝石激光器, 从此人们便可获得频率稳定的光源。激光问世后, 人们就产生了将激光应用于通信的想法。美、英、日、前苏联等国家, 对激光大气通信进行了深入研究。虽然在80年代中后期, 激光大气通信技术研究遇到“瓶颈“, 但科学家们始终在坚持不懈地探求解决激光大气通信技术问题, 先后攻克激光大气通信多项关键技术难题, 使激光大气通信的距离不断提高, 如前文所述, 2014年6月5日, 美国航天局将激光大气通信的距离提高到400多千米, 使激光大气通信进入了一个新的发展阶段。
2 激光大气通信的主要优点
人们之所以如此重视对激光大气通信的研究, 是因为激光束的高亮度、高频率、良好的单色性和方向性, 使激光大气通信系统具有其他通信方式所不具备的独特优势。
首先, 激光大气通信具有良好的便捷性。利用激光大气通信时, 以大气为介质, 不需要铺设通信线路, 若更换通信地点, 也不需要重新铺设线路从而节约成本。激光大气通信的发射和接收天线一般由光学透镜组成, 设备简单, 占用的空间较小。若进行直视通信, 安装时间仅需数小时, 这一点十分适合野战部队间的通信联络。
其次, 激光大气通信具有良好的保密性。由于激光光束极细, 方向性又好, 所以虽然激光大气通信系统中发射端发出的激光束有一定的发散角, 但其发散角相对无线电通信要小的多, 通信中信息不会像无线电通信一样向整个空间发送, 对方若想接收到信号只能在激光束经过的很小区域内截获, 这对于一般采用不可见的红外激光作为载波的通信系统是很难实现的, 这对需要高度保密的军事通信而言尤为有利。
第三, 激光大气通信具有良好的频谱特性。激光频率极高, 激光大气通信不会占用目前已经严重拥挤的无线电通信频段, 各条通信线路之间也不会相互干扰。其通信带宽很高, 最高传输速率可达10Gbit/s, 足以满足现代战争对通信带宽的要求。
第四, 激光大气通信具有良好的抗干扰性。与光纤通信类似, 激光大气通信也具有良好的抗干扰性。目前还没有实用化的针对激光载波的干扰措施, 传统电子战方法不会对激光通信系统造成干扰, 非常适合军用通信对抗干扰性要求的需要。
3 激光大气通信系统的军事应用
军事通信一直是保证作战指挥顺利达成的重要手段之一, 特别是在现代信息化战争中, 战况瞬息万变, 错综复杂, 如果没有迅速、准确、保密和不间断的通信, 就不可能实现及时而有效的指挥和作战。目前世界各军事强国均投入大量的人力、财力和物力对激光大气通信技术进行研究, 使这一领域得到了较快发展, 并积极付诸于实践。在军事激光大气通信方面, 如下几个领域将大有作为。
第一, 各指挥所之间的通信。在战争中, 指挥所移动比较频繁, 铺设有线通信线路比较困难, 且目前所广泛采用的无线电通信由于其辐射范围广, 很容易被敌方截获。因此, 对于相距不是很远的指挥所, 采用激光大气通信将是一种既方便快捷又安全的通信方式。作战部队机动到达新的作战区域后可以很快与其他部队建立通信联络。另外, 采用激光大气通信系统时, 通信协议叠加性强, 能够比较容易地实现各种数据类型的大容量、高速率传送。
第二, 战场通信应急恢复。现代战争已经进入信息化作战时代, 加强信息化条件下新型战争形式训练是世界各国军队训练的重要内容。战场上充满着各种不确定因素, 战场态势瞬息万变, 指挥员要充分掌握战场全局信息和即时信息, 才能掌握作战的主动权, 夺取战争的胜利。各作战单元的信息必须及时传送到指挥中枢, 但现代战争中, 通信设施恰恰是敌方破坏的重点, 有线通信线路极易受到破坏, 如果在短时间内无法恢复通信联络, 其后果是非常严重的, 这时激光大气通信系统可以作为被毁坏的通信系统的临时替代系统, 迅速恢复通信。因此在未来作战中, 部队可用光纤等有线通信方式连接各战斗单元, 再装备激光大气通信系统, 以迅速恢复被中断的通信联络。
第三, 复杂地形等情况下的通信。野战条件下, 作战区域地形有时很复杂, 铺设有线通信线可能会非常困难, 这时采用激光大气通信可实现高效、快速通信。另外, 在某些地形十分险要的边境线上, 也可以利用激光大气通信实现各哨所间的大容量通信需要。
第四, 作战单元间的机动协同通信。当前, 坦克间、战舰间、战斗机间等作战单元间的协同通信主要依靠无线电来实现。这种通信方式很容易受到敌方的强电磁干扰, 也极易被侦听。为了战斗需要常常要求战斗单元进行无线电静默, 利用激光大气通信实现各战斗单元之间的通信, 是解决这一问题的一个很理想方案。
4 结束语
激光大气通信经过多年的研究和发展, 已取得长足的进步, 其不可替代的通信优势使人们对此充满憧憬, 并为此进行不懈的努力探索, 相信随着技术的进一步发展, 影响激光大气通信的技术障碍必将被逐步克服, 激光大气通信的发展前景将十分广阔, 其军事通信价值更加突出。
摘要：随着社会信息化建设的不断发展, 人类对通信的要求越来越高, 激光大气通信以其独特的优势而备受重视, 尤其在军事通信中更是如此。文章简要回顾了激光大气通信的发展历程, 论述了激光大气通信的优点, 并由此对其军事应用进行了阐述。
关键词：激光大气通信,优点,军事应用
参考文献
[1]李秀娟.无线激光通信技术的军事应用[J].光学技术, 2007 (11) 增刊:106-107.
大气激光通信链路功率分析研究 篇9
但是激光通信受环境条件制约, 通信中必须满足通视条件, 且光在大气中传输, 大气引起的光强闪烁、光强衰减等都对光通信产生较大影响。因此, 对通信链路的光功率计算是十分必要的。
激光在大气中传输, 受大气的影响较大, 强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的, 在传输过程中还受大气湍流的影响, 引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光, 还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
本文以一种野=战用激=光通-6信光端机的参数为计算模型, 对大气信道下通信链路的光功率进行分析计算。激光通信既是信息传递系统, 又是能量传递系统[2]。对系统中的圆形光斑, 大气激光通信链路传输方程可简单描述为:
其中, rP为光端机接收功率, tP为发射功率, rD=43 mm为小口径接收光学天线孔径, θ2=1.8 mrad为激光发射光束束散角, α为大气衰减系数 (NP/Km) , ηr、tη为接收、发射光学系统透过率, L=10 km为传输距离。各分量如下:
(1) 发射功率:tP=100m W;
(2) 发射、接收光学系统透过率分别为:ηt=0.8, ηr=0.8;
(4) 大气衰减损耗。
激光在大气中传输, 受大气的影响较大, 强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的, 在传输过程中还受大气湍流的影响, 引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光, 还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
大气中, 造成光的散射的粒子的大小各不相同, 从10-4uumm到10um, 对光的散射存在一定的随机性, 因此不同大小粒子造成的散射对光的影响的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分类, 对粒子半径r≤0.3umum的粒子, 可由瑞利定律分析, 称为Rayleigh散射;当r>0.3umu m时, 适用米氏定律, 称为Mie散射。
(1) Rayleigh散射。
对粒子尺寸较小, 粒子半径r, 时, 产生Rayleigh散射, N为单位体积内粒子数, 其散射系数为[4]:
n为折射率, λ为波长, 一般理想大气条件下, Rayleigh散射系数:
可以看出, Rayleigh散射的一个最大特点是散射强度和波长的四次方成反比, Rayleigh散射的散射系数可表示为:
其中, n为大气折射率, N为单位体积内的分子个数, λ为入射光波的波长, δ为散射的退偏振因子, 通常为0.035。
(2) Mie米氏散射。
Mie散射理论即球体粒子的光散射理论, 在大气近地面的散射一般都为Mie散射, 造成Mie散射的悬浮粒子直径和波长相当, 主要由大气气溶胶粒子引起, 且其散射强度要比Rayleigh散射强的多。目前常用的Henyey-Greenstein相函数[5]:
θs为散射角, g是cosθs的平均值cosθs。此函数的好处在于函数相对简单, 能较好描述Mie散射前向散射的特点。
这里根据各影响的参数, 依据传输时具体情况, 对大气衰减损耗进行计算, 激光传输中大气造成衰减的衰减系数为α=αm+αa+βm+βa, 其中mα为大气分子吸收系数, αa为悬浮微粒的吸收系数, βm为气体分子散射系数, βa为悬浮微粒的散射系数, 对于本实验通信环境, 主要衰减是Mie散射。
α的经验公式为:其中V为能见度 (K m) , λ为激光波长 (nm) , q值根据可见度不同选取如下:
实验中, Pt=100mw;λ=808nm;ηr=0.5;ηt=0.8;θ=1.8 mrad;L=10 km;Dr=43 mm;ηf=0.5。计算结果如表1所示。
由表1可知, 实际接收功率大于探测器灵敏度, 传输距离10 km时, 系统仍可正常进行正常工作。对系统的正常工作性进行了验证。
本文针对一种实际野战激光通信用光端机的参数为模型, 对大气激光通信链路功率进行了计算, 作为一种简单模型的功率计算, 可以对系统的合理性和光端机关键器件的选择都用很大的指导意义。
摘要：在现代激光通信传输中, 大气对光传输过程中的衰减和起伏影响, 已严重影响了激光通信的发展。为提高通信距离、速率和通信质量, 抑制大气对激光通信的不利影响是十分重要的。本文针对野战激光通信环境, 对激光在大气中的传输模型进行通信链路功率计算, 对大气对光功率的衰减和损耗进行了分析, 为实际大气激光通信的应用提供一定的理论依据。
关键词：大气激光通信,大气衰减,通信链路功率
参考文献
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[3]柯熙政, 席晓莉.无线激光通信概论[M].北京:北京邮电大学出版社, 2004:10-15.
[4]Levi L.Applied Optics[M].New York:John Wiley&Sons, 1980.
安全可靠的无线激光数据传输器 篇10
在第25届江苏省青少年科技创新大赛上,本作品获得最高奖“江苏省人民政府青少年科技创新培源奖”。
用激光来传输数据
我研究家中的光纤接收器,发现了数据通过其内部的红外光线传输,于是我突发灵感,如果去掉其传播载体—玻璃丝,将它换成空气的话,效果是否依然存在?随即我就做了一个简单的实验装置,发现设想是正确的。于是,我开始了正式的研究。
刚开始,我对光纤接收器进行拆解,发现其内部主要有一个硅光传感器(如图1)、解码器以及网络部分,也就是说,只要有一个光线传感器、一个解码器就可以组成接受器了。至于发射器,我自己设计了将模拟音频信号转化为数字信号再转换成光信号的装置,其编码器也采用了430单片机,制作比较成功,只要有音频信号输入,激光发射器就会点亮并发出信号,将激光光斑照射在接收机的接收窗上,接收机的扬声器就能发声。
对此,本人进行了试验。试验方法:将频率发生器接入发射器,设置发出20Hz～6 000Hz的声波,接收器接入示波器,探究传播过程中是否有衰减。如图2。
经过试验,我得出以下结论:
由实验数据可知,此设备在传输过程中衰减度并不大。
激光能到哪信号就到哪
这种无线激光传输器,带宽可达到2.6GB/S,功耗低,造价远低于性能相同的无线电波发射器,而且没有距离限制,可在特殊环境下使用。它采用的是5毫瓦的低功率激光头,有效距离为100米,理论上来说,只要激光功率足够大,其激光照射的距离也会变长,只要有光的地方都可以接收到信号。
安全性高,是无线激光传输器的另一大优点。现在大多数的数据发射器都用无线电波来控制,保密性较差,很多不法分子就是利用这一漏洞制作了一些装置,可以接收并利用相同的加密算法,破解出传输的数据内容。无线激光传输器因为是点对点单向传播,因此保密性相对较好。
两个应用实例
该项目进一步开发后,可应用于生活、娱乐、保密、军事等多种领域,有一定的市场前景。我就在此基础上,设计制作了两个小产品,一个是激光万能钥匙,一个是激光音频传输器。
激光万能钥匙的基本工作原理是,将键码烧录到激光发射机内的flash芯片中,当按键按下时,发射机将键码编码后通过激光头将信号发出,激光硅光管接收到激光信号,通过放大电路放大并通过单片机解码出键码,然后发出指令打开门锁。根据同样的原理可以编写N个不同的键码编码,这样可以用一把钥匙打开不同的锁,安全性也比市面上的无线钥匙要高。