大氣激光通信系統(tǒng)及其主要部件的研究.pdf

1、大氣激光通信系統(tǒng)(FSO)是利用光波在空氣中傳輸光信號(hào)的通信方式，具有大容量、低成本、機(jī)動(dòng)靈活和保密性好等特點(diǎn)，是目前中短距寬帶應(yīng)用的新興解決方案，尤其在“最后一公里”接入中具有突出的優(yōu)勢(shì)。由于FSO是一種視距技術(shù)，且傳輸信道為大氣層，因此大氣效應(yīng)和建筑物擺動(dòng)的影響較為明顯。大氣信道帶來(lái)功率損耗和隨機(jī)性，導(dǎo)致傳輸距離短，難以實(shí)現(xiàn)全天侯通信；建筑物擺動(dòng)則增加了光束對(duì)接的難度，降低了通信可靠性。本課題研究的目的是尋求可行的低成本方案解決這些

2、關(guān)鍵問(wèn)題，本文主要是本課題的前期工作和基本系統(tǒng)構(gòu)建，設(shè)計(jì)一個(gè)具備基本組成部分的系統(tǒng)，為進(jìn)一步的深入研究奠定基礎(chǔ)。 本文首先構(gòu)建了一個(gè)FSO系統(tǒng)總體方案，包括光學(xué)天線、收發(fā)電路和對(duì)準(zhǔn)、捕獲與跟蹤(PAT)子系統(tǒng)。根據(jù)FSO系統(tǒng)的特點(diǎn)采用了一些新器件，如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、光斑位置探測(cè)器件(PSD)，以及由壓電陶瓷微位移柱驅(qū)動(dòng)的快速傾斜鏡(FSM)等。 光學(xué)天線是FSO系統(tǒng)的重要組成部分，本文設(shè)計(jì)了收發(fā)分離的折

3、射式光學(xué)天線，并用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX進(jìn)行模擬和評(píng)價(jià)。此天線的主要優(yōu)點(diǎn)是：消除了背向散射影響，減小了光能損失，同時(shí)不增加對(duì)準(zhǔn)和跟蹤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。發(fā)射天線包括準(zhǔn)直鏡和擴(kuò)束鏡兩部分，出射光束發(fā)散角壓縮到1mrad(全角)；接收天線采用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，將接收光錐置于望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳位置，保證了大視場(chǎng)光束的準(zhǔn)確接收，從而提高了系統(tǒng)抗干擾能力。 在收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)中，本課題采用了低閾值電流的VCSEL，并采用專用集成芯片實(shí)現(xiàn)激光器的調(diào)制以

4、及APD信號(hào)提取與放大，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)分析了APD信噪比與最佳倍增增益的關(guān)系，以及環(huán)境溫度與APD增益的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了溫度采集電路和可調(diào)的APD偏置電壓電路。針對(duì)建筑物擺動(dòng)帶來(lái)的光束偏移，本文設(shè)計(jì)了PAT子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，給出了流程圖，并詳細(xì)分析了預(yù)對(duì)準(zhǔn)、粗調(diào)、精調(diào)和跟蹤的實(shí)現(xiàn)方法。其中位置誤差信號(hào)通過(guò)PSD獲得，伺服系統(tǒng)包括云臺(tái)和FSM。同時(shí)還設(shè)計(jì)了PSD處理電路和FSM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 另外，本文還