自由空間光通信研究-畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　自由空間光通信(Free-Space Optical Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)FSO)是一種通過(guò)在自由空間傳輸激光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)間語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。近幾年來(lái)FSO技術(shù)以其高帶寬、安裝便捷、成本低廉、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的關(guān)注，在軍事和商業(yè)上均有廣泛的應(yīng)用。</p&g

2、t;<p>　　本文在現(xiàn)有的光源直接輸出、光電探測(cè)器直接耦合的FSO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了基于光纖輸入、光纖輸出的FSO系統(tǒng)，這種系統(tǒng)很好的結(jié)合了光纖通信系統(tǒng)和無(wú)線傳輸，其優(yōu)點(diǎn)在于大大降低了成本，簡(jiǎn)化了鏈路終端，同時(shí)可以利用光纖通信系統(tǒng)中的各種技術(shù)擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬。我們對(duì)這種新型的FSO系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分接收端的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的討論，提出兩種解決方案并做了大量的空間光到單模光纖及多模光纖耦合效率的仿真計(jì)算。接下來(lái)文章分析

3、了整個(gè)FSO光學(xué)鏈路的功率預(yù)算，主要包括光束擴(kuò)展帶來(lái)的損耗、瞄準(zhǔn)誤差的損耗、大氣湍流引起的損耗。同時(shí)，本文建立了自由空間光通信系統(tǒng)的仿真模型，分析了大氣衰減、通信距離、激光發(fā)射功率對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。最后給出實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞:自由空間；光通信接收天線；光纖耦合；鏈路損耗；誤碼率</p><p><b>　　ABSTRACT</b>&

4、lt;/p><p>　　Free-Optical Communication is a promising technology through transmitting laser signals in the atmosphere channel to realize the communication of voice image and between point-to-point, point-to-mul

5、tipoint and multipoint-to-multipoint. FSO has received a great deal of attenuation lately both in the military and civilian information society due its huge capacity, rapid deployment, low cost and high security.</p&g

6、t;<p>　　In this dissertation, we put forward an all-optical free-space link structure based on the previous diode coupled structure. This new structure can be well integrated with fiber-optical communication netwo

7、rks with lower cost. The most crucial part of the link design turn out to be the receiver optics and several design solutions were investigated. We do a number off single mode fiber coupling efficiency and multimode fibe

8、r coupling efficiency calculations to see which kind of antenna is best sui</p><p>　　Key Words: Link budget; Free-Space; Optical Communication; Receiver optics; Fiber coupling; BER performance</p><

9、;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章引言1</b></p><p>　　1.1自由空間光通信的發(fā)展1</p><p>　　1.2FSO應(yīng)用的領(lǐng)域2</p><p>　　1.3FSO技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)2</p><p>　　1.3.1FS

10、O的缺點(diǎn)2</p><p>　　1.3.2FSO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)2</p><p>　　1.4 FSO技術(shù)的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4.1基于光電探測(cè)器直接耦合的FSO系統(tǒng)3</p><p>　　1.4.2基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)5</p><p>　　第2章自由空間光通信系統(tǒng)的原理7</

11、p><p>　　2.1 FSO發(fā)射系統(tǒng)8</p><p>　　2.2激光發(fā)射子系統(tǒng)原理8</p><p>　　2.2.1激光光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)8</p><p>　　2.2.2引導(dǎo)光纖9</p><p><b>　　2.3光源9</b></p><p>　　2.3.1工作波

12、長(zhǎng)9</p><p>　　2.3.2光源的選擇9</p><p>　　第3章FSO接收系統(tǒng)10</p><p>　　3.1光電探測(cè)器10</p><p>　　3.1.1光電探測(cè)器的選型11</p><p>　　3.2 FSO系統(tǒng)中的噪聲12</p><p>　　第4章光學(xué)天線1

13、3</p><p>　　4.1 FSO光學(xué)系統(tǒng)中的象差13</p><p>　　4.1.1球差13</p><p>　　4.1.2慧差13</p><p>　　4.2發(fā)射光學(xué)天線14</p><p>　　4.2.1高斯光束的基本性質(zhì)14</p><p>　　4.2.2激光光學(xué)發(fā)射天線

14、14</p><p>　　4.3接收光學(xué)天線15</p><p>　　4.3.1接收光學(xué)天線的基本原理15</p><p>　　4.4光學(xué)天線的分類(lèi)19</p><p>　　4.4.1設(shè)計(jì)光學(xué)天線的基本要求19</p><p>　　4.4.2折射式天線20</p><p>　　4.4.

15、3反射式天線21</p><p>　　4.4.4折反射組合式天線24</p><p>　　第5章光學(xué)系統(tǒng)和鏈路性能的分析25</p><p>　　5.1大氣損耗25</p><p>　　5.1.1大氣衰減25</p><p>　　5.1.2大氣湍流引起的損耗26</p><p>　

16、　5.2光束擴(kuò)展損耗27</p><p>　　第6章系統(tǒng)仿真及性能分析30</p><p>　　6.1光纖通信仿真軟件OptiSystem30</p><p>　　6.2基于OptiSystem下的系統(tǒng)模型30</p><p>　　6.3仿真及結(jié)果分析31</p><p>　　6.3.1天氣條件對(duì)傳輸性能的

17、影響31</p><p>　　6.3.2仿真結(jié)果分析31</p><p><b>　　第7章總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p><b>　

18、　附錄41</b></p><p>　　附錄一：不同距離下PIN和APD管的選擇41</p><p>　　附錄二：使用誤差分析儀時(shí)注意的誤差41</p><p><b>　　外文資料原文42</b></p><p><b>　　譯文45</b></p><p

19、><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1自由空間光通信的發(fā)展</p><p>　　激光通信是當(dāng)今社會(huì)信息傳播的最重要、最常規(guī)的手段。按照傳輸介質(zhì)的不同，激光通信可分為光纖通信、自由空間光通信和水下通信。自由空間光通信(Free-Space Optical Communication，簡(jiǎn)稱(chēng)FSO)，也稱(chēng)為無(wú)線激光通信，是一種通過(guò)激光在大氣信道

20、中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)間語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息的雙向通信技術(shù)。廣義的自由空間光通信系統(tǒng)包括星際間的通信和大氣間的通信，狹義的自由空間光通信系統(tǒng)就是指大氣間的無(wú)線傳輸。FSO系統(tǒng)又有“虛擬光纖”的說(shuō)法，這是因?yàn)镕SO系統(tǒng)所使用的設(shè)備是和光纖通信系統(tǒng)相類(lèi)似的激光發(fā)射器和接收器。</p><p>　　現(xiàn)代的通信網(wǎng)主要由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三大部分組成。在上個(gè)世紀(jì)末的光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)熱潮中，業(yè)者把重點(diǎn)放在骨干網(wǎng)絡(luò)

21、上，目前，我國(guó)許多城市已基本實(shí)現(xiàn)光纖到樓（FTTB），光纖到戶（FTTH），而接入網(wǎng)由于建設(shè)技術(shù)復(fù)雜、實(shí)施難度大及耗資龐大而成為通信網(wǎng)建設(shè)中的“瓶頸”（即“最后一公里”問(wèn)題），發(fā)展較為緩慢。當(dāng)前有很多接入技術(shù)可供用戶選擇，如光纖，本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)（LMDS）、數(shù)字用戶線(DSL)、射頻技術(shù)以及空間光通信 (FSO) 等。其中光纖傳輸無(wú)疑是最可靠的通信方式，但光纖鋪設(shè)的周期長(zhǎng)，費(fèi)用高以及在某些地方易鋪設(shè)，這些都限制了光纖的普及;LMDS比

22、FSO的傳輸距離遠(yuǎn)，但這種接</p><p>　　接入方式需要高額的初始投資銅纜的帶寬太低，難以滿足人們對(duì)帶寬日益增長(zhǎng)的需求。相比較而言，F(xiàn)SO技術(shù)既能提供類(lèi)似光纖傳輸?shù)乃俾剩譄o(wú)需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資另外，激光技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價(jià)。因此，在目前許多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問(wèn)題的有效途徑之一

23、。</p><p>　　盡管60年代就有人對(duì)自由空間光通信進(jìn)行過(guò)研究，但當(dāng)時(shí)主要用于軍事及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，其商業(yè)應(yīng)用最近幾年才興起。作為當(dāng)今十大電信熱點(diǎn)技術(shù)之一，F(xiàn)SO技術(shù)受到越來(lái)越多的企業(yè)以及運(yùn)營(yíng)商的重視，將成為今后構(gòu)筑電信網(wǎng)的一項(xiàng)重要技術(shù)[1]。</p><p>　　1.2FSO應(yīng)用的領(lǐng)域</p><p>　　FSO有其獨(dú)特的性質(zhì)，所以在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，比如

24、，</p><p>　　1）軍事應(yīng)用FSO以其高保密性和安裝快捷的特性應(yīng)用于軍事場(chǎng)所。</p><p>　　2）企業(yè)、校園互連。這些局域網(wǎng)通常對(duì)傳輸距離要求不是太高，因此FSO系統(tǒng)就可以靈活的運(yùn)用于這些局域網(wǎng)之間。</p><p>　　3）城域網(wǎng)的擴(kuò)展[2]:FSO可用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)，將新的網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)相連接。</p><p>　　4）F

25、SO在電力系統(tǒng)應(yīng)急通信中的應(yīng)用。</p><p>　　1.3FSO技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)</p><p>　　1.3.1FSO的缺點(diǎn)</p><p>　　1）傳輸距離的限制。FSO是一種視距技術(shù)，當(dāng)傳輸距離超過(guò)一定距離時(shí)（一般為幾公里）波束就會(huì)變寬以至于很難被接收天線接收。</p><p>　　2）對(duì)準(zhǔn)困難。為了保證傳輸質(zhì)量，兩端的設(shè)備對(duì)準(zhǔn)是非常重要的

26、，即使初步對(duì)準(zhǔn)之后也要考慮風(fēng)力和其他因素的影響。</p><p>　　3）傳輸質(zhì)量收天氣的影響非常大。FSO系統(tǒng)對(duì)天氣的影響非常敏感，一般晴天影響最小，雨雪天氣影響比較大，衰減系數(shù)在5db/km-13db/km。而霧對(duì)系統(tǒng)的影響是最大的，一般衰減系數(shù)可高達(dá)60db/km。</p><p>　　1.3.2FSO 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　1）無(wú)需頻譜許可證背景

27、。無(wú)限光通信因設(shè)備間沒(méi)有信號(hào)的相互干擾。FSO與大多數(shù)低頻電磁波不同的是300GH以上電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受限制，可以免費(fèi)使用。</p><p>　　2）帶寬高。自由空間光通信于光纖通信一樣具有頻帶高的優(yōu)勢(shì)。FSO支持155Mbit/s-10Gbit/s的傳輸速度，傳輸距離一般在2-4公里之間。在點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中FSO同樣也支持155Mbit/s-10Gbit/s的傳輸速度，但傳輸距離一般就為1-2公里

28、，若果采用格形的組網(wǎng)方式，則可支持622Mbit/s的傳輸速率，傳輸距離一般為200-400米。</p><p>　　3）協(xié)議透明。FSO以光為傳輸介質(zhì)，任何傳輸協(xié)議都可容易的疊加上去，對(duì)語(yǔ)、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳輸。</p><p>　　4）成本低廉。以大氣作為了傳輸介質(zhì)，免去了昂貴的鏈路鋪設(shè)和維護(hù)工作。</p><p>　　5）快速鏈路部署。由于鏈路比較

29、簡(jiǎn)單，F(xiàn)SO可在幾天內(nèi)完成。</p><p>　　6）安全保密性高。FSO波束很窄，定向性非常好，夜間也無(wú)法發(fā)現(xiàn)，因此無(wú)法探測(cè)到鏈路的位置，更不存在竊聽(tīng)的可能性。</p><p>　　1.4 FSO技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.4.1基于光電探測(cè)器直接耦合的FSO系統(tǒng)</p><p>　　早在多30年前，自由空間光通信曾掀起了研究

30、的熱潮，但當(dāng)時(shí)的器件技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和大氣信道光傳輸特性本身的不穩(wěn)定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，隨著光纖制作技術(shù)、半導(dǎo)體器件技術(shù)、光通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷完善和成熟，光纖通信在80年代掀起了熱潮，自由空間光通信一度陷入低谷。然而，隨著骨干網(wǎng)的基本建成以及最后一公里問(wèn)題的出現(xiàn)，以及近年來(lái)大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)、自適應(yīng)變焦技術(shù)、光學(xué)天線的設(shè)計(jì)制作及安裝校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，自由空間光通信的研究重新得到重視。</p>

31、;<p>　　在國(guó)外，F(xiàn)SO系統(tǒng)主要在美英等經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家生產(chǎn)和使用。到目前為止，F(xiàn)SO己被多家電信運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奧運(yùn)會(huì)上， Terabeam公司成功地使用FSO設(shè)備進(jìn)行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實(shí)現(xiàn)了利用FSO設(shè)備向客戶提供100Mb/s的數(shù)據(jù)連接。該公司還計(jì)劃4年內(nèi)在全美建設(shè)個(gè)100個(gè)FSO城市網(wǎng)絡(luò)。而Airfiber公司則在美國(guó)波士

32、頓地區(qū)將FSO通信網(wǎng)與光纖網(wǎng)(SONET)通過(guò)光節(jié)點(diǎn)連接在一起，完成了該地區(qū)整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。表1-1是國(guó)外一些領(lǐng)先的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品的FSO性能參數(shù)。</p><p>　　目前商用的FSO系統(tǒng)通常采用光源直接輸出、光電探測(cè)器直接耦合的方式，這種系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：</p><p>　　1）半導(dǎo)體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發(fā)散角不同，且出射光斑較粗，因此我們需要先將出射光束整形為圓

33、高斯光束在準(zhǔn)直擴(kuò)束后發(fā)射，這樣發(fā)射端的光學(xué)系統(tǒng)就較為復(fù)雜，體積也會(huì)相應(yīng)增大。</p><p>　　2）在接收端，光斑經(jīng)光學(xué)天線會(huì)聚之后直接送入PD轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通常，我們需要提供點(diǎn)到點(diǎn)的，雙向的通信系統(tǒng)，這樣，F(xiàn)SO系統(tǒng)的每個(gè)終端都包括了激光器，探測(cè)器，光學(xué)系統(tǒng)，電子元器件和其中有源器件所需要的電源。浙江大學(xué)碩士論文這種系統(tǒng)的體積通常比較大，重量大，成本也比較高。從FSO系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中可以看出，完成一個(gè)簡(jiǎn)

34、單的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路需要6個(gè)OE轉(zhuǎn)換單元。隨著人們對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，PD的成本也越來(lái)越高，6個(gè)OE轉(zhuǎn)換單元大大增加了成本閉[3]。</p><p>　　表1-1 FSO產(chǎn)品的性能參數(shù)</p><p>　　圖1-1 基于PD直接接收的FSO系統(tǒng)</p><p>　　3）終端設(shè)備一般安裝于樓頂，如果終端中含有大量的有源設(shè)備，會(huì)給我們的安裝帶來(lái)了很多不方便。</p&

35、gt;<p>　　系統(tǒng)的可擴(kuò)展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加，那么封裝在一起的整個(gè)FSO系統(tǒng)終端都需要被新的終端取代，安裝新設(shè)備的過(guò)程需要再次對(duì)準(zhǔn)，整個(gè)升級(jí)過(guò)程所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，給人們帶來(lái)巨大的損失</p><p>　　圖1-2 FSO系統(tǒng)終端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　1.4.2 基于光纖耦合技術(shù)的FSO系統(tǒng)</p><p>　　基于光纖輸出

36、、光纖輸入的自由空間光通信系統(tǒng)如圖1.3所示，激光輸出的高斯光束耦合至光纖再經(jīng)準(zhǔn)直出射，傳輸一定距離后，光束通過(guò)合適的聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光纖纖芯上，沿著光纖傳輸后經(jīng)PD接收還原信號(hào)。</p><p>　　圖1-3 基于光纖的FSO系統(tǒng)示意圖</p><p>　　這樣我們通過(guò)在發(fā)射和接收端都采用光纖連接的方式，只需要在樓頂放置光學(xué)天線系統(tǒng)，而將其他的控制系統(tǒng)通過(guò)光纖放置于室內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)

37、的連接，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝。</p><p>　　這種新型的系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1)減少了不必要的E-O轉(zhuǎn)換，一條鏈路現(xiàn)在只需要個(gè)EO接口即可，大大降</p><p><b>　　低了成本。</b></p><p>　　2)光學(xué)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，光纖出射的光束一般為圓高斯光，不需要整形，簡(jiǎn)化了光學(xué)

38、系統(tǒng)，減小了體積，易于安裝。</p><p>　　3)易于升級(jí)及維護(hù)，當(dāng)用戶的帶寬增加時(shí)，我們只需要對(duì)放置在室內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)即可，免去了復(fù)雜繁瑣的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程。</p><p>　　4)基于光纖耦合的空間光通信系統(tǒng)能夠很好的與現(xiàn)有的光纖通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利</p><p>　　用現(xiàn)有的比較成熟的光纖通信系統(tǒng)中的器件如發(fā)射接收模塊，EDFA和WDM中所用到的復(fù)用器和解復(fù)用器

39、。</p><p>　　可以與光碼分多址復(fù)用技術(shù)(OCDMA)相結(jié)合，構(gòu)成自由空間OCDMA系統(tǒng)，進(jìn)一步系統(tǒng)的帶寬。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)基于光纖耦合技術(shù)的系統(tǒng)而言，以下幾個(gè)因素必不可少[4]：</p><p>　　1)體積小，重量輕的光學(xué)天線系統(tǒng)。一個(gè)最佳的光學(xué)天線的設(shè)計(jì)首先必須使盡可能多的光耦合進(jìn)單模光纖，獲得最大的耦合效率其次要能通過(guò)粗跟蹤系統(tǒng)測(cè)出入射

40、光的角度另外，必須滿足盡可能高的通信速率和穩(wěn)定性。</p><p>　　2)性能良好的跟蹤系統(tǒng)。要使光學(xué)接收天線接收到的光能夠有效的耦合進(jìn)纖芯和數(shù)值孔徑都極小的單模光纖，我們必須為系統(tǒng)加上雙向的跟蹤系統(tǒng)。</p><p>　　第2章 自由空間光通信系統(tǒng)的原理</p><p>　　FSO系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)，光接收機(jī)，光學(xué)天線（透鏡組和濾波片）和大氣信道以及捕獲、跟蹤及

41、瞄準(zhǔn)（APT）子系統(tǒng)組成</p><p><b>　　source</b></p><p>　　Transmitter</p><p>　　destination</p><p><b>　　Receiver</b></p><p>　　自由空間光通信系統(tǒng)原理圖</p&

42、gt;<p>　　由其原理圖可知，電信號(hào)通過(guò)調(diào)制器調(diào)制到激光器產(chǎn)生的光載波上，再通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線對(duì)光束整形并發(fā)射到大氣中。光信號(hào)通過(guò)大氣傳輸，到達(dá)接收端，光學(xué)天線接收到光信號(hào)聚焦至光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波，再解調(diào)。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的主要功能是確保兩個(gè)同心終端的精確定向，完成同心鏈路的建立。</p><p>　　2.1 FSO發(fā)射系統(tǒng)</p><p>　　發(fā)射系統(tǒng)包括電

43、信號(hào)的碼制變換，復(fù)接器和調(diào)制電路，以及激光器，驅(qū)動(dòng)器等，其中激光器的選擇很重要，它直接影響天線的增益、探測(cè)器件的選擇、天線直徑、通信距離等參數(shù)。FSO 系統(tǒng)的激光發(fā)射系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制與轉(zhuǎn)換及將激光信號(hào)通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線平行準(zhǔn)直地發(fā)射到大氣中去，為了減少大氣湍流及振動(dòng)給光信號(hào)帶來(lái)的影響，通常 FSO 系統(tǒng)采用多光束傳輸技術(shù)，這也是其與普通的光纖通信系統(tǒng)的不同這處，但其他部分與光纖通信系統(tǒng)基本相同，所以我們可以借助一些成熟的光纖通信技術(shù)來(lái)

44、實(shí)現(xiàn)無(wú)線光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.2激光發(fā)射子系統(tǒng)原理</p><p>　　激光發(fā)射子系統(tǒng)是 FSO 發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，例如以下系統(tǒng)主要是通過(guò)兩個(gè)分路將一路電信號(hào)變成四路電信號(hào)然后分別通過(guò)電光調(diào)制與轉(zhuǎn)換變成激光信號(hào)并通過(guò)激光光學(xué)發(fā)射子系統(tǒng)將其平行準(zhǔn)直地發(fā)送到接收端，其原理框圖如 2-2</p><p><b>　　電信號(hào) </b

45、></p><p><b>　　激光發(fā)射系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　2.2.1激光光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)</p><p>　　激光光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)是由多組光學(xué)透鏡及其與激光器連接的引導(dǎo)光纖和瞄準(zhǔn)裝置組成，主要實(shí)現(xiàn)將激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)引導(dǎo)光纖送至光學(xué)發(fā)射天線，并通過(guò)光學(xué)發(fā)射天線將激光平行準(zhǔn)直地發(fā)送至大氣中。</p><p

46、><b>　　2.2.2引導(dǎo)光纖</b></p><p>　　引導(dǎo)光纖主要完成激光器與激光發(fā)射光學(xué)天線之間的連接，對(duì)引導(dǎo)光纖的要求與光纖通信中對(duì)光纖的要求相同，要求光纖的數(shù)值孔徑要大，盡可能使激光器發(fā)射的激光最大限度地耦合到光纖中去，減小插入損耗。至于光纖本身的損耗和色散則因引導(dǎo)光纖的長(zhǎng)度較短可忽略不計(jì)[5]</p><p><b>　　2.3光源&l

47、t;/b></p><p><b>　　2.3.1工作波長(zhǎng)</b></p><p>　　大氣透過(guò)率是選擇激光工作波長(zhǎng)的最重要的一個(gè)因素，一般將透過(guò)率較高的波段成為“大氣窗口”，紅外波段的大氣窗口有 850nm、1310nm和1550nm。但在實(shí)際應(yīng)用中850nm和1550nm的光載波更適合FSO系統(tǒng)。</p><p>　　2.3.2光源的

48、選擇</p><p>　　從過(guò)去的市場(chǎng)要求來(lái)看，只有調(diào)制速率達(dá)到20Mbit/s到2.5Gbit/s的激光器才符合要求。光源的調(diào)制方式以及調(diào)制之后的光功率也是選擇光源的重要問(wèn)題。另外FSO系統(tǒng)的光源也必須滿足以下幾個(gè)條件：</p><p>　　1)能夠提供足夠大的功率</p><p><b>　　2)調(diào)制速率高</b></p>&

49、lt;p><b>　　3)功耗低</b></p><p>　　4)工作的溫度范圍較大</p><p>　　基于此，對(duì)于短波長(zhǎng)的FSO系統(tǒng)，通常采用垂直腔面的發(fā)射激光器（VCSEL）作為光源，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)的FSO系統(tǒng)，通常選用分布反饋式（DFB）激光器作為光源。</p><p>　　第3章 FSO接收系統(tǒng)</p><p&g

50、t;　　FSO 系統(tǒng)的激光接收子系統(tǒng)主要完成對(duì)經(jīng)大氣傳輸?shù)募す庑盘?hào)的接收，并通過(guò)光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接收系統(tǒng)主要包括光探測(cè)器、低噪聲前方、解調(diào)器、定時(shí)提取電路、自動(dòng)增益控制電路、分接器以及碼制變換等，光探測(cè)器是整機(jī)的最重要的組成部分，它主要有以下功能：</p><p>　　1）探測(cè)對(duì)方發(fā)來(lái)的信標(biāo)光，確定信標(biāo)光的位置，給出位置誤差信號(hào)驅(qū)動(dòng)ATP單元，校正接收天線的方向，完成雙端的粗對(duì)準(zhǔn)。</p

51、><p>　　2）在天線已經(jīng)達(dá)到粗對(duì)準(zhǔn)的前提下，探測(cè)對(duì)方發(fā)來(lái)的信標(biāo)光，并利用信標(biāo)光在四象限探測(cè)器上的坐標(biāo)，確定信標(biāo)光的位置，給出誤差信號(hào)并提供給APT單元，完成雙端天線的精對(duì)準(zhǔn)及跟蹤。</p><p>　　3）探測(cè)雙方發(fā)出的信號(hào)光，接收通信信號(hào)，完成通信功能。</p><p><b>　　3.1 光電探測(cè)器</b></p><p

52、>　　光電檢測(cè)器是光接收部分的核心，其主要實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)還原成電信號(hào)。常用的光電檢測(cè)器主要是 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。</p><p>　　光電探測(cè)器包括捕獲傳感器、跟蹤傳感器和通信傳感器，在本系統(tǒng)中，捕獲傳感器采用CCD，它視場(chǎng)較大，幀頻較低，因此可用于捕獲和粗跟蹤階段。功率檢測(cè)接收機(jī)（又稱(chēng)為直接檢測(cè)接收機(jī)或者非相干接收機(jī)）如下圖所示。當(dāng)光場(chǎng)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，透鏡組和光檢測(cè)器瞬時(shí)對(duì)光功率進(jìn)

53、行檢測(cè)接收，這是接收機(jī)最簡(jiǎn)單的形式，只要信息表現(xiàn)為光功率的變化就可進(jìn)行接收。</p><p><b>　　直接檢測(cè)接收</b></p><p>　　相干檢測(cè)方式中，數(shù)字信號(hào)通過(guò)載波信號(hào)的移頻或者移相進(jìn)行編碼，接收時(shí)，微弱的信號(hào)首先與一強(qiáng)本振光進(jìn)行相干混頻，混頻器就是一個(gè)光點(diǎn)探測(cè)器，它對(duì)兩束疊加的光波起檢測(cè)和混頻作用，將兩光波的差頻信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)濾波器濾波，再通過(guò)鑒相或

54、者鑒頻實(shí)現(xiàn)解調(diào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)或差頻信號(hào)。</p><p><b>　　相干檢測(cè)接收機(jī)</b></p><p>　　3.1.1光電探測(cè)器的選型</p><p>　　1、光電二極管（PIN）</p><p>　　PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度較好，無(wú)需高工作電壓，響應(yīng)速度快，其主要參數(shù)有：量子效率、響應(yīng)度、暗電流

55、、結(jié)電容、靈敏度等。量子效率、響應(yīng)度反映了PIN 的光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)沒(méi)有光信號(hào)照射光檢測(cè)器時(shí)，外界的雜散光或熱運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一些電子—空穴對(duì)，光電二極管也會(huì)產(chǎn)生一些電流，這個(gè)電流被稱(chēng)為暗電流，這也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)噪聲，降低系統(tǒng)的信噪比。結(jié)電容直接影響到PIN的響應(yīng)速度，結(jié)電容越小，器件響應(yīng)速度越快，頻帶越寬。</p><p>　　2、雪崩光電二極管（APD）</p><p>　　由于普通光電二極

56、管產(chǎn)生的電流很微弱，進(jìn)行放大和信號(hào)處理時(shí)很難避免增加放大器噪聲。為了克服這種缺點(diǎn)，有必要在放大之前加大光電管的輸出電流，即需要在光電管中提供雪崩增益。在很高的反向偏壓下，載流子通過(guò)耗盡區(qū)的高電場(chǎng)部分，能夠碰撞游離化而產(chǎn)生新的載流子。這些載流子又由于碰撞而產(chǎn)生更多的新生載流子，從而形成雪崩現(xiàn)象。這樣，原始的電子—空穴對(duì)可以產(chǎn)生十倍、百倍的新電子—空穴對(duì)。結(jié)果是光電管輸出電流獲得有效放大，這種光電管也就稱(chēng)為雪崩光電二極管（APD）。顯然，雪

57、崩管的放大作用是有用的，但它與理想的</p><p>　　電子倍增機(jī)構(gòu)相比還有不足之處。</p><p>　　雪崩管的響應(yīng)速率是另一個(gè)重要參數(shù)。它和 PIN 管一樣，原始電子-空穴對(duì)應(yīng)該多數(shù)在高電場(chǎng)區(qū)產(chǎn)生，使載流子盡可能快地進(jìn)入高電場(chǎng)倍增區(qū)。而從低電場(chǎng)區(qū)產(chǎn)生的載流子，引起擴(kuò)散拖尾。APD 管的響應(yīng)速率直接關(guān)系到頻帶寬度?，F(xiàn)在的雪崩光電二極管，都適當(dāng)兼顧增益和帶寬要求，因此 APD 管大量運(yùn)

58、用于光通信中。</p><p>　　3.2 FSO系統(tǒng)中的噪聲</p><p>　　光電探測(cè)器檢測(cè)信號(hào)的能力受到噪聲的影響，F(xiàn)SO系統(tǒng)中的噪聲源來(lái)自光電探測(cè)器自身的散粒噪聲和熱噪聲，另外，背景輻射引起的噪聲也是空間光通信系統(tǒng)中特有的噪聲源，實(shí)驗(yàn)證明，盡管我們可以利用光學(xué)濾波的方式減小背景噪聲，但是背景噪聲還是可以在很大程度上影響空間光通信系統(tǒng)的性能。上面所說(shuō)的是對(duì)于探測(cè)器為PIN管的情況。

59、對(duì)于APD接收管，還有附加噪聲。特別的，對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的光纖輸入、光纖輸出的FSO系統(tǒng)而言，在接收端，我們可以采用做前置放大器，還會(huì)引入自發(fā)輻射噪聲。</p><p>　　在系統(tǒng)中背景噪聲相對(duì)于其他噪聲較為特殊，所以只對(duì)背景噪聲進(jìn)行討論。設(shè)背景光產(chǎn)生的光電流為，當(dāng)探測(cè)器的帶寬為Δf時(shí)，背景光電流的噪聲均方值為</p><p>　　=2eΔfm (3-1)</p><p&

60、gt;　　忽略背景溫度噪聲的影響，則最小可探測(cè)功率為</p><p><b>　　= (3-2)</b></p><p>　　式中h為普朗克常數(shù)，為信號(hào)光譜，為信號(hào)光量子效率，為背景光子量子效率，為背景光子入射，則</p><p>　　==(γ)dy (3-3)</p><p>　　稱(chēng)為背

61、景光子載流子產(chǎn)生率?？梢?jiàn)正比于，即由于背景光的存在使最小可探測(cè)功率增加因而系統(tǒng)靈敏度下降。</p><p><b>　　第4章 光學(xué)天線</b></p><p>　　我們想要系統(tǒng)維持鏈路的高質(zhì)量通信，那么就需要較高的發(fā)射功率，但是從人眼的安全方面考慮，發(fā)射功率就不能太大。所以綜合了單發(fā)單收（簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)），多發(fā)多收的（抗衰減干擾，不易實(shí)現(xiàn)）的優(yōu)缺點(diǎn)，最終解決辦法為多發(fā)單

62、收，即同一基帶信號(hào)調(diào)制到過(guò)個(gè)功率較低的光束上同時(shí)發(fā)射。由于激光器發(fā)出的光束為高斯光束，具有一定的發(fā)散角，光束在較遠(yuǎn)的地方合在一起能滿足通信要求的功率，而在較近的地方相互分開(kāi)就不會(huì)對(duì)人眼造成傷害。多發(fā)單收還可以減少障礙物的遮擋和大氣湍流效應(yīng)的影響。</p><p>　　4.1 FSO光學(xué)系統(tǒng)中的象差</p><p><b>　　4.1.1球差</b></p>

63、<p>　　對(duì)于球面鏡來(lái)說(shuō)，不同高度的光線通常交光軸于不同的位置上，相對(duì)于理想像點(diǎn)的位置有不同的偏離，，稱(chēng)為球差。絕大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)具有圓形入瞳，軸上點(diǎn)的成像光束是關(guān)于光軸對(duì)稱(chēng)的，因此對(duì)應(yīng)于軸上點(diǎn)球差的光束結(jié)構(gòu)是非同心的軸對(duì)稱(chēng)光束，它與參考像面截得一彌散圓。通常情況下，單正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，單負(fù)透鏡產(chǎn)生正球差，因此將正、負(fù)透鏡組合起來(lái)就能使球差得到校正。消色差透鏡是一種由低折射率冕牌玻璃的正透鏡和高折射率火石玻璃的負(fù)透鏡組成的

64、透鏡，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，使球差、彗差和色差都得到了很好的校正[6]</p><p><b>　　4.1.2慧差</b></p><p>　　對(duì)于對(duì)準(zhǔn)誤差的存在，經(jīng)發(fā)射天線準(zhǔn)直的光束可能偏移光軸某個(gè)角度?達(dá)到接收光學(xué)天線，這時(shí)系統(tǒng)存在慧差。彗差是軸外物點(diǎn)發(fā)出寬光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，不會(huì)聚在一點(diǎn)，而呈彗星狀圖形的一種相對(duì)主光線失去對(duì)稱(chēng)的像差。具體地說(shuō)，在軸外物點(diǎn)發(fā)出的光束中

65、，對(duì)稱(chēng)于主光線的一對(duì)光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，失去對(duì)主光線的對(duì)稱(chēng)性，使交點(diǎn)不再位于主光線上，對(duì)整個(gè)光束而言，與理想像面相截形成一彗星狀光斑的一種非軸對(duì)稱(chēng)性像差。彗差通常用子午面上和弧矢面上對(duì)稱(chēng)于主光線的各對(duì)光線，經(jīng)系統(tǒng)后的交點(diǎn)相對(duì)于主光線的偏離來(lái)度量，，分別稱(chēng)為子午彗差和弧矢彗差。子午面是由軸外物點(diǎn)和光軸所確定的平面，過(guò)主光線且與子午面垂直的平面稱(chēng)為弧矢平面。一般來(lái)說(shuō)，如果系統(tǒng)的球差較小，則系統(tǒng)的彗差也相應(yīng)的較小。</p><

66、;p><b>　　4.2發(fā)射光學(xué)天線</b></p><p>　　4.2.1 高斯光束的基本性質(zhì)</p><p>　　激光器發(fā)出的高斯光束經(jīng)過(guò)光纖整形后，可以用基模高斯光束來(lái)描述[7]。</p><p>　　假設(shè)光源位于z=0處，則z=q處的場(chǎng)分布可有以下公式描述</p><p>　　U(r,q)=U0 exp[-

67、j(kq-?)-()] (4-1)</p><p>　　其中r為徑向半徑，是z=0處的束腰半徑，?為相位，k=2π/λ為波束。光束的參量，分別為z=q處的束要半徑和波前半徑，其定義為：</p><p>　　= (4-2)</p><p>　　=q[1+] (4-3)</p><p>　　所以高斯光束的束腰和位置去確定了，高斯光束

68、就被唯一確定了，束腰的半徑是指光束沿徑向的強(qiáng)度下降到中心強(qiáng)度的處的位置，高斯光束的束腰內(nèi)集中了86%的能量。Z=0處的束腰最小，從上式中可以看出隨著q的增加而展寬，其軌跡形成一條雙曲線，該雙曲線的漸近線和光軸的夾角稱(chēng)為光束的發(fā)散角，半發(fā)散角可以以下公式描述</p><p>　　= (4-4)</p><p>　　4.2.2激光光學(xué)發(fā)射天線</p><p>　

69、　激光光學(xué)發(fā)射天線主要是將引導(dǎo)光纖傳送來(lái)的激光光束聚焦并以較小的發(fā)射弧度平行、準(zhǔn)直地發(fā)射出去，其原理圖見(jiàn)圖4.1</p><p><b>　　小弧度發(fā)散</b></p><p>　　激光光學(xué)發(fā)射天線原理圖</p><p>　　從引導(dǎo)光纖出來(lái)的激光束經(jīng)過(guò)透鏡組后，被聚焦便于接收端接收。光束的發(fā)散弧度一般依據(jù)接收端接收到的光功率為所在處的光斑的光功

70、率的 1/10 來(lái)計(jì)算，如圖4.2</p><p><b>　　發(fā)射光斑面積</b></p><p><b>　　接收光斑面積</b></p><p>　　發(fā)射光斑面積與接收光斑面積比例示意圖</p><p>　　4.3 接收光學(xué)天線</p><p>　　接收光學(xué)天線的設(shè)計(jì)是

71、FSO光學(xué)系統(tǒng)中最重要的部分，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于光纖輸入，光纖輸出的，因此我們的接收光學(xué)天線的設(shè)計(jì)必須足夠的精確來(lái)保證接收光束能夠有效的耦合至纖芯直徑和接收視場(chǎng)都十分小的光纖，這直接影響到系統(tǒng)的性能。</p><p>　　4.3.1接收光學(xué)天線的基本原理</p><p>　　接收光學(xué)天線是將平行光耦合至單模光纖，其設(shè)計(jì)必須滿足一定的條件。</p><p>　　

72、透鏡的F數(shù)和數(shù)值孔徑</p><p><b>　　f</b></p><p><b>　　θ</b></p><p><b>　　主面</b></p><p><b>　　數(shù)值孔徑和F數(shù)</b></p><p><b>　

73、　透鏡的F數(shù)定義為：</b></p><p>　　F/#= (4-5)</p><p>　　它反應(yīng)了透鏡的聚光能力。</p><p>　　另外一種定義這個(gè)夾角就是透鏡的數(shù)值孔徑（NA）</p><p>　　NA=sinθ= (4-6)</p><p><b>　　2)散斑大小<

74、/b></p><p>　　由于衍射現(xiàn)象的限制，平行光會(huì)聚在焦點(diǎn)處不可能得到點(diǎn)像而得到一個(gè)光斑，當(dāng)入瞳為高斯光束照射，而光學(xué)系統(tǒng)不受到任何象差的限制的時(shí)候，即在衍射受限的條件下，得到的光斑大小最小為</p><p>　　d=KλF/# (4-7)</p><p>　　對(duì)于圓形通光孔K=2.44。因此 要將平行光有效的耦合至光纖，則必須滿足以下條件：&l

75、t;/p><p>　　1）透鏡的F數(shù)或者數(shù)值孔徑應(yīng)該小于光纖的數(shù)值孔徑。</p><p>　　2）光束經(jīng)透鏡聚焦之后在焦平面上形成的彌散斑大小不超過(guò)光纖的模場(chǎng)直徑。</p><p>　　在將光束耦合至光纖時(shí)，可以選擇將光束耦合至單模光纖或者多模光纖，以下我們將兩者進(jìn)行對(duì)比。</p><p>　　1）利用單透鏡將光束耦合至多模光纖</p>

76、;<p>　　先利用一個(gè)透鏡耦合至多模光纖，上文提到要將光束耦合至多模光纖，透鏡的F數(shù)應(yīng)該小于光纖的數(shù)值孔徑。對(duì)于多模光纖的耦合，可以采用幾何光學(xué)近似的方法在像面設(shè)置一個(gè)與多模光纖纖芯直徑相等的孔徑來(lái)計(jì)算光纖的耦合效率。通過(guò)zemax軟件的仿真我們可以看到在焦面上所得到的彌散斑的大小明顯大于艾里斑的大小，系統(tǒng)存在明顯的球差，另外，在較大的視場(chǎng)，也可明顯的觀察到慧差</p><p>　　單透鏡多模光纖

77、的耦合效率</p><p>　　上文提到消色差透鏡可以減小球差和慧差，那么在相同條件小用zemax進(jìn)行仿真可以明顯的觀察到球差和慧差得到了較好的校正，利用這種透鏡將光束耦合至多模光纖的損耗為0dB。</p><p>　　消色差透鏡耦合至多模光纖的效率</p><p>　　2)利用單透鏡將光束耦合至單模光纖</p><p>　　對(duì)于單模光纖我們

78、直接用消色差透鏡，通過(guò)zemax仿真可以觀察到光學(xué)系統(tǒng)近似于衍射受限的系統(tǒng)，不受像差的影響，耦合至單模光纖的損耗由彌散斑的大小大于光纖的模場(chǎng)直徑所造成的。</p><p><b>　　單模光纖的耦合效率</b></p><p>　　通過(guò)上面的對(duì)比，對(duì)于多模光纖耦合的情況，當(dāng)透鏡的F數(shù)大于2.5時(shí)，多模光纖的耦合損耗一直為0dB，而對(duì)于單模光纖耦合的情況，耦合效率并不

79、隨著F數(shù)的增大一直增大，因此在實(shí)際情況中要根據(jù)當(dāng)時(shí)情況選擇透鏡。</p><p>　　4.4光學(xué)天線的分類(lèi)</p><p>　　4.4.1設(shè)計(jì)光學(xué)天線的基本要求</p><p>　　在FSO系統(tǒng)中，可以把光學(xué)天線看成是一個(gè)能接受，某一波長(zhǎng)范圍的目標(biāo)光微弱輻射的物鏡。那么對(duì)光學(xué)天線的基本要求如下：</p><p>　　1）通光孔經(jīng)要足夠大。望遠(yuǎn)

80、鏡的物鏡孔徑一般是指有效孔徑，也就是通光直徑。光學(xué)天線的孔徑最大限度地接收來(lái)自目標(biāo)的光輻射。</p><p>　　2）高的光學(xué)質(zhì)量，光學(xué)透鏡的高透射率及主、次反射鏡的高反射率，還要求天線的散射光效應(yīng)要低。</p><p>　　3）天線的遮擋率要低，在系統(tǒng)中，一般要求次級(jí)反射鏡及其他附件對(duì)天線的遮擋率小于5%。</p><p>　　4）對(duì)光學(xué)天線的材料也有特殊要求，材

81、料的熱膨脹系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度要高，重量要輕，使用壽命要長(zhǎng)。</p><p>　　在FSO系統(tǒng)中光學(xué)天線的作用十分重要，光學(xué)天線實(shí)際就相當(dāng)于一個(gè)物鏡系統(tǒng)，通常情況下有三種結(jié)構(gòu)形式，即折射式天線，反射式天線和折返射組合天線。</p><p>　　4.4.2折射式天線</p><p>　　這類(lèi)天線是由一組透鏡構(gòu)成的，如下圖。它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為開(kāi)普勒型和伽利略型。</p&

82、gt;<p><b>　　透射式天線</b></p><p><b>　　1)開(kāi)普勒型</b></p><p>　　用作發(fā)射天線的開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡如圖4-8所示</p><p>　　小孔光闌 物鏡</p><p><b>　　目鏡<

83、/b></p><p><b>　　開(kāi)普勒型光學(xué)天線</b></p><p>　　它由具有正光焦度的物鏡和目鏡組成，中間有聚焦點(diǎn)，加小孔光闌，使光束的高斯型光強(qiáng)分布的峰值部分通過(guò)，可得到受高斯型光強(qiáng)分布影響很小的擴(kuò)展光束，這種光學(xué)天線的缺點(diǎn)是光能被遮掉很多。</p><p><b>　　2)伽利略型</b></

84、p><p>　　用作發(fā)射光學(xué)天線的伽利略望遠(yuǎn)鏡如圖4-9所示。它由正光焦度的物鏡和負(fù)光焦度的目鏡組成，其優(yōu)點(diǎn)是物鏡和目鏡的尺寸較短，因?yàn)樗枪蔡摻裹c(diǎn)，其軸向間距為正透鏡與負(fù)透鏡焦距絕對(duì)值之差，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)軸向尺寸較小，負(fù)目鏡又有利于對(duì)正物鏡進(jìn)行像差補(bǔ)償，使系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單，減少了反射面的光能損失。其突出優(yōu)點(diǎn)是共有虛焦點(diǎn)，可避免采用正透鏡會(huì)聚而引起的強(qiáng)光效應(yīng)和對(duì)目鏡的破壞，從而提高了能量的利于率。</p>&

85、lt;p><b>　　物鏡</b></p><p><b>　　目鏡</b></p><p><b>　　伽利略型光學(xué)天線</b></p><p>　　折射式天線系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)光無(wú)遮擋，加工球面透鏡較容易，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)易消除各種像差，且物鏡組牢固穩(wěn)定，長(zhǎng)期使用不易變形。但這種光學(xué)天線要求的

86、大塊透光性優(yōu)良的光學(xué)玻璃制造起來(lái)十分困難以及在紫外線和紅外波段透光量比反射望遠(yuǎn)鏡少而且存在殘余色差，從而光能量損失較大，并且這種望遠(yuǎn)鏡不便于支撐，無(wú)法向更大孔徑發(fā)展，裝配調(diào)整比較困難。所以在實(shí)際FSO系統(tǒng)中很少采用這種光學(xué)天線。</p><p>　　4.4.3反射式天線</p><p>　　反射式天線系統(tǒng)如圖4-10所示。其主要有牛頓系統(tǒng)，格里高利系統(tǒng)和卡塞格倫系統(tǒng)。</p>

87、<p>　　反射式光學(xué)系統(tǒng)示意圖</p><p><b>　　1）牛頓系統(tǒng)</b></p><p>　　由拋物面主鏡、次鏡（與光軸成45°夾角的平面反射鏡）和使發(fā)散光變成平行光的透鏡構(gòu)成，如圖4-11所示。由于像平面被引處入射光路之外，所以便于在其上安置光闌、濾光片和光電探測(cè)器的部件，牛頓系統(tǒng)的球差很好，但慧差較為嚴(yán)重。</p>&

88、lt;p><b>　　牛頓型光學(xué)天線</b></p><p><b>　　2)格里高利系統(tǒng)</b></p><p>　　他主要由拋物面主鏡、位于主鏡焦點(diǎn)之外的橢球面次鏡和透鏡構(gòu)成，如圖4.12所示。拋物面主鏡的焦點(diǎn)和橢球面次鏡的一個(gè)焦點(diǎn)重合。次鏡的物和像分別位于橢球面的兩個(gè)焦點(diǎn)上，因此整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有球差，該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是軸向尺寸較大。<

89、;/p><p><b>　　格里高利型光學(xué)天線</b></p><p><b>　　3)卡塞格倫系統(tǒng)</b></p><p>　　主要由拋物面主鏡、雙曲面次鏡和透鏡構(gòu)成，如圖4.13所示。拋物面主鏡的焦點(diǎn)和雙曲面次鏡的虛焦點(diǎn)重合，從而使整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有球差，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：口徑可以做的較大；不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬；采用非球面

90、鏡后，有較大的消像差能力，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像質(zhì)優(yōu)良。它的不足之處在于不易的到較大的視場(chǎng)，若片面強(qiáng)調(diào)擴(kuò)大視場(chǎng)，又想保持良好的像質(zhì)，則只能增加筒長(zhǎng)為代價(jià)，而且，一般入射到次鏡上得光斑為圓形（基模高斯光束），其強(qiáng)度成高斯分布，中心光強(qiáng)最大，而實(shí)際由于遮擋比的存在，使得光束的中心部分能量無(wú)法利用。</p><p><b>　　卡塞格倫型光學(xué)天線</b></p><p>　　

91、由圖4.13可知，對(duì)于輸入口徑為的高斯光束，其中心口徑為的部分無(wú)法得到利用。兩者的關(guān)系為：</p><p>　　=||=|a| (4-8)</p><p>　　式中為次鏡的口徑，為主鏡的口徑，為次鏡的焦距，為主鏡的焦距，a為遮擋比，即實(shí)際利用的光斑面積為整個(gè)光斑的1-，而無(wú)法利用的部分正好是高斯光束中能量最集中的部分。</p><p>　　反射式天線的發(fā)射光束

92、的形成依靠對(duì)光波幾乎全反射的旋轉(zhuǎn)拋物面。這種天線對(duì)光能量的吸收損耗很小，因而空間光通信系統(tǒng)中的大都采用反射式光學(xué)天線。反射式光學(xué)天線具有對(duì)材料要求不太高、重量輕、成本低、光能損失小、不存在色差等優(yōu)點(diǎn)。但反射式光學(xué)天線的制作復(fù)雜，且對(duì)光有中心遮擋，難于滿足大視場(chǎng)大孔徑成像的要求。實(shí)用的反射式天線為了避免像差，視場(chǎng)一般比較小?？梢酝ㄟ^(guò)像場(chǎng)改正透鏡擴(kuò)大視場(chǎng)。</p><p>　　4.4.4折反射組合式天線</p&

93、gt;<p>　　這類(lèi)天線是由反射鏡和折射鏡組合的天線。這種天線系統(tǒng)可以結(jié)合反射式和折射式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用球面鏡取代非球面鏡，同時(shí)用補(bǔ)償透鏡來(lái)校正球面反射鏡的像差，從而具有像差小集光力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但這種天線系統(tǒng)體積較大，加工困難，成本也比較高。其示意圖如圖4.14所以。</p><p>　　折反射組合式光學(xué)系統(tǒng)示意圖</p><p>　　第5章 光學(xué)系統(tǒng)和鏈路性能的分析<

94、/p><p>　　整個(gè)FSO系統(tǒng)的損耗由光學(xué)損耗、光束擴(kuò)展損耗、對(duì)準(zhǔn)誤差損耗、大氣損耗、耦合損耗組成、其中最主要的影響因素是大氣損耗和光束擴(kuò)展損耗。</p><p><b>　　5.1大氣損耗</b></p><p>　　大氣損耗是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要的指標(biāo)，大氣損耗可分為大氣衰減和大氣湍流一起的損耗。</p><p><

95、;b>　　5.1.1大氣衰減</b></p><p>　　激光在大氣中傳輸時(shí)，大氣成分對(duì)光波的吸收和散射造成能量的衰減稱(chēng)為大氣衰減效應(yīng)。光功率衰減由朗伯-比爾定律描述為[8]:</p><p>　　Γ(λ，z)== (5-1)</p><p>　　式中Γ(λ，z)為傳輸距離z處的相對(duì)光功率;P(z)為傳輸距離z處的光功率；P(0)為光源處

96、光功率;為大氣總的衰減系數(shù)，它由四部分組成，可表示為：</p><p>　　σ(λ)= + ++ (5-2)</p><p>　　式中的分別為大氣分子的吸收和散射系數(shù)；和分別為大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。</p><p>　　由于通信波長(zhǎng)通常選在大氣窗口，因此我們忽略大氣吸收導(dǎo)致的功率衰減。這時(shí)可由</p><

97、;p>　　σ(λ)= (5-3)</p><p>　　（其中V是能見(jiàn)度（km）；q是散射粒子尺度分布，與能見(jiàn)度有關(guān)）得到波長(zhǎng)為1550nm光在不同天氣情況下的衰減系數(shù)和能見(jiàn)度。</p><p>　　不同天氣下大氣的衰減系數(shù)和能見(jiàn)度[9]</p><p>　　5.1.2大氣湍流引起的損耗</p><p>　　大氣的折

98、射率總是隨空間和時(shí)間作無(wú)規(guī)則的變化，這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過(guò)程中隨機(jī)地改變其光波參量，致使所見(jiàn)到的光波強(qiáng)度、相位和頻率在時(shí)間上和空間上都呈現(xiàn)隨機(jī)起伏，使光束質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。</p><p>　　由于傳輸方向的隨機(jī)起伏造成光束偏離預(yù)期位置，這種效應(yīng)稱(chēng)為光束漂移，通常采用漂移角或漂移幅度來(lái)度量。在漂移的同時(shí)，光束在接收平面上的到達(dá)角也因湍流影響產(chǎn)生隨機(jī)起伏，如果用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，像點(diǎn)就不能聚焦在焦平面的同一個(gè)位

99、置上，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為像點(diǎn)抖動(dòng)，抖動(dòng)的大小用到達(dá)角起伏方差來(lái)度量。當(dāng)激光通過(guò)湍流大氣時(shí)，由于傳輸路徑上折射率的隨機(jī)起伏，使得光束截面內(nèi)各點(diǎn)的強(qiáng)度也產(chǎn)生隨機(jī)起伏，即閃爍現(xiàn)象。</p><p>　　大氣湍流對(duì)光束傳播的影響[10]</p><p>　　大氣閃爍使探測(cè)器上的光強(qiáng)忽大忽小，實(shí)際上相當(dāng)于在接收機(jī)引入了一個(gè)大的噪聲源，從而影響系統(tǒng)的信噪比，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的誤碼率。估計(jì)這個(gè)噪聲對(duì)FSO系統(tǒng)的

100、影響程度，對(duì)于系統(tǒng)指標(biāo)的分配非常重要。</p><p>　　大氣閃爍引起的衰減還和傳輸距離有關(guān)。在湍流系數(shù)一定的情況時(shí)，大氣閃爍引起的衰減隨著傳輸距離的增大而快速增大。因此，大氣閃爍帶來(lái)的衰減是限制系統(tǒng)傳輸距離的另一個(gè)重要原因。</p><p><b>　　5.2光束擴(kuò)展損耗</b></p><p>　　激光束經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直以后，光束發(fā)散角

101、一般可達(dá)到1mrad以下。盡管如此，當(dāng)光束傳輸幾千米以后，在遠(yuǎn)場(chǎng)會(huì)形成一個(gè)大的光斑，如果接收光學(xué)系統(tǒng)的口徑小于此光斑的直徑，信號(hào)光束就不能全部被探測(cè)器接收，即產(chǎn)生光束擴(kuò)展損耗，從而限制通信距離。顯然，激光發(fā)散角越小，光束擴(kuò)展損耗就越小。高斯光束截平面的光強(qiáng)分布如下：</p><p>　　I(r，L)=exp(-) (5-4)</p><p>　　式中，r為截面上一點(diǎn)到z軸的距離，為在z=

102、L高斯光束的截面半徑。當(dāng)高</p><p>　　斯光束離開(kāi)束腰較遠(yuǎn)時(shí)，其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為</p><p>　　θ= (5-5)</p><p>　　因此，當(dāng)L ?時(shí)，L處光斑半徑可以表示為</p><p>　　=z*θ (5-6)</p><p>　　假設(shè)接收望遠(yuǎn)鏡正處于接收光斑中心，那么接收光功率占接收端光斑

103、功率的比率為</p><p>　　==1- (5-7)</p><p>　　式中，R=D/2，為透鏡半徑。則光束擴(kuò)展損耗為</p><p>　　η=10log=10log（1-） (5-8)</p><p>　　方程表明，光束的擴(kuò)展損耗取決于第一塊接收透鏡的大小和接收端的光斑大小。下圖中描述了光束擴(kuò)展損耗隨著接收光

104、斑直徑的變化的情況，同時(shí)比較了接收天線口徑為50mm和100mm的光束擴(kuò)展差異。</p><p>　　光束擴(kuò)展損耗與接收端光斑直徑的關(guān)系</p><p>　　光束擴(kuò)展損耗與傳輸距離之間的關(guān)系</p><p>　　從圖中可以看出，當(dāng)接收光斑直徑為100mm時(shí)，口徑為100mm的接收天線的光束擴(kuò)展損耗要比口徑為50mm的接收天線的光束擴(kuò)展損耗小，并且隨著接收光斑直徑的增

105、大，兩者之間的區(qū)別有逐漸增大的趨勢(shì)。</p><p>　　另外，我們?cè)O(shè)定接收透鏡的口徑為100mm，光束發(fā)散角θ為0.5mrad，得到光束擴(kuò)展損耗與傳輸距離的關(guān)系如下圖所示?？梢?jiàn)，光束擴(kuò)展損耗隨著距離的增加呈非線性增長(zhǎng)，隨著距離的增大，擴(kuò)展損耗的趨勢(shì)逐漸變緩。</p><p>　　第6章 系統(tǒng)仿真及性能分析</p><p>　　6.1光纖通信仿真軟件OptiSyst

106、em</p><p>　　OptiSystem是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化各種類(lèi)型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長(zhǎng)距離通訊系統(tǒng)到LAN和MAN都適用。OptiSystem具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級(jí)定義。它的性能可以通過(guò)附加的用戶器件庫(kù)和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展,而成為一系列廣泛使用的工具。全面的圖形用戶界面控制光子器件設(shè)計(jì)、器件模型和演示。巨大的有源和無(wú)源器件的庫(kù)

107、，參數(shù)的掃描和優(yōu)化允許用戶研究特定的器件技術(shù)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p><p>　　6.2基于OptiSystem下的系統(tǒng)模型</p><p>　　利用OptiSystem構(gòu)建了簡(jiǎn)單通用的FSO通信系統(tǒng)仿真模型，如圖6-1所示。</p><p>　　圖6-1 FSO通信系統(tǒng)模型圖</p><p>　　圖6-1為多發(fā)多收的FSO系統(tǒng)模型圖，

108、隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換成NRZ信號(hào)后調(diào)制連續(xù)激光器（CW laser），經(jīng)Mach-Zehnder外調(diào)制器調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)WDM Mux復(fù)用器后經(jīng)過(guò)光學(xué)發(fā)射天線送入信道。接收端通過(guò)WDM </p><p>　　Demux分解器分解信號(hào)后通過(guò)光電探測(cè)器（PIN）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)低通濾波器濾除噪聲后得到接受信號(hào)。 &l

109、t;/p><p>　　6.3仿真及結(jié)果分析</p><p>　　6.3.1天氣條件對(duì)傳輸性能的影響</p><p>　　自由空間光通信的傳輸介質(zhì)是以大氣為傳輸介質(zhì)，前文提到大氣對(duì)信號(hào)的傳輸影響很大，特別是在不同的天氣狀況下的影響也截然不同。由于大氣信道的不確定性，即天氣條件和無(wú)線光通信的傳輸質(zhì)量和傳輸距離有著非常密切的關(guān)系，特別是煙霧彌漫的天氣對(duì)傳輸質(zhì)量和距離影響最為嚴(yán)

110、重，相關(guān)數(shù)據(jù)如表6-1[11]。</p><p>　　表6-1 典型天氣下傳輸損耗</p><p>　　6.3.2仿真結(jié)果分析</p><p>　　通過(guò)一些數(shù)據(jù)分析晴、小雨、小雪的天氣小對(duì)系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量影響較接近也比較小。因此以下就以較強(qiáng)濃霧為例，傳輸距離為1km進(jìn)行分析。由表6-1可知在比較惡劣的天氣下信號(hào)衰減量為30dB/km。為了分析基帶傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，通

111、常用眼圖來(lái)分析馬建串?dāng)_和噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，或者通過(guò)誤碼率分析儀進(jìn)行性能分析，同時(shí)結(jié)合收發(fā)兩端的信號(hào)波形的異同來(lái)分析。</p><p>　　6.3.2.1收發(fā)信號(hào)比較</p><p>　　通過(guò)接受和發(fā)送的信號(hào)比較，可以大體估計(jì)該系統(tǒng)接受的性能，基于FSO系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)如圖6-2所示，接收信號(hào)如圖6-3，6-4所示。</p><p>　　圖6-2FSO 發(fā)送端信號(hào)波形

112、</p><p>　　圖6-3FSO 接收端信號(hào)波形</p><p>　　圖6-4 FSO 接收端信號(hào)波形</p><p>　　通過(guò)收發(fā)信號(hào)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)基本得到恢復(fù)，在幅度上有較大的衰減，同時(shí)波形出現(xiàn)了一定的削頂。</p><p>　　6.3.2.2系統(tǒng)眼圖分析</p><p>　　為了更好的分析系統(tǒng)的整體性能

113、，仿真系統(tǒng)的終端接入了誤碼分析儀，將通過(guò)眼圖分析來(lái)定性系統(tǒng)的性能。比如信號(hào)的上升和下降時(shí)間、交叉點(diǎn)位置、信號(hào)張開(kāi)寬度、消光比和抖動(dòng)等。如圖6-5所示，為基本調(diào)制下FSO系統(tǒng)的接收端要圖。</p><p>　　圖6-5 FSO 系統(tǒng)接收端眼圖</p><p>　　由系統(tǒng)眼圖可以分析出：</p><p>　　1）由于要求信號(hào)上升、下降越快越好，而一般要求其上升、下降時(shí)間

114、均不能大于信號(hào)周期的40%，從圖6-5可以看出上升或者下降時(shí)間為周期的20%，所以滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　2）交叉點(diǎn)比例反應(yīng)信號(hào)的占空比大小，由于傳輸過(guò)程中光信號(hào)的脈沖寬度將會(huì)被展寬導(dǎo)致接收側(cè)的交叉點(diǎn)相對(duì)于發(fā)送側(cè)上移，為了有利于長(zhǎng)距離傳輸保證接收側(cè)的交叉點(diǎn)比例一般在50%左右使得系統(tǒng)接受測(cè)的靈敏度最高。由圖6-5可以看出交叉點(diǎn)在53%左右，接收端靈敏度較高。</p><p>