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1、理学院 光信息科学与技术 毕业论文 第 19 页 共 19 页大气激光传输性能与应用研究（理学院 光信息科学与技术 0501班，济南 250022）指导教师 摘 要： 大气激光通信为无线通信的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在大气中直接传输,和传统的光端机为载体的通信方式不同。讨论了大气激光传输的衰减性能分析，包括大气气溶胶的霾粒子，降雨，大气散射系数对大气激光传输性能的影响；对大气湍流效应中的光束漂移，像点抖动，强度起伏(大气闪烁)等传输特性进行分析并简要说明解决办法；对大气激光传输的通信链路进行仿真模拟。列出大气激光传输的应用历史，现状及发展前景，展示其巨大的发展潜力。关键词：大气激光
2、；大气激光性能；大气激光应用Atmospheric laser transmission performance and applied researchZhang Ruidong(College of Optical ，Information Science and Technology 0501 classes, Jinan 250022) Supervisor Su YongdaoAbstract: Atmospheric laser communication for a wireless communications, which transmit information as op
3、tical signals of the vector, direct transmission in the atmosphere, and traditional as the carrier of the Optical different means of communication. Discussion of the atmospheric attenuation of laser transmission performance analysis, including atmospheric aerosol particles of haze, precipitation, at
4、mospheric scattering coefficient of atmospheric transmission properties of the laser; effects of atmospheric turbulence on the beam drift, such as point-jitter, intensity fluctuations (atmospheric scintillation) transmission characteristics, such as a brief description of the analysis and solution;
5、of atmospheric laser transmission to the communication link simulation. Listed in the application of atmospheric laser transmission history, current situation and development prospects, to demonstrate its great potential for development.Keywords:Atmospheric laser; atmospheric laser performance; atmo
6、spheric laser application1. 绪 论激光具有高相干度、高亮度、方向性好等普通光源无法比拟的优点使它在各个学科与技术领域的应用无所不在、与日俱增。但当激光在大气中长距离传输时，大气严重限制了各种激光工程(如激光通信、激光雷达、激光测距等)系统的使用性能。大气激光传输对激光雷达探测目标的能力具有重要的影响。因此，在对激光雷达系统进行设计、研制和定标时，必须考虑到大气传输的影响。有线通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失，因为信号电流在导线周围会产生磁场，同样容易遭到敌方的窃听。而无线电波即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年
7、代里，也容易被破译。因此，人们开始感到必须改变传统的通信手段。年月，光家族的新秀激光问世了，一种新颖、奇特的激光通信也进入人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点，给通信业的发展带来了明媚的春天。随着激光技术的发展，激光通信出现了两种方式，一是“有线”的光纤通信，二是“无线”的大气激光通信。光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非,使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现, 它也不像金属导线那样容易被窃听, 弄不好，纤细的玻璃纤维会
8、立即断成几节，散落四处，可谓“宁碎不泄密”。大气激光通信中的激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好、不像电磁波那样在空中到处散射，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，但由于激光通信的频率极高，比微波的频率高万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，另外，激光通信的抗干扰能力强，它能有效对抗核爆炸产生的光辐射和强电磁波对电子设备的破坏作用。核爆炸时，光辐射在大气中以每秒万千米的散形直线向四面八方传播，尽管能量很强，但不集中，激光接收机照样使用。电磁脉冲频率与激光频率相比简直太小了，要对激光通信产生干扰，可以说是望尘莫及。激光通信具有的这种天然的保密性，被人们称作炸
9、不断的“线路”，它为军事通信事业开辟出一片崭新的天地。由于是无线通信，它可随意移动到任何地点并实现移动沟通，这是它最大的军用价值和优势。就概念而论，大气传输光学线路非常简单，即用发射机将激光束发射到接收机即可。然而，在实际的大气传输中，激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求，因此系统还应包括主动对准装置。在空间传输中，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。与传统的无线电通信手段和光端机通信方式相比，激光大气通信具有安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。此外，激光大气通信系统跟其他无线电通信手段相比，还
10、具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设备、保密性强等特点，并且在有效通信距离和宽带等方面还蕴藏着巨大的发展潜力。2. 前 言高斯光束光波分为平面波、球面波和高斯波，其中平面波和球面波是为了研究而做的理想化的模型，在实际传输中是不可能存在的。在实际传输中，光波是高斯光束，但不管何种光波其接收场都可用下式表示1： . （1）其中U0为在真空中传播时的幅度项，是对数幅度起伏，是在真空传播时的相位项，是一阶相位起伏。而高斯波束与平面波、球面波又有着不同的传输特性，在自由空间中其传输满足Helmholtz 方程： . （2）据此可推导出高斯光束在空间任意点的光
11、波场强为： （3）式中是空间波数，为波长，W0 是发射平面的光斑半径，F0 是发射平面处的相前曲率半径，W是高斯光束在接收平面的光斑半径，F为高斯光束在接收平面的波前曲率半径5， , （4） , （5） , （6） . （7） , （8） , （9） . （10）3. 大气激光传输的性能分类研究大气激光通信又称为无线光通信，它是以光波为载体，在大气中传递信息的通信技术。由于大气信道是随机的，激光在通过大气信道传输时会产生大气衰减效应及大气湍流效应，从而造成光束的弯曲、闪烁、漂移、扩展、畸变及光能损失等现象。因此研究大气信道的大气衰减效应和大气湍流效应对于提高无线光通信系统性能具有重要意义。3.
12、1 激光在大气中传输衰减特性研究当激光在大气中传播时，由于大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃、烟雾以及刮风，下雨，下雪等气象现象使部分能量因散射而偏离原来的传播方向(即辐射能量在空间重新分配)，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量(如热能等)。大气分子的吸收是将光辐射能量转换成大气组成分子的运动。吸收能量的衰减与激光束的波长密切相关，在可见光波段和1.06m 波长，大气分子的吸收可以忽略，但对10.6m波长，大气分子吸收的影响最为严重。大气窗口为0.7215m，但这只是一种粗略的说法。大气分子的吸收还与海拔高度有关，因为越接近地面(几千米)，水蒸汽的浓度越大，水蒸汽吸收的能量也越大。
13、3.1.1 霾引起激光的衰减大气气溶胶的霾粒子尺度分布范围一般在0.01至和波长变化的关系，没有反映大气环境、大气中粒子尺度分布、粒子成分的变化引起折射率的变化等因素，这些参数能否较精确的测量直接影响计算结果的精度，而基于Mie散射理论计算时均考虑了这些因素的影响。Mie散射理论当粒子的尺寸和激光波长差不多时，产生的散射可用Mie理论进行严格求解。下面扼要给出Mie理论和云雾的尺度分布模型计算了云雾的激光衰减。结果表明，在近红外波段对于对流层大气中霾粒子的衰减预测应用Mie理论计算更合理；云雾引起的衰减一般较大，并且随着能见度的减小，衰减增加较快。因此，当Vb15 km时，霾引起的衰减需要考虑
14、；当Vb较小时，云雾的激光衰减是限制系统性能的主要因素3。图1 霾对0.53m激光的衰减随Vb的关系图2 霾对1.06m激光的衰减随Vb的关系图3 霾对1.38m激光的衰减随Vb的关系3.1.2 降雨的衰减对于1.06m的激光来说，球形降雨粒子可以视为大粒子(x= 2a/m 1) , 衰减系数与波长无关，仅由含水量确定的粒子几何截面来确定。在考虑了降雨率、温度和相对湿度等因素的基础上建立了降雨的衰减模型1，给出了雨的散射系数与能见度的关系式: . （11）式中是雨的散射系数，是相对湿度的吸收系数。该模型适于低纬度、低空对流层( 30时约等于2。Na和va分别为雨滴的尺度分布和降雨速度(m /s
15、)，但是使用该式计算降雨的衰减系数是需要丰富的实验数据，在实际使用中会有较大的困难。在实际计算中可以使用下面的较为简便的公式计算雨滴散射系数的近似值 . （13）式中，rain为雨造成的散射系数，单位km- 1；r为降雨速率，单位mm /hr。图4给出了降雨率与散射系数的关系。图4 降雨率与散射系数的关系。3.1.3 大气散射系数鉴于能见度的测量比气溶胶谱形和复折射指数的观测要简单的多，则不妨用较简单且实用的方法利用气象学距离(可见度)，以经验公式计算大气给定辐射波长的散射系数22。我们可由下述经验公式来估计气体散射系数 . （14）其中：为波长；为气象学距离，当80km时q=1.6,当在中等
16、能见度的典型大气中时q = 1.3，当6km时的浓霾大气q=0.585。对于=10.6的衰减系数因谱性和复折射指数的不同而可能出现接近一个数量级的较大变化。由于波长0的散射系数(0)与的关系式 或. （15）把(15)式中的因子ln50 用一个随波长增加而减少的因子A（）代替,从而推广到任意波长的散射系: , （16）式中:A（）与RV及有关。根据各种大气的统计资料和内插法,得到在0.5510.6m之间计算任意波长散射系数的下列经验公式:() = exp 1. 144 - 0. 0128RV - (0. 368 + 0.0214RV) ln/RV式中:RV 单位为km；单位为；()单位为km-
17、1。得到A（）(10. 6m) = 0.6km- 1 ( Rv 2km) ,其均方根偏差为0. 27。对DF、HF 激光,如果在一定能见度范围内的粒子的尺寸分布不变,则对理论计算值使用内插法,近似求得A 值,分别为A(3.8m) 0.0676,A(2.91m)0.874。对同一种吸收不同的地区有着不同的A值。3.2 大气湍流效应对激光传输性能影响大气湍流是自由空间光传输所面临的一个重要问题。对于随机信道光波传输而言，光束扩展、光斑抖动和相干性退化是限制激光充分发挥其效能的重要因素。光波通过大气传输和成像是激光通信、航空测绘、卫星遥感、光学雷达等领域湍流大气环境中进行光学系统设计和使用所必须考虑
18、的问题。大气总是处于不停地运动中，形成了温度、压强、密度、大小等不同的气体旋涡。这些旋涡相互交联、叠加，形成了随机的湍流运动。激光在湍流大气传输时，传输光束波前将随机起伏，从而引起光束漂移、光束展宽和光强闪烁。由于湍流尺寸在湍流内尺度和湍流外尺度连续分布,光束直径在传播过程中不断变化，上述湍流效应总是同时发生。大致规律如下：当光束直径远远小于湍流内尺度时，湍流主要使光束产生随机偏折，接收面光束漂移； 当湍流尺度约等于光束直径时，湍流主要使光束截面发生随机偏转，从而形成到达角起伏，接收面焦平面上出现像点抖动；更常见的情况是当光束直径远大于湍流尺度时引起的光强闪烁。3.2.1 湍流像差理论以飞机飞
19、行的湍流相差为例，在边界层内存在两种流动状态分别是层流边界层和湍流边界层。层流边界层中质点互不混杂，整个层内静压力保持不变，密度的变化是平稳的，通常情况下没有多少能量衰减，对于机载光学系统而言没有明显的光学像差。而湍流边界层中流体质点在流场中不断的混杂，流场内的运动呈现出不规则的脉动现象，造成流场密度的波动，从而产生机载平台光学湍流。层流和湍流这两种状态的形成，取决于扰动和雷诺数，其中雷诺数由下式定义： , （17）式中，为运动粘滞率,U0为来流速度, 为边界层厚度,这里假设边界层厚度为整个边界层长度的1.5%，即： , （18）式中为平台前沿到光学平台的距离。飞机前缘处于均匀流速的流场中，当
20、气流均匀流动时，由于粘性作用在表面出现边界层。但前缘部分边界层的厚度极薄，不易出现扰动，所以此时边界层中的流动为层流状态，当流动继续沿着飞机表面移动，边界层厚度逐渐加厚，便会出现扰动，层流状态变为湍流，发生了层流到湍流的演变，随着流体被加速，造成了流场的密度波动，这种密度之差是由于温度增加和边界层内的流体加速引起的速度波动而造成的，从而引起了折射率变化。当边界层由层流转变为湍流时（或在机身突出或者凹处），光学系统不再能捕获能量的所有部分，在探测器上会产生相应的光学像差，从而降低像平面的光强度。strehl是衡量焦平面上光束质量的重要参数，它被定义为有像差峰值强度观测值I与衍射限光学装置峰值强度
21、I0之比，可以近似表示为： , （19）式中，（波数），为波前方差。随着波前方差的增加，strehl会呈指数形式下降，光束质量就越差，会产生各种气动光学效应如光束扩散、倾斜等，对系统分辨力影响很大。对于式中的波前方差 由2个空气动力学参数决定，它们是波动密度，沿光轴的相关长度L，即波前方差定义为： , （20）波动密度主要决定了空气折射率波动，如下式所示： , （21）式中：G是Gladstone-Dale常数，与波长密切相关，L0.1。3.2.2 光束漂移高斯波束光波模型在几何光学近似区的传播行为可以从如下两个公式推导： , (22) , (23)当高斯波束在自由空间传输时，受大气湍流的影响
22、在非常短的时间周期内接受平面上的波束轮廓将偏离原路线传播，波束的瞬时中心将会在接受平面随机移动，这种光束中心的随机变化就叫做漂移。漂移的形成是因为波束的随机相位起伏形成的，下面我们看根据上面相位起伏公式6 。将直角坐标向量转换为柱坐标向量，可得： , （24）对上式进行积分可得到光波束的随机相位起伏为： , （25）假设光束通过湍流大气到达接收平面光强分布的重心坐标c为：,又由： , （26）其中 , （27）可得 , （28） , （29）3.2.3 像点抖动根据Tatarski的理论,湍流不十分强时的到达角起伏方差可表示为： , （30）其中P为接收光学装置孔径；光束漂移和像点抖动的概率分
23、布是正态分布，一般情况下漂移角和到达角起伏都小于50urad。光漂移角和折射率结构常数随时间变化一致，折射率结构常数变大时，漂移角也变大，反之亦然。由于折射率结构常数是表征湍流强度的物理量，所以光束漂移和湍流强度密切相连，湍流强时漂移角大，湍流弱时漂移角小。考虑大气湍流引起的光束展宽，激光传输Z距离时的光斑半径应做如下修正20 : , (31)其中, l0 为湍流的内尺度; 一般为毫米量级。由式(31)可以看出, 展宽后的光斑半径由两部分组成,不考虑大气湍流作用下传播Z距离时的和由大气湍流造成的展宽部分 , (32)若考虑发射面孔径d, 则激光传输距离Z 之后光斑面积为: , (33)其中，为
24、激光远场发散角；。3.2.4 强度起伏(光强闪烁)大气闪烁效应(强度闪烁)是当光束直径比湍流尺度大很多时，光束截面内包含多个湍流漩涡，每个漩涡各自对照射其上的那部分光束独立散射和衍射，引起光强的忽大忽小，即大气闪烁4。 在激光通信系统中，大气闪烁可引起接收机探测电流的随机涨落，从而导致探测系统的噪声增加。光束波前的不同位置上可能会观察到不同扰动条件,从而造成光束强度在时间和空间上的随机起伏,在某些位置光强忽大忽小,此即为光束强度的闪烁.远方接收屏上光强的随机起伏可以用光强的对数平方平均值2 来表示: , （34）式中：是激光波长，对应于平面波，B = 1.23，对应于球面波，B =0.49，2
25、是一无量纲量，L是传输距离。但是地球并非是一个平面体，当激光光束在海平面上传播时,地球的曲率使空间波存在一个视线距离Lmax ( km).激光束的强度起伏常用对数强度起伏方差表示。在满足莫哥洛夫谱条件下,对数强度起伏方差。为: , （35）式中L 为水平传输距离；A 为常数，对球面波和平面波，分别为0.496和1.23；波数 , （36）是激光波长。由式(35)知,与传输距离11/6 次方、与波数7/6 次方成正比；平面波的闪烁比球面波大;闪烁大小与湍流强度成正比;波长越短,传输距离越长,闪烁越强。但当湍流强度较大和传输距离较长时, 的变化远比此式复杂。3.2.5 大气湍流效应的解决 高斯光束
26、在湍流大气中传输时，由于大气折射率的不均匀性所引起的幅度和相位的变化所导致的结果。所以，想解决或者说尽量减弱大气湍流效应就应该从抑制或者说减弱幅度和相位的畸变入手。近些年来，一个比较热门的解决方法就是将光学领域的自适应光学引入无线光通信中来，但目前存在一个比较大的难题就是通常意义上的自适应光学是校正相位畸变的，而无线光通信涉及光束的幅度和相位双重起伏，那么自适应光学到底是如何影响到幅度起伏的，又是产生怎样的影响的，只有这一问题解决了才能将自适应光学充分地利用到无线光通信中来。 自适应补偿法8 ，自适应光学系统在空间激光通信中应用的光学系统总体布局如图2 所示。被大气湍流扰动了的波前经接收望远镜
27、后首先到达高速倾斜镜，高速倾斜镜对大气扰动的整体倾斜误差进行校正。如果不考虑高速倾斜镜本身的误差，它可去除由大气湍流效应带来的波前扰动误差的87，即此时波前误差的低阶项基本得到了消除。消除了低阶项的波前到达变形反射镜后，变形反射镜对波前扰动中的高阶像差，如球差、慧差、像散等进行校正。高速倾斜镜和变形反射镜校正后的近于理想的波前经波片改变其偏振态后（目的是实现发射与接收的隔离），再经偏振分束器、孔径光阑到达分光镜，绝大部分光束经分光镜后被接收机所接收，小部分光经分束后到达波前探测器。波前探测器将探测到的波前信息传递给波前控制器，波前控制器根据得到的波前信息完成波前的重构，并将控制信号输出到控制单
28、元去控制高速倾斜镜和变形反射镜工作。图5 含有自适应光学装置的空间激光通信系统总体布局自适应光学系统对激光束波前扰动的校正效果与系统的时间带宽、空间带宽、时间延迟、探测噪声等因素有关。要尽量使变形反射镜工作带宽高，自然谐振频率高，能满足一定的波前校正动态范围23。自适应光学系统具有良好的性能，除应适当地选取系统的空间带宽和时间带宽外，还必须使系统的时间延迟尽可能短，探测噪声水平尽可能低。在克服大气对激光传输影响的方法中，采用自适应光学技术被视为目前最有效，也是最有实用前景的方法。3.3 大气激光通信链路性能在进行空-地激光通信系统链路设计时, 首先应对子系统级指标进行大致分配。分配的目的是在各
29、子系统性能参数要求能实现的基础上, 首先确保接收机接收到的经大气信道传输后的光功率能满足接收机灵敏度的要求；在此基础上再进行各子系统内部较为细化的指标分配，同时根据具体实现技术的设计及研制反馈结果来协调各部分的指标，尽量提高整机性能, 优化设计5 。指标分配的依据可根据空-地激光通信系统链路方程13: , （37）式中, p 0 为发射机发射功率；p r 为接收机上接收到的功率；和分别为接收天线及发射天线的天线效率；r为激光传输的总长度(正常接收情况下，发射端机和接收端机之间的距离， rr1)；为激光光束的发散角；D为接收天线口径；为大气信道对激光传输产生衰减的衰减系数；r1为激光传输通过大气
30、信道的长度11。大气对光束传输的影响主要包括大气吸收、散射造成的能量衰减和大气湍流产生的附加调制，因此可将大气信道分为大气衰减信道和大气湍流信道。通常以大气衰减系数表示大气衰减信道，而大气湍流信道则以电流噪声的形式描述其效应。一般地，大气激光通信链路方程为 , （38）其中，Pr和Pt分别是接收和发射光功率，D为接收口径，L为通信距离，Tr和Tt分别是接收和发射光学系统透过率，t为激光束散角，为大气衰减系数，对于1550nm激光波长，有= 2. 14/ V，V为能见度12。对于保持链路所允许的最小接收光功率P0 ,有： , （39）取P0 = Pr ,代入式(34)，得到： , （40）其中，
31、R为最大通信速率，Ep = hc/,为单光子能量，h=6.610 34，为普朗克常量，Nb 为接收灵敏度。定义链路功率余量M ,有： M = 10 log , （41）即M=10logPrP0,将式(34)、(35)代入式(36),得到: M = 10 log , （42）4. 大气激光传输的应用研究与传统的无线电通信手段相比，激光大气通信具有安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。此外，激光大气通信系统跟其他无线电通信手段相比，还具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设备、保密性强等特点，并且在
32、有效通信距离和宽带等方面还蕴藏着巨大的发展潜力15。激光大气通信的应用在军事领域更是十分广泛，可以架在高山之间完成边防哨所和森林观察的通信；可以临时架设解决必要的通信及计算机联网或作为移动通信的转接站；可以架设在海岸、江河、岛屿或舰船上实现短距离保密通信；同时，其方便快捷和保密性好的优势，还非常适应战场移动指挥的通信需要。4.1 大气激光传输在军事上的应用1989年，美国成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统；1990年，又实验成功适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信；90年代初，俄罗斯随着其大功率半导体激光器件的研制成功，也开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。随后，便推
33、出了新型的半导体激光大气通信系统，并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市得以应用。俄罗斯有关专家普遍认为，半导体激光大气通信系统在一定视距内有效地实现全天候通信是完全可能的，很有军事潜力。4.1.1 汽车间的大气激光传输应用现代战争中,战车之间存在视距内的敌我识别问题。由于大气激光通信除了具有无线电通信的优点外，还具有方向性强、保密性好、反侦听、电子对抗能力强等优点，国内外开展了将大气激光通信用于车辆间移动通信的研究，如在车辆间的敌我识别等的应用。车辆间大气激光移动通信的特点是通信距离相对较短，数据容量小，而对通信的要求是可靠性必须高。 因此，在车辆间大气激光通信系统中,选取调制方式的原则是：在保证
34、一定误码率的前提下,尽可能的降低功率损耗，并能够考虑到激光器发射特性以及在实际系统中实现的可能性17。本文在分析当前常用激光通信调制方式的各项性能后，提出一种改进的PPM调制方式H2PPM调制，该方式在继承标准PPM的优良误码特性的同时，在接收端解调时不需要符号同步，从而大大简化了接收机的设计，使系统更容易实现。理论计算和仿真结果表明，H2PPM 调制更适用于车辆间大气激光移动通信。根据移动车辆间大气激光通信的特点及其对调制方式的要求，并以此作为选择调制方式的依据.表1 是车辆间激光大气移动通信与固定点激光大气通信特点的比较性能指标固定点间通信移动车辆间通信误码率低高敌我识别错误会造成误伤频带
35、宽度宽通信内容为一些特殊信息,如敌我识别的口令等,对频带要求较低能量利用率高受车载条件的限制越高越好从表1可以看出，车辆间激光大气移动通信对误码率提出较高的要求，且要求能量利用率尽量高，而对频带宽度要求不高。因此，综合上面所有的调制方式，H2PPM比较符合其要求。首先，H2PPM的包误码率最低，而且由于它的符号长度是固定的,可以消除误码积累。另外与DPPM和PPM相比，H2PPM的符号具有特定起始序列，因此在接收端不需要符号级同步，降低了系统的复杂度。 4.1.2 无人机侦察 无人机在战争中的作用令世人瞩目，在和平时期，也是收集情报的重要手段之一。探测和跟踪无人机成为一项重要的军事课题。由于材
36、料制作等方面的原因，雷达很难探测到无人机18。利用无人机在过顶飞越时，激光对它有最大反射截面(LCS)和激光垂直向上只有极小大气衰减的原理。 4.2 大气激光传输仪器的使用4.2.1 大气传输激光通信演示仪 运用辉光放电气体激光器进行大气传输激光通信, 是现代先进的通信手段的大气传输激光通信演示仪。 激光通信中把欲传输信息加载于激光辐射过程称激光调制, 从已调制激光中还原出所加载信息的过程称激光解调。由于光检测器直接响应光强的变化, 激光调制多用强度调制。仪器采用的是以电流调制技术为基础的直接强度调制, 调制信号为正弦波, 音频、视频等基带信号,已调制激光为连续振荡光波14 ,表达式为： ,
37、（43）式中I(t)为光强，A0,为激光震荡振幅、角频率、Kp为比例系数，a（t）为调制信号。He-Ne激光器电流调制内部机理较复杂, 通过求解He-Ne激光器微小交流分量速率方程, 得到小正弦信号下放电电流交流分量i和一个模输出光功率交流分量W的关系式。公式表明W/i直接与直流放电电流（工作点）i0、调制频率f有关。与激光器9个内部参数有关，这些参数有关。公式计算和测试表明，工作点i。确定后, 电流调制度较小时，已调制激光波形和放电电流波形有近似线性关系。通过电路将信号强迫调制到激光器放电电流上，即可使输出的调制光强按信号规律变化。激光器输出调制光强与调制电流频率有关，进行宽带信号传输时，需
38、对激光器调制频率特性进行补偿。 发射机用180mmHe-Ne激光器, 不装光学天线，激光束有一发散角，光斑面积随距离增加而扩大, 接收机因光检测器受光面积有限接收光强迅速衰减；视频信号传输最远距离20m。发射机输入25Hz到2MHz幅值不变的正弦信号，用示波器、失真度仪观测接收机输出波形，测仪器通信带宽。传送音乐信号，从接收机喇叭或外接嗽叭听音响效果。传送电视图象信号，调节接收机交流增益，从输出端监视器看电视图象，因激光器调制频率特性的影响，图象清晰度有限。激光通信受大气影响，演示时在光路上制造局部烟雾、水雾和空气扰动，从监视器图象和喇叭声音变化可察觉到它们的影响。4.2.2 大气激光传输的跟
39、踪系统 跟踪系统在军事应用广泛，跟踪系统的跟踪目标要瞄准，瞄准的目的是确保接收端能正常接收山对方站的发射光束所传送的信息激光通信机双端是否相互瞄准，其最终判据是通信机双端的接收天线光轴与对方站发射光束指向之间所存在的偏差量。是否被限制在给定的允许误差范围之内，即满足是给定的允许不确定立体角，且必然小于发光束的空间角，如发射光束的束散角口，瞄准的实质是实现空间两点向量的准共线, 所以瞄准过程必然是双端进行的，而且各自均要求有反馈信息当然，自动瞄准系统工作的先决条件必然是双端各自被包含在对方天线可指向的立体兔几之内，即满足自动瞄准的充分条件。光信号经光学系统投射到四象限光电探测器的光敏面上形成一个光点17。所用的光电探测器为四象限硅光电池探测器，它是在同一芯片上做出的1、2、3、4四个探测器，中间有十字型沟道隔开，每个探测器是一个独立的探测器，4个探测器具有相同的性能参数。当光照射到四象限光电探测器上时，经前置放大器放大，单片机通过A/D转换分别得到探测器1、2、3、4输出的电压信号V1、V2、V3、V4，根据各探测器电压信号的大小，确定光点位置(X, Y)。为了补偿对角方向上两象限探测器的不对称性，设计中采用平衡电阻进行调节，运算电路采用双端输入差动放大器，这时 Vx=, (44)