激光通信（精选9篇）
激光通信 篇1
随着现如今信息化的程度不断提升, 在高技术信息发展和竞争的过程中, 提升信息传递的速率和高效性可以充分提升通信系统的可靠性。在某种程度上说, 激光通信技术可以被看成是一种信息的载体形式。基于激光通信技术的优越性之所在, 研究人员正在深入研究, 希望这种技术能够在军事以及其他领域中也有所应用。
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.
[3]朱蕊蔟.大气激光通信技术的军事应用[N].解放军报, 2002-10-09.
激光通信 篇2
第三节 激光通信
一、激光的特性
1、激光具有很高方向性
从普通光源发出的光是向四面八方传播的，传得越远光束越分散.而激光沿一定方向传播时几乎是不发散的，即使把激光发射到距地球38万千米的月球上，也只发散成一个直径为几千米的光斑.2、激光具有很高的单色性
普通光源发出的光如日光，是由多种不同的色光混合而成的.即使普遍认为很好的单色光源——氪灯发出的光也是由相近的色光组成的，颜色并不很纯，而激光是有很高的单色性，颜色很纯.3、激光具有很高的亮度
5一台大功率激光器收出的激光，亮度可达太阳亮度的10～10倍.二、激光的应用
1、激光应用范围
由于激光具有高方向性、单一性和高亮度.因而广泛应用于机械加工(如打孔、切割、精度测量、医疗手术、军事武器等方面)
2、激光通信
(1)激光通信原理 先将声音和图像信号调制到激光束上，然后把载有声音和图像信号的激光发送出去，最后用接收装置把声音和图像信号检出来.(2)激光通信特点 如果地面气候条件好，可以在直线距离为几十千米以至上百千米的两点之间直接进行激光通信.但是大气中的云、雨、雾、烟尘等因素，会使通信距离和通信质量受到限制.(3)光纤通信
①光纤通信的原理
光纤由内芯和包层两部分组成，内芯由光速较小的物质做成，包层由光速较大的物质组成，光在内芯中传播时，不断被包层反射回来，曲折前进.②光纤通信的优越性
激光通信 篇3
【关键词】ZigBee；单兵激光模拟训练系统
1.引言
随着激光技术的发展，其在军事训练器材中的应用，发挥着越来越重要的作用。单兵激光模拟训练系统采用以光代弹的原理，结合声光效果，可逼真的模拟实际战场环境的实兵对抗，是和平时期部队训练和青少年展开野外拓展对抗游戏的有效器材之一。
单兵激光模拟训练系统主要由头盔、背带和激光发射机等3个部件组成。头盔具有激光接收和发烟控制功能；背带具有激光接收、毁伤模型计算以及与导控主台无线数据通信功能；发射机用于激光发射控制。3个部件之间实时可靠的数据通信是系统正常工作的基础。本文主要研究利用ZigBee无线通信技术实现单兵激光模拟训练系统各部件之间的数据交互。
2.硬件结构
背带与头盔、发射机之间采用点对多点的通信方式。背带、头盔和发射机均内嵌ZigBee通信单元（图1），通信单元由ARM主控芯片、ZigBee射频无线收发芯片和2.4GHz天线组成。
通信芯片选用TEXAS INSTRUMENTS公司的CC2420 ZigBee射频无线收发器。芯片的主要技术特点如下：
射频单片无线收发芯片，带有基带调制解调器，并对MAC（介质访问层）层提供支持；
直接序列扩频的基带调制解调器，其码片速率可到2MChips/s，有效数据传输率达250kb/s；
电流耗损非常低（RX：18.8mA，TX：17.4mA）；
输出功率可以通过编程来改变；
不需要额外的RF开关和滤波器；
两个（发送缓冲区和接收缓冲区）128Byte的数据缓冲区；
硬件实现MAC加密（AES-128）；
48脚的QLP封装，7*7mm。
CC2420芯片与ARM主控芯片之间采用SPI总线进行数据通信。FIFOP脚接ARM芯片的外部中断脚，当CC2420芯片接收到有效数据后，该引脚置高，ARM芯片产生中断，进行接收数据处理。RESTEn脚接ARM芯片的输出脚，用于对CC2420芯片的复位。
CC2420芯片的射频输入/输出是差分和高阻抗的，射频端口最适宜的差分负载值阻抗为115+j180Ω。单兵激光模拟训练系统中使用的天线为2.4GHz的单极天线，因此必须使用非平衡变压器来增强其性能。图2所示的射频输入/输出电路由一个半波传送天线、C3、L1、L2和L3构成，半波传送天线直接设计在印制板上，与电路匹配的天线阻抗为50Ω。
3.软件设计
单兵激光模拟训练系统中最多同时工作的单兵激光模拟器数量可达数千套；每套单兵激光模拟器的背带与头盔、发射机之间采用点对多点的通信方式，背带为中心节点，头盔和发射机为子节点；各单兵激光模拟器相互之间不能出现数据串扰。因此整个系统可以看作由几千个独立的微型通信系统构成。
由于ZigBee的IEEE地址有8个字节，因此有足够的容量可以满足单兵激光模拟训练系统对地址唯一性的要求。
3.1 数据帧格式
通信数据帧采用IEEE 802.15.4通用MAC帧格式，格式见图3。
1）帧控制域：帧控制域长度为16位，包括定义帧类型、加密、应答、目的地址模式和源地址模式等。
本应用中帧控制域的定义如下：帧类型为数据帧（001）；加密禁止（0）；应答允许（1）；目的地址模式为64位IEEE地址（11）；源地址为64位IEEE地址（11）。
2）序列号域：在每个帧中都包含序列号域，其长度为1个字节。每发送一个新的帧序列号，值加1。
3）目的PAN标识域：目的PAN标识域长度为2个字节。由于本应用中未使用个人局域网，该值固定为0x0001。
4）IEEE目的地址域：IEEE目的地址域长度为8个字节。该地址为数据帧的目标地址。
在单兵激光模拟训练系统中每个头盔、背带、发射机的IEEE地址均被设置唯一的。通过配置CC2420芯片的MDMCTRL0（0x11）寄存器的ADR_DECODE位，可以打开CC2420芯片的硬件地址解码功能，CC2420芯片可以只接收目的地址与本机地址相同的数据帧。
5）源PAN标识域：源PAN标识域长度为2个字节。由于本应用中未使用个人局域网，该值固定为0x0001。
6）IEEE源地址域：IEEE源地址域长度为8个字节。该地址为数据帧的源地址。
3.2 通信数据流程
单兵激光模拟器的背带、头盔和发射机的IEEE地址均分别预先写入各自的ARM主控芯片，在初始化时写入CC2420芯片的内部寄存器。CC2420芯片的初始化程序流程图见图4。
背带作为主节点，与其配套的头盔和发射机的地址预先保存至背带的ARM主控芯片中。单兵激光模拟器运行后，背带首先向头盔和发射机发射设置指令，头盔和发射机的ARM主控芯片接收到数据包后，首先将数据包中背带的64位IEEE地址保存至内存中，然后用该地址向背带回复应答数据包。
背带与头盔、发射机之间的数据通信采用应答方式，流程见图5。
4.结论
该通信技术已在单兵激光模拟训练系统中进行了实际应用，取得了很好的通信效果。经实测单兵激光模拟器3个部件之间的通信时延小于100ms；30m范围内200套单兵模拟器同时工作，相互之间不会出现通信串扰。
参考文献
[1]IEEE Std 802.15.4?-2003，IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systemsLocal and metropolitan area networks-Specific requirements Part 15.4：Wireless Medium AccessControl（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks（LR-WPANs），IEEE Published by The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.3 Park Avenue，New York，NY 10016-5997，USA.
[2]王晓海.国外空间激光通信系统技术最新进展[J].电信快报，2006（7）：16-21.
[3]陈富强.单兵综合战术对抗训练激光模拟系统研究[D].国防科学技术大学硕士学位论文，2007.
无线激光通信技术与应用 篇4
(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.
浅谈激光大气通信及其军事应用 篇5
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6
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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激光通信 篇7
自由空间光通信,一般选用大气透射率较好的红外激光[1],以电源内调制的方式对APT (准跟踪系统)[2]、中继系统[3],或融入WDM(波分复用)和MIMO(多入多出)等技术进行处理,实现远距离、高速率自由空间激光通信,在外太空星际自由空间传输方面有了较大的发展与应用[4],但短距离可见激光在自由空间通信方面还有很多工作可做。可见激光通信系统因其结构简单、对光源要求低和辐射小等特点,具有广阔的发展前景。
激光调制主要有内调制和外调制两种方式,相比于内调制,激光外调制有着独有的优势,其对光源稳定性要求低,调制速率高,且对光源的损害小,性价比高,故激光外调制是一种较好的光通信调制技术。外调制的方法和器件很多,相比于其他外调制方式,AOM(声光调制)有着较高的消光比(一般大于1000∶1),其驱动功率低,温度稳定性能高,调制频率稳定[5],光电质量优异。除此之外,其结构简单、成本相对较低,因此我们选用AOM方式来研究目前在国内研究较少的激光外调制通信。
1AOM原理
声波在介质中传播时,会使介质产生相应的弹性形变,从而激起介质中各质点沿声波传播方向振动,介质的密度呈疏密相间交替分布,形成光学“相位光栅”。该光栅间距等于入射声波波长λs,当光波通过该介质时,就会发生衍射现象,衍射光的强度、频率和方向等信息都会随着声场的变化而变化,基于上述声光效应即可实现AOM[6]。相比于拉曼-纳斯衍射,布拉格衍射具有调制效率高、调制带宽较宽等优点,因此本文采用布拉格角AOM方式进行调制,其原理如图1所示。
图中,入射角为布拉格角θB,且有
式中,λ为入射光波长;n为声光介质折射率。当激光以θB入射并通过声光晶体时发生布拉格衍射,其衍射光只有两级:0级和+1级(或-1级),1级光的衍射效率较高,该衍射效率可表示为
式中,Ps为超声波功率;L、H、M2分别为换能器的长度、宽度及声光介质物理参数组合,若AOM定型,则其参数不变。当改变Ps时,衍射效率会随之变化,即可达到改变衍射光强的目的,实现AOM。
2AOM的控制方法研究
2.1AOM控制理论
基于声光效应可以实现声光偏转、声光移频和AOM等三种应用,而在光通信研究中主要是利用AOM。本文采用中国电子科技集团第26研究所研制出的一款TSGMN—1型AOM,该调制器件由驱动电源、换能器和声光晶体组成,其驱动电源产生的射频信号用来控制超声波频率与强度。利用该驱动电源,本文提出三种控制超声波的方式并应用于AOM。
驱动电源有三个输入控件,分别对应三种不同的调制方法,其中调制输入端添加TTL(晶体管晶体管逻辑)电平信号,其高低电平则相当于一个射频“开关”,对驱动源的射频输出有无进行控制,而功率调节旋钮与直流输入端口可控制射频输出幅度的大小,从而能有效调节超声波的功率,达到控制衍射光强的目的。
2.2AOM控制方法的验证
本文对上述三种控制方法进行实验验证,将驱动源输出端口连接于示波器,观察其射频输出信号的幅度及频率大小,从而验证不同输入端口对射频输出的控制作用。
DC(直流电源)+24V端口是直流输入,也是驱动源的供电端口。当按标准在DC输入端接入+24V直流源时,用信号发生器为驱动源调制输入端提供不同频率的TTL矩形波,观察驱动源射频输出信号随TTL电平的变化情况。实验效果如图2所示。经实验验证,为调制输入端提供不同频率的TTL矩形波,当调制信号在5MHz以内时,调制信号能对射频输出起到“开关”作用,达到了预期效果。如图2(b)所示,高频的射频信号在低频的TTL矩形电平控制下对应输出,当矩形波为低电平时,将射频输出“关闭”,无射频输出;当矩形波为高电平时,将射频输出“开启”,输出端口正常输出100MHz射频信号。
固定DC+24V端口为+24V直流电压,调整电源功率,可得其射频输出幅值与电功率旋钮旋转圈数的关系,其结果如图3所示。初始功率设置为最小,将功率向最大方向逐渐调整,其射频输出的幅值会随之线性增大,而射频信号固有频率不变,此方法为传统的AOM方法,即通过改变电功率使超声波功率随之变化,又根据公式(2)可知,改变超声波功率Ps,也可达到调制激光衍射效率、改变接收光强大小的目的。
将其他端口闲置,电功率固定于某一值,改变DC输入电压,当DC输入在+10V以内时,其射频输出变化较小;DC输入超过+10V时,其对应的射频输出幅值也随之线性增大,电功率与射频输出幅值的关系如图4所示。
实验结果表明,DC输入在+10V以上时,其射频输出信号的幅值大小与只改变电功率时的输出范围一致,因此改变DC大小与传统的改变电功率大小二者实验效果一致。通过有效地控制DC输入(固定电功率),实现了对布拉格衍射效率的线性控制,达到了调控衍射光光强的目的。由以上实验可知,若使用一个+12V与+24V可快速切换的开关电压源,使DC输入不同,可以达到控制衍射光强进行通信的目的。
3通信系统发射端的研究与实现
3.1激光外调制信号通信系统的研究
本文选用了波长为632.8nm的He-Ne激光器,使用信号发生器对AOM输入端输入TTL电平信号,通过AOM晶体在激光光路上对激光进行有效控制,衍射后的1级激光搭载了该TTL电平信号,用PMT(光电倍增管)进行1级光信号的接收,通过转换电路连接到示波器中对接收信号进行观察,如图5所示。图5(a)为原始激 光波形图,图5(b)为加300kHz调制信号后的波形,图5(c)为加5MHz调制信号后的波形。
实验数据表明,接收信号与加载在AOM上的矩形波信号频率相同,即调制信号能被激光无偏差传输。所以本AOM可实现周期≤5MHz的信号传输,即通信速率最高可达10Mbit/s。当调制速率>5MHz,则输出波形无规则可循,不宜用于通信使用。基于上述实验结果,本文采用FPGA(现场可编程门阵列)编码进行数字调制,将调制信号载入AOM,搭载He-Ne激光进行传输。其传输与检测原理图如图6所示,发射端通过PC机串口发送数字信号,经FPGA进行编码处理,编码后的信号输入到AOM中,通过激光与声光晶体的相互作用,将调制信号加载到激光上;接收端通过PMT接收数据,激光信号经I-V(电流-电压)转换、放大和整形等电路模块进行处理,在示波器中进行显示对比。
3.2激光数字通信的实现
2FSK (二进制移频键控)是激光通信中常见的编码方式,该方式抗干扰能力强,易实现。本文选用2FSK调制方式,搭载速率为115.2kbit/s的数字信号,实现了激光外调制通信系统的发射与接收。
2FSK调制原理如下,
式中,g(t0)表示3个占空比 为50%、带宽为345.6kHz的矩形波信号;g(t1)表示6个占空比为50%、带宽为691.2kHz的矩形波信号。二者不同的载波分别用来表示数字信号0和1。
通过PC机串口助手发送不同速率的数字信号,用FPGA进行2FSK调制,调制后的信号通过AOM加载到632.8nm的He-Ne激光上进行自由空间传输。FPGA编码仿真结果如图7所示。图中,data_in为串口输入数字信号,rst为复位输入信号,dataout为经过2FSK编码后的输出信号。
若串口以16进制发送数字45,则串口输出信号为010100010,其中第一位为串口起始位,串口信号经2FSK调制后,通过AOM加载到激光上,PMT接收激光信号,经I-V转换、放大和整形后在示波器上显示,如图8所示。接收信号表明,原串口信号经调制后,能以高低载波的形式通过激光完整地传输到光信号接收端。
经实验验证,通过串口发送不同数据,AOM均能使激光稳定地传送不同波特率的FSK调制信号,经PMT接收,达到了使用外调制技术对可见光波段激光进行短距离、高质量通信的目的,为其他波段的激光外调制传输奠定了一定的理论基础和技术基础。若将该技术应用于紫外波段,理论上也可将紫外激光传输速率提高到兆比特级别。
4结束语
根据以上实验,对AOM的三种不同的控制方式进行了有效验证,并制作了基于AOM的通信实验样机,该样机理论最高速率为10Mbit/s,借助串口实现了通信速率为115.2kbit/s的数字通信,其高频载波为0.7MHz。使用外调制方式进行激光传输,实验装置体积小,价格便宜,寿命长,且易操作,能随时满足不同需求下的自由空间光通信。同时,该研究为其他波段的短距离、高速率通信奠定了一定的理论和技术基础,选用不同的声光晶体,可以实现外调制方式下的其他波段的激光通信。
摘要：通过对激光外调制不同方式的对比分析,重点研究了AOM(声光调制)器件的原理及控制方法,提出了三种可控调制方法,且在控制方面分别进行了对比验证。采用其中的TTL电平(典型值高电平3.5V,低电平0.2V)调控方法,将数字信号经FPGA(现场可编程门阵列)以2FSK(二进制移频键控)方式进行调制编码,调制信号通过AOM加载于激光上,激光通过自由空间传输,借助串口实现了通信速率为115.2kbit/s的数字通信,且该激光外调制通信系统高频载波达到了0.7MHz左右。
空间激光通信技术最新进展与趋势 篇8
1 空间激光通信技术最新进展
目前, 国内外空间激光通信发展迅速, 欧洲、美国、日本、德国等地区和国家对空间激光通信技术进行了大量的研究, 为空间激光通信技术做出了巨大的研究贡献。如表1所示, 展示了近几年美国等国在空间激光通信技术研究方面比较有代表性的成果。
2 空间激光通信技术发展趋势
2.1 直接探测体制发展
相比而言, 空间激光通信直接探测体制的结构比较简单, 操作起来比较方便, 因而被广泛应用于第一代激光通信系统内部。但是, 从实际空间激光通信环境来看, 光强度对通信系统的影响比较大, 而且会受到噪音的干扰, 空间激光通信直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求, 敏感度较低。经过空间激光通信专业人士的多年研究, ESA于2008年被安装在卫星上, 对空间激光通信系统进行端口检测, 同时也对相干通信展开了实验分析, 误码率非常小, 而且信息传输的速度非常快。目前, 空间激光通信技术还将不断完善。为了不断提高激光通信系统的实用性和通用性, 未来的发展趋势是探测体制的发展从单一体制向复合探测体制转变。
2.2 传统量子通信的变革
1980年量子通信被首次提出, 量子通信应用了加密技术, 可以保证传输信息的绝对安全, 量子通信一提出就受到了人们的广泛关注。2004年, 经过多位空间激光通信科学家的研究实验, 实现了量子通信的远距离传输, 量子通信可以透过地面大气依旧保持纠缠特性。2006年, 量子通信实现了超远距离的空间通信。截止到目前为止, 我国科学家对于量子通信的研究已经创造了新的历史。量子通信具有巨大的发展潜力, 空间激光通信研究人员也正是看重了量子通信的这一巨大发展潜力, 研究人员从2002—2007年展开了多项研究, 总结出影响量子通信的多种因素。经过几年的发展, 传统量子通信的变革研究的技术逐渐成熟, 正在快速向实用化、加密化迈进。将卫星光通信与量子光通信相结合, 进行卫星光通信中的量子密钥分发是卫星光通信保密技术一个新的发展方向。
2.3 光子集成化升级
空间激光通信光子技术包括:一是光纤光学, 二是集成光学, 三是微光子学。光子技术具有以下特点和优点:一是损耗较小, 二是协议透明, 三是抗干扰性强, 四是不诱导电磁干扰, 五是重量小, 六是体积小, 七是柔韧性好, 八是无互相耦合。空间激光通信光子技术特别适合应用于航天环境中;1990年, 美国经过实验证明光子技术确实可以应用于航天器中;2002年, 研发部门加大了研究光子技术的资金量, 研究的内容为:一是通信链路, 二是模数转换, 三是频率转换, 四是本振生成, 五是光束形成网络, 六是传感, 七是成像光纤;2009年, 西方国家发射出的卫星上就设置了光子器件。如今, 空间激光通信光子技术正朝着光子PCB的方向发展, 空间激光通信技术标准也在不断提高。
2.4 天基网络的一体化演变
空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖, 与地面形成网络链路。在空间激光通信技术的研究初期, 研究人员把更多的精力放在空间激光通信链路的研究和实验上。2000年后, 研究人员开始加大天基网络一体化演变的研究力度。如今, 空间激光通信研究人员提出了天基混合网络结构, 并对天基网络的性能和所带来的经济效益做出了研究分析。但是, 我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段, 还未真正实践, 还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。
2.5 空间激光通信向深空迈进
人们一直想更加深入地了解星空, 国外发达国家自20世纪90年代初期便开始了以激光通信作为深空探测通信方式的相关研究。近几年人们对天空的探索热潮一直不退。如今, 研究人员把探索星空的希望寄托在空间激光通信技术上, 西方国家也在加大空间激光通信技术应用于卫星上的研究力度。空间激光通信研究人员经过多年的努力, 收到了不错的成果。在ESA和NASA (美国国家航空航天局) 未来的深空探测计划中, 激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。
3 结语
从实际空间激光通信环境来看, 光强度对通信系统的影响比较大, 而且会受到噪音的干扰, 直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求, 敏感度较低。2004年, 经过多位科学家的研究实验, 量子远距离的传输通信实现了, 透过地面大气量子通信可以依旧保持纠缠特性。如今, 光子技术正朝着光子PCB的方向发展, 空间激光通信技术标准也在不断提高。空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖, 与地面形成网络链路。但是, 我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段, 还未真正实践, 还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。截止到目前为止, 我国科学家对于空间激光通信的研究已经创造了新的历史。
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激光通信系统性能的灰色聚类分析 篇9
激光通信技术是近年来发展很快的一种新型通信技术,它以光纤通信技术和大气激光通信技术为代表。相对于微波通信来说,它的通信频带更宽,无需申请牌照,组网灵活简便,对于相同通信容量的场合,激光通信所需设备的体积更小,质量更轻。随着激光通信事业的发展,各种新型的激光通信系统和装置不断出现,实际的工程和决策部门需要不同激光通信系统的评价和分析方法。文献[1-2]提出了通信系统的马尔柯夫分析法;然而文献[3]指出,通信系统中实际信息流的统计特性并非都具有马尔柯夫性。另外,激光通信系统的分析还可以用排队理论以及系统工程中的一种方法—Delphi(德尔菲)法[3,4]。文献[5]就将Delphi法和层次分析法结合使用来评价通信系统。在评价指标方面,文献[6]提出了用误码率来衡量激光通信系统的性能。以上这些方法虽然实现的途径不同,但有一个共同点,即用定量分析代替定性分析。
目前还存在的问题是:各种评价方法的判断标准不同,有些评价方法不够全面,对于某些通信指标,例如抗干扰能力、调制方式、信息传递的隐蔽性等,具有模糊性和相对性,难以进行定量分析。灰色系统理论作为近年来一个新的数学分支,在解决多指标决策和分析模糊性对象方面,不失为一种有效的方法。灰色系统理论将系统看作一个具有部分明确信息和部分不明确信息组成的灰色系统[7]。文献[8]和文献[9]分别利用灰色系统理论来评价通信系统的综合抗干扰性能以及解决电子设备试验方案的综合评价,虽然研究目标不同,但都将多目标决策问题转换为单一目标决策问题。其中,针对具有模糊性的评价指标的量化和分析,灰色系统理论可以发挥其独到的优势。在分析通信系统的综合性能方面,灰色系统理论也证明了它是统计学方法的有效补充[10,11]。借鉴灰色系统理论中的灰色聚类法,采取聚类的方式来研究不同系统。本文提出将灰色聚类法用于激光通信系统的评价,即按照聚类指标将不同的系统进行灰色聚类,通过分析聚类效果来评价激光通信系统的优劣。这种方法可以为统计学的方法进行有效补充。
1 灰色聚类的基本概念和理论
在决定激光通信系统性能的许多有关因素中,有些因素是明确的,例如通信距离、通信带宽等,用灰色系统的角度看,可看作白化量;有些因素是不明确的,或者是模糊的、定性描述的,例如抗干扰性能、系统维护难度等,这些不明确的量可看作灰量,因此整个系统呈灰色。灰色系统理论是解决带有灰色特征问题的一种方法。对于激光通信系统来说,所有反应其特征的指标构成指标序列。利用灰色系统理论对激光通信系统进行研究,即研究它的指标序列。灰色聚类理论是灰色系统理论的一个重要分支。灰色聚类是将聚类对象对于不同的聚类指标所拥的白化数,按几个灰类进行归纳,通过计算所有指标的综合效果,判断聚类对象所属类型[8]。在本文中,聚类对象就是激光通信系统,聚类指标就是激光通信系统的评价指标。
设有N个聚类对象,M个聚类指标,S个灰类,dij为第i个聚类对象对于第j个聚类指标的样本,其中1≤i≤N,1≤j≤M。则样本矩阵为
设fjk(dij)为第j个聚类指标对第k个灰类的白化权函数,设σik为第i个聚类对象对于第k个灰类的灰色聚类系数。定义
式中:1≤k≤S,ηj为事先给指标j所赋权值。fjk(dij)的计算分三种情况,按照下列公式计算[8]:
σi为灰色聚类向量:
2 激光通信系统的评价指标
激光通信系统的许多指标,例如:天线效率、工作带宽、同步方式等,都从不同方面反映系统性能。面对评价指标的多样性和部分指标的模糊性,要分析系统的总体性能,从总体上进行系统之间的比较,需要将具有模糊性和相对性的指标,转换为具有可计算性(或可测量性)的形式,然后对所有的指标进行数学分析与处理[3]。只有在这样的基础上,才能定量分析系统的总体性能。
本文将激光通信系统的评价指标分为两级,一级(Level 1)指标实际是一个指标类,每个一级指标里又分为若干个二级(Level 2)指标。本文提出的激光通信系统的指标模型如图1所示。为了说明灰色聚类分析算法在激光通信系统评价中的运用过程,本文给出象征性的例子,列出某三种激光通信系统的通信指标。如表1所示。值得指出的是:1)所列数据及定性指标未必与实际系统的所有指标完全一致,但每项的具体值是在该指标的实际量值范围内的,其目的在于说明灰色聚类方法的运用;2)有些指标是某一系统有,而另一些系统没有,只列出共有的指标。由表1可见,三种激光通信系统可以得到三个指标序列,但这些序列中的元素有些是明确的数值,而有些是不明确的,可以将不明确的指标视为灰色量,因而可将研究对象视为灰色系统。
3 激光通信系统的灰色聚类评价法
对激光通信系统的性能进行灰色聚类评价,有如下步骤:
1)将各不同激光通信系统指标中的灰量(比如:强、弱、中,等)进行白化,得到其白化值[8]。以i表示第i个系统,j表示指标模型中第一层指标的次序,l表示第一层指标所属的第二层指标的次序,dij(l)表示对应指标值或灰量的白化值,1≤i≤N,1≤j≤M,l≥1。
2)由于各指标的量纲不同,需要将指标序列归一化,并计算一级指标类的综合值。若d1j(l)不为零,令dij′(l)=dij(l)d1j(l),i∈1(,,2,N),得到归一化序列dj′(l)=[d1′j(l),d2′j(l),,d′Nj(l)];若d1j(l)=0,则用各个dij(l)除以dij(l)中某个不为零的值。记dij为第i个系统、第一层中第j个指标类的综合值。设,式中αjl为相应二级指标的权值。在本文中认为各个二级指标的重要性相同,故各指标权值应相等,且。
3)确定灰类的白化权函数。由于共有N个系统,故将灰类分为N级,就足够将所有的激光通信系统规类。假定灰类1最好,灰类2次之,…,灰类N最差。记δjk为第一层第j个参数对于灰类k的阈值。将dij对每一列按大小排序,记为d ′ij。δjk由下式取得[8]:
4)确定系统i对灰类k的聚类系数。其中fjk(dij)由式(3)~(5)得出,ηj为相应一级指标的权值。在本文中认为各一级指标的重要性相同,故各权值应相等,且。
5)构造系统i的聚类向量σi=[σi1,σi2,…,σi N]。
6)判断、比较及结论,则该聚类对象为k′灰类,故可比较各无衍射激光通信系统之间性能的优劣。此方法也可推广到一般激光通信系统的定量评价中。
4 分析实例
针对表1列出的三种激光通信系统,采用灰色聚类法进行评价。步骤如下:
1)灰量白化。所有灰色指标均按照四个等级,以从优到劣的顺序进行白化,结果为:
信号保密性强1;中0.75;弱0.5;差0.25。
码间串扰弱1;中0.75;较强0.5;强0.25。
组网能力强1;中0.75;弱0.5;差0.25。
同步难度易1;中0.75;较难0.5;难0.25。
2)序列归一化,并计算dij的值,结果见表2。
3)确定灰类的白化权函数,阈值δjk的计算结果如表3所示。各激光通信系统的白化权函数的计算结果见表4~表6。
4)确定系统i对灰类k的聚类系数,见表7。
5)构造聚类向量,结果如下:
6)判断和比较。激光通信系统Ⅰ属于灰类2,激光通信系统Ⅱ也属于灰类2,而激光通信系统Ⅲ则属于灰类1。由此可见,激光通信系统Ⅲ是这三种系统中最佳的,激光通信系统Ⅰ和激光通信系统Ⅱ为次优。
本文所列举的三种激光通信系统,其参数源于国外的三种大气激光通信产品的性能。激光通信系统Ⅲ的参数以为某公司2003年的产品性能为原型,激光通信系统Ⅰ和激光通信系统Ⅱ均对应1999的两款产品。从实际使用结果来看,激光通信系统Ⅲ对应的产品最畅销,具有全天候工作能力,具有99.99%的可使用率和高度的信号安全性,综合性能最好;激光通信系统Ⅰ的对应产品具有相对较远的通信距离,但其安装不够便捷,灵敏度和信号功率较低,易受天气等环境因素影响;激光通信系统Ⅱ的对应产品多用于短距离的楼宇间的通信,其传输速率相对较高,但也存在连接便捷性问题。从出产年代来看,激光通信系统Ⅰ和激光通信系统Ⅱ均对应早期的激光通信产品,综合性能相对不够全面,适应性不够强,激光通信系统Ⅲ对应相对近期的产品,在技术上相对前两种产品有所改进,是在考虑用户需求和以前产品的缺点的基础上开发的。从实际使用的角度看,本文的分析结果和实际使用结果基本符合。
5 结论
本文将灰色聚类理论引入到激光通信系统的性能评价当中,主要用于多个激光通信系统之间综合性能的比较,为定量分析激光通信系统的总体性能开避了新途径。本文在介绍灰色聚类理论的基础上,首先建立激光通信系统的指标模型,之后将各方面性能表达为明确的可计算量,使其适合后续的灰色聚类系数的计算,最后通过比较聚类效果来进行系统优劣的评价。文章最后通过一个分析实例加以说明,并与实例所对应原型产品的实际使用效果进行了对比,验证了该方法的可行性。利用灰色聚类理论进行激光通信系统性能分析是一种新的方法,在某些方面还需要进一步完善,例如:不同指标权值的确定方法,但这些在本文中并未讨论。
灰色系统理论是十年来刚发展起来的一种新的数学理论,它已成功地运用于工程技术中的很多领域,取得了较好的效果。本文初步尝试将灰色系统理论引入激光通信系统,以分析系统的优劣。该方法作为一种新的评价方法,可以作为已有系统评价方法的有益补充,也可以为后续学者的研究提供新思路。
摘要：激光通信系统需要评价和定量分析,且存在多个评价指标。针对评价指标的模糊性、相对性和多样性,为了对激光通信系统进行定量评价,采用灰色系统理论中的灰色聚类分析法。首先对具有模糊性和相对性的评价指标进行灰量白化,然后将激光通信系统按照聚类指标进行灰色聚类,计算不同激光通信系统所有指标的综合聚类效果,最后以聚类类型作为各系统定量评价的依据。该方法将多指标决策问题转换为单一指标决策问题,它是一种定量评价激光通信系统的新方法。
关键词：激光通信系统,多指标决策,灰色系统理论,灰色聚类
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