大氣信道無線激光通信系統設計方法研究

母一寧，宋路

（長春理工大學 理學院，長春 130022；長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

大氣作為一種時變信道會對激光通信鏈路造成重要影響［1-3］：不同的氣象條件會使大氣吸收與散射造成的光功率衰減也不盡相同；大氣湍流的存在會使入射光軸達到角隨機起伏，光斑發生變形與破碎。這些影響會使接收端探測到的信號能量產生隨機起伏，進而使平均信噪比降低、通信誤碼率增加、中斷概率增加，最終導致信道帶寬下降［4，5］。當通信速率達到射頻量級以后，即便大氣環境能見度較高其信道影響也是十分明顯的。為此，針對大氣信道影響國內外學者提出了諸多有效的抑制手段［6-9］，但這些手段只是相對地提升大氣信道帶寬，無法絕對地改善大氣信道對通信帶寬的影響。因此，本文針對不同大氣信道下對射頻級別的無線激光通信誤碼率情況展開相關實驗研究。

1 信道特性實驗與分析

在進行系統總體方案設計前，需要研究信道大致特性。首先通過實驗的方式對大氣衰減效應與大氣湍流效應現象進行了野外試驗。

1.1 大氣衰減效應

大氣衰減效應主要是由于大氣傳輸過程中受到大氣吸收和大氣散射造成的。大氣衰減使得激光傳輸的能量減小，距離越遠，這種能量衰減就越大。大氣引起的光功率衰減與距離L的關系可表示為：

通常也用衰減dB數來衡量大氣散射程度為：

實驗系統采用測試光波長為1550nm，不同能見度條件下的大氣散射衰減系數β，如圖1所示。當能見度為20km，激光傳輸1km，將引起0.5dB的功率衰減；如果能見度為4km，激光傳輸1km，將引起3.1dB的功率衰減。大氣條件對于鏈路功率影響非常嚴重，大氣信道內激光通信系統，需要留有較大的功率量，來彌補大氣散射的影響。

圖1 功率衰減與能見度的關系示意圖

1.2 大氣湍流效應

大氣湍流是指大氣中局部溫度、壓強的隨機變化而帶來的折射率隨機變化現象。大氣湍流引起光強閃爍效應服從對數正態分布，其表達式為：其中I0表示光強均值，σx表示閃爍指數（光信號的對數振幅標準偏差）。大氣湍流對光波傳輸影響程度通常用Rytov變量度量，對應弱起伏平面波的歸一化光強起伏方差可表示為：

2 光端機分析與設計需求

2.1 光學收發天線系統要求

為了實現十公里以上的2.5Gbps大氣信道誤碼影響實驗，需要針對上述分析結果提出相應的設計分析。

2.1.1 發射天線設計與分析

大氣湍流效應對激光發射端會造成影響，所以設計激光發射天線時，應該采取相應的措施以緩解大氣對通信系統的影響。由激光評價原理可知，在評價激光光束質量時，通常采用該激光的M數作為其評價指標，即M數等于激光的發散角與激光束腰的乘積。一旦激光器確定后，其M數便為一個常數，即發散角與束腰便成了一對相互制約的函數。當選擇降低束腰直徑增大發散角時，其對準跟蹤精度需求降低，但通信光接收功率會明顯下降，發射端抗湍流干擾能力降低（因在激光鏈路的初始狀態，激光的波束非常窄，即激光波束直徑小于湍流內尺度時，在這期間受湍流影響非常嚴重）。反之，當增大激光束腰降低發散角時，其通信光接收功率和抗湍流干擾能力會明顯增強，但是對跟蹤精度的需求也有較大的提高。為了保證發散角不變的情況下，增大束腰寬度，緩解大氣湍流在發射初期對激光通信影響，本系統采用光纖分光和多口徑發射技術，實現保持原有發散角的基礎上將束腰增大數倍。

圖2 傳輸距離13Km光斑平均亮度曲線圖

2.1.2 接收天線設計與分析

大氣湍流效應會使接收到的光強隨機起伏，進而提高整個系統的噪聲功率。由于湍流引入的噪聲功率和天氣情況、通信距離直接相關，所以在設計無線激光通信系統是應該充分考慮如何緩解湍流對通信的影響。由香農理論可知，當接收到的有效功率增大時，通信系統對噪聲功率干擾的敏感程度便會下降。目前通過擴大光學天線接收口徑是最為直接的辦法，大口徑接收天線不僅可以以平方的速率增大接收信號光功率，而且還能避免大氣“空洞效應”。由工程經驗可知，為了滿足10公里以上的無線激光通信其光學接收天線直徑不得低于80mm。設計光端機選擇帶有中心遮攔的卡塞格林望遠系統作為通信光的接收天線，因為該系統帶有一定的中心遮攔，所以將其口徑增至120mm。

2.2 通信系統設計與分析

由奈奎斯特準則可知，如果通信系統要實現2Bbps的通信速率，則該系統最少提供BHz的頻響帶寬。又因為激光通信系統的通信單元被分為發射和接收兩部分，相當與這兩個部分級聯，整個通信系統的接收和發射的頻響帶寬均需要高于2BHz。比如：當通信的速率需要達到2.5Gbps以上時，無線激光通信的接收和發射單元自身的頻響帶寬均需要高于2.5GHz，否則會出現調制深度不夠的現象。設計的光端機應從工程安全出發，要求接收系統和發射系統均提供高于3GHz的頻響帶寬。本實驗所用光端機采用了光纖分光和多口徑發射技術，所以光纖分光時的分光損失功率這一指標也非常關鍵，如果該指標過低，則多口徑發射效果便得不償失。該設計光端機的分光系統損失優于10%。

2.3 瞄準系統與跟蹤系統的設計與分析

由于要求設計光端機的通信的距離需要達到10km以外，所以設觀測距離L=10km，光端機整體外形尺寸約為0.2m，所以要求觀瞄分辨力為0.1m，進而觀瞄系統的最小分辨角要優于2秒。由于人眼的分辨角為1分，所以如果通過人眼進行觀瞄其望遠系統的入瞳尺寸需要大于300mm（設出瞳尺寸為10mm），并且非常不利于整體結構設計，并且采用人眼瞄準還存在眼瞳匹配問題。本文設計采用CCD探測器作為傳感器件，并且該CCD傳感器還可以為控制系統提供位置環信息。設定該瞄準系統的光學系統焦距為650mm，要求CCD的像元尺寸要小于6.5μm。為了避免較高的系統筒長，設計應選用卡塞格林望遠系統來實現目標的觀瞄。

當激光出瞳功率和發散角確定以后，其接收功率的大小、通信距離的長短和通信鏈路持續性均需要通過自動跟蹤系統來保證，由于本系統的激光發散角被定為1.5mrad，所以工程應用中其跟蹤精度應該是發散角的八分之一倍或六分之一倍，所以，系統的自動跟蹤系統的跟蹤精度需要優于200μrad。后端CCD觀瞄相機的傳感器選擇SONY公司2/3英寸的CCD探測器，分辨率1024×1024，幀頻25Hz，該相機在35MHz、25fps頻率模式下，動態范圍達到64.5dB，采用14位RS-644（LVDS）輸出，具有2組串口（TTL/LVDS）和兩組外觸發（TTL/LVDS）模式，工作參數可通過串口進行全面控制.該系統探測系統光軸分辨精度如下：觀測距離L=10km，基臺尺寸大致為0.2m，為了能夠分辨出目標，要求光學系統最小分辨力為ΔL=0.1m，則系統最小分辨角為：

CCD像元尺寸為6.5μm，則系統焦距為：

以550nm的綠光作為分辨基準，系統最小的衍射極限口徑為60mm，從工程角度可取系統口徑D=65mm，這時系統相對孔徑為1∶10。由于觀測距離遠，系統焦距長。為減小筒長，光學系統采用后補償式卡式系統，系統口徑 D=65mm，焦距 f=650mm。該相機與焦距為650mm的卡式望遠系統相互配合，可以分辨十公里外0.1m的物體，分辨率可以達到10μrad。利用該CCD相機的靶面作為視場光闌，光闌的水平視場8.89mm，俯仰視場6.67mm。根據焦距反算推導，視場范圍為水平30mrad，俯仰20mrad。由于該相機具有大視場的特點，在系統中即作為初始指向時觀靶相機用，也作為光束跟蹤時信標光探測的傳感器使用。

3 光端機總體設計

圖3 系統組成框圖

為了實現遠距離高速率的無線激光通信，整個系統由初始觀瞄子系統、激光調制發射子系統、激光解調接收子系統、光軸檢測及跟蹤子系統、光學天線、系統總體控制及通信接口單元等組成。初始捕獲觀瞄單元完成開機后在大視場內目標的搜索與對準。系統采用大功率近紅外半導體激光器實現信標光的發射、使用CCD傳感器實現對方光軸入射角度的實時精確閉環，并且使用光電編碼器實現自身姿態的精確閉環、根據CCD和光電編碼器的反饋信息手動調整二維轉臺實現通信雙方的光軸初始對準。光軸自動跟蹤系統，完成通信過程中的光束對準，通過對CCD接收光斑脫靶量信息，自動控制調整二維轉臺的位置狀態，保證在CCD接收能量最大值的位置上實現激光通信；激光數據通信采用2口徑激光發射、大口徑激光接收的通信模式；總體控制完成各分系統之間的協調工作功能；通信接口包含數據、語音、圖像的光接口和電接口。整個系統組成框圖如圖3所示，光端機總體結構外形如圖4所示。

圖4 光端機結構外形示意圖

4 結論

本文從大氣信道無線激光通信的設計需求出發，分析了設計遠距離、高速率大氣無線激光通信系統時要注意的技術要點與方法。

［1］姜會林，佟首峰.空間激光通信技術與系統［M］.北京：國防工業出版社，2011.

［2］母一寧，劉泉，于林韜.哈特曼技術在序列光斑檢測中的應用［J］.光學精密工程，2011，19（9）：2197-2204.

［3］母一寧，溫冠宇，王賀.基于序列信息圓心擬合的大氣激光光斑檢測技術［J］.空軍工程大學學報，2011，12（1）：59-62.

［4］母一寧，王賀，李平，等.脈沖狀態間隔調制方法及惡劣環境下通信實驗［J］.通信學報，2014，35（3）：224-230.

［5］Mu Yining，Li Ping，Jiang Huilin.Pulse state interval modulation and open loop communication experiment in the hostile environments［J］.Optik 2014，125（11）：2466-2471.

［6］母一寧，王賀，李平，等.光斑尺寸對光軸檢測的約束分析及驗證試驗［J］.紅外與激光工程，2014，43（12）：3678-3684.

［7］母一寧，王賀，李平，等.光軸檢測模型中背景干擾分析與閃爍補償方法探討［J］.激光與光電子學進展，2013，50（6）：46-50.

［8］母一寧，宋路.基于FPGA的CCD光軸檢測系統研究與實驗［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2014，37（6）：55-58.

［9］陳純毅.無線光通信中的大氣影響機理及抑制技術研究［D］.長春：長春理工大學，2009.