6 無線激光通信的發展與前景

04-21

筆者近兩學期正在從事一個關於光通信的創新項目，這篇文章是基於項目剛開展時所查資料寫的，當時是為了應付一篇課程論文。

摘要：無線激光通信以激光束作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質。最簡單的無線通信系統可以被歸結為發射和接收兩個主要子系統。大氣信道特性使得激光在大氣中傳輸有衰減，大氣湍流效應會引起激光在傳輸過程中在時間和空間上的隨機起伏。在激光通信中,瞄準捕獲與跟蹤系統(APT)至關重要,決定著通信鏈路的建立速度、維持能力以及通信質量。在國外基於大氣激光通信的研究主要綜合了地面、飛機、衛星等方面進行，在這方面，美國、日本、歐洲處於領先地位。國內在基於大氣激光通信的系統研究方面起步較晚，不過近年來進展迅速。無線激光通信還有很多潛在的應用場景，如深空光通信、水下激光通信、單兵無線激光通信等。

關鍵詞：自由空間光通信，大氣光學，捕獲、瞄準和跟蹤

1 簡介

現有網路通信的發展已經相當全面，骨幹網和光纖網路已經基本覆蓋了我們的很多高速通信場合。這些基於有線的通信網路具有高帶寬、抗干擾能力強等優點，具有很強的業務提供能力，為我們提供了豐富的通信內容，包括數據、語音、視頻等。但是這些網路大多數還是基於有線網路，在應急通信或者存在地理環境阻隔等場合存在靈活性差的缺點，需要採用其它通信方式來彌補，而無線激光通信是一種非常適合的通信方式。

無線激光通信又被稱為FSO（Free Space Optical,自由空間光通信〕，是一種以自由空間為傳輸信道的通信方式，具有高碼率、高帶寬、靈活等優點。無線激光通信根據自由空間信道的不同可以劃分為大氣激光通信、水下激光通信等等。[1]

無線激光通信以激光束作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質。早期，無線激光通信的研究與應用集中於航空航天和軍事國防領域。隨著各方面技術的發展，無線激光通信逐漸應用於上用地面通信，整體的工藝也在日臻成熟。

公元前七百多年，我國就已經使用烽火台進行了或光通信。這可以認為是一種建議的通信系統——信號源時烽火；調製方式是「點燃—熄滅」的二進位編碼；傳輸介質是大氣；接收處理裝置是人眼與人腦。當然，這種原始的方式有許多缺點：易受天氣干擾、難以保密、信息量低、傳輸距離短。

到了1880年，貝爾研製成功第一部光學電話，採用弧光燈作為信號源，使用話筒薄膜作為調製器，光電池作為接收器。在二戰期間，人們在貝爾光電話的基礎上進行了改進，實現了五英里級別的無線光通信。為了增強保密性，光源被換為紅外線。[2]

20世紀60年代，高錕和G.A.Hockham在一系列論證後提出了基於光纖的遠距離通信方案。他們語言光波導材料的衰減率可以被優化至20dB/km，光纖每秒能夠傳送十億位數字信號。果然，四年後材料技術達到了指標要求，光纖通信開創了人類光通信的新紀元。

目前，衛星間主要藉助微波進行通信。受制於體積，深空干擾等因素，其超大容量的無線通信只能通過發展衛星間光通信解決。衛星間激光通信具有高可靠性、高碼率、信道容量大等優點。同時，激光散射角度極小，可以節省功耗，提高通信質量，並且具有保密和抗干擾能力。下表展示了微波和激光的波長對比。

無線激光通信的應用主要包括三個方面：

（1）衛星間，星地間遠程大容量通信；

（2）島嶼間，樓宇間，江河兩岸短距通信，或者用於解決光纖入網的「最後一公里」；

（3）水下通信，潛艇間通信等

2 無線激光通信的基本原理

2.1 無線激光通信的系統組成

最簡單的無線通信系統可以被歸結為發射和接收兩個主要子系統。無線激光通信的收發系統也類似，如下圖所示：

無線激光通信概念圖

待傳送的信號經過編碼器編碼以後，載入到調製器的激勵器上，調製器的激勵電流就隨著信號的變化規律而變化。激光的輸出信號經過調製器調製以後，強度、香味和偏振就會按照相應地規律變化。最後經過光學天線變換為發散角很小的已調光向空間發射出去。接收端接收到已調光束之後，首先經過光檢測器轉換成射頻電流，然後饋入射頻檢波器，最後由解碼器解調出原來的信號。光學天線就是望遠鏡，相比於無線電通信的天線更加輕便緊湊。

2.2激光的傳播

在發射機和接收機之間，是一段傳播路徑，稱之為信道。大氣激光通信系統光源發射的激光束強度服從高斯分布，根據高斯分布的概率密度函數可知，在激光束中心的光強強度是最強的，然後從中心向周邊的光強強度會呈現出指數下降。[3]沿著激光光束傳輸的方向建立Z軸，可知高斯光束的光場強振幅分布可以用公式(1)描述，光束的束腰中心為Z軸的原點:

$E(r,z)=frac{A_{0}}{omega(z)}e^{frac{-r^{2}}{omega^{2}(z)}}$ (1)

公式(1)中的 $omega(z)$ 表示高斯激光束在z點處的光斑半徑，其中z為高斯激光束沿著Z軸傳播的距離，r為激光截面上的某點到Z軸的垂直距離。根據高斯激光束的傳播形式，可以得到它的光斑半徑公式如下：

$omega(z)=omega_{0}sqrt{1+(frac{zlambda}{pi omega_{0}^{2}})^{2}}$ (2)

上式中 $lambda$ 為激光的波長， $omega_{0}$ 為高斯激光束的初始光斑半徑。這裡的通信距離對於高斯光束而言是屬於遠場情況，即z遠大於 $frac{pi omega_{0}^{2}}{lambda}$ ，從而可以得到高斯激光束的遠場發散半形公式如下：

$heta=frac{lambda}{pi omega_{0}}$ (3)

在遠場條件下,對於高斯激光束而言，可以計算激光通過光學發射天線發射後，在接收端經過光學接收天線匯聚，最終得到的高斯光束的激光發散角 $heta$ 和光斑直徑 $ar{omega}$ 分別為:

$heta=frac{2lambda}{pi omega_{0}}$ (4)

$ar{omega}=2omega(z)=frac{2lambda z}{pi omega_{0}}$ (5)

假設大氣激光通信系統的發射功率和接收靈敏度已經確定，那麼整個系統的通信能力和通信質量在很大程度上就是由激光傳輸效果決定的。由公式(1)可以看出，激光發射功率密度與高斯激光束的光斑直徑成反比，那麼在接收天線接收口徑不變的條件下，可以得到激光發射光束的光斑直徑越小，激光發射功率密度越大，與此同時激光傳輸距離越遠。由公式(4)和公式(5)可以看出，我們要想減小高斯激光束的光斑直徑，可以採用準直擴束的方法，即

通過增大激光發射光束的光斑半徑從而減小激光發散角，從而增加激光傳輸距離。

2.3 大氣對激光的削弱

大氣激光通信最大的特點就是大氣信道特性，它決定了大氣激光通信系統中存在的問題。一方面，大氣中的各種顆粒物和各種複雜的氣象現象對激光在大氣中傳輸都有衰減作用，這會造成激光功率快速減小，同時也會導致激光傳輸方向的偏離，影響了激光的準直特性。大氣中的一些氣體分子對激光具有選擇性吸收作用，懸浮顆粒會造成激光散射作用，導致激光衰減。如下圖所示：

另一方面，大氣信道的另一個明顯特徵就是存在大氣湍流效應。大氣信道中存在大氣湍流效應的主要原因是隨機的微小溫度變化會導致風速的隨機變化。大氣湍流效應會引起激光在傳輸過程中在時間和空間上的隨機起伏，主要表現為激光折射率的隨機起伏和激光截面內的強度的隨機起伏。激光傳輸過程的大氣湍流現象還會引起光束抖動、強度抖動、光束擴展、像點抖動等現象，對大氣激光通信系統的通信質量產生了嚴重的不利影響。

2.3.1 大氣折射

空氣折射率n與光波波長，空氣溫度T，濕度e，壓強p和高度h有關，可表示為：

$n=1+N(lambda,T,p,e,h)$ (6)

其中N為折射率模，在標準大氣狀況下，T=288.15K，p=1.01325*105Pa，e=0，此時有Cauchy色散公式：

$N_{0}=frac{a}{frac{1}{lambda_{0}^{2}}-frac{1}{lambda^{2}}}$ (7)

近似地可以表達為：

$N=frac{0.79p}{T}$ (8)

激光在大氣傳輸過程中，由於折射率的分布不均將產生彎曲，其曲率C取決於折射率的垂直梯度 $frac{partial d}{partial n}$ 。在近地面情況下，主要受溫度影響。人們在炎熱天氣中看到的光滑路面上的「水面」就是由溫度梯度異常造成的「下現蜃景」。

2.3.2 大氣吸收

激光在大氣中傳輸時，因與大氣相互作用而衰減。光強I的變化規律服從Beer定律：

$I( u,z)=I_{0}( u)e^{-(alpha+s)z}$ (9)

式中 $I_{0}( u)$ 為參考光強， $alpha$ 和s分別為吸收係數和散射係數， $(alpha+s)$ 稱為消光係數。大氣對激光的吸收是由分子吸收光譜特性決定的。大氣分子的吸收特性較為複雜，且吸收係數強烈依賴於頻率。完整描述任何一種氣體分子的吸收特性應包含頻率，譜線線型和強度。

2.3.3 大氣散射

激光在大氣中傳輸時，大氣分子和氣溶膠粒子會對光產生散射輻射的頻率與入射輻射的頻率相同，而且光子能量無損失時稱為彈性散射。

光束散射光譜示意圖

激光由地面向空中傳播時，散射係數是高度的函數，分子和氣溶膠粒子的散射係數都隨高度呈負指數規律變化，隨高度增加而迅速變小。

3 瞄準捕獲與跟蹤(APT)

在激光通信中,瞄準捕獲與跟蹤系統(APT)至關重要,決定著通信鏈路的建立速度、維持能力以及通信質量。

3.1 APT系統的組成與原理

快速、精確的ATP技術是保證無線激光通信的必要核心技術。ATP系統的作用是在接收端探測發射端發出的信標光，並對其進行捕獲、跟蹤，然後返回一信標光到發射端,藉以完成點對點的鎖定,在兩端間建立通信鏈接。

然後，雙方用通信光速開始傳輸數據，實現通信。在整個通信過程中，這一鏈接需一直保持。如因某種原因鏈接斷開，這就需要 ATP系統儘快重新進行捕獲、跟蹤和瞄準。典型ATP系統一般採用複合控制系統結構，它可分為粗瞄準機構、精瞄準機構、預瞄準機構、控制及感測器電子學系統等。

粗瞄準機構一般包括二維萬向轉檯、望遠鏡、 CCD感測器等器件 ,具有低的伺服帶寬，大的動態範圍。在粗瞄準機構中 ,採用兩路交流力矩電機驅動的二維萬向轉檯實現水平角和俯仰角定位，由CCD感測器檢測光信號作為角位置反饋。在捕獲階段，它工作在開環方式下，它接收信號，將望遠鏡定位到對方通信終端的方向上，以便來自對方的信標光進入捕獲探測器的視場。在粗跟蹤階段 ,它工作在閉環方式下，根據目標在探測器上的位置與探測器中心的偏差來控制萬向架上的望遠鏡。

精瞄準機構具有高的伺服帶寬，窄的動態範圍，它利用壓電陶瓷驅動二維偏轉鏡實現水平角和俯仰角的角度精調，採用四象限光電二極體APD分別作為信標光角位置探測器和信號光角位置探測器。它工作在閉環方式下，根據精瞄探測器的誤差信號，控制二維快速偏轉鏡，跟蹤入射光束。預瞄準機構由偏轉鏡和四象限APD感測器構成。收發端在某一時刻的位置和速度可通過監測手段和動力學方程進行預測。採用開環控制方式 ,使出射光預先偏離入射光相應角度 ,從而使出射光可精確地瞄準對方。下圖為空間光通信中 ATP系統的組成框圖。

3.2 APT系統的關鍵技術

3.2.1 精瞄偏轉鏡

用於精瞄準機構的壓電陶瓷驅動的二維偏轉鏡採用兩塊內置電阻應變片式感測器壓電陶瓷，壓電陶瓷分別分布在兩條偏轉軸上，且到兩偏轉軸交點的距離相等。兩條相互垂直的偏轉軸是由兩個相互垂直的柔性鉸鏈機構形成的。當一塊壓電陶瓷輸出位移時，將使工作台產生一定的偏轉。通過壓電陶瓷驅動柔性鉸鏈槓桿結構，實現了工作台的偏轉或微位移的放大，極大地拓展了壓電陶瓷驅動器的應用領域，並保證了運動平穩、無間隙、無機械摩擦、高位移解析度。[4]

3.2.2 閉環控制器

由於ATP系統維修費用極高，因此必須選擇成熟、可靠性高、簡單有效的跟蹤控制演算法。在國外為衛星激光通信設計的APT系統中，其跟蹤控制器都採用比例積分或比例積分微分控制演算法 ,如日本的 LCE激光通信實驗裝置採用模擬電路來實現PI控制，歐空局(ESA)的 SILEX實驗裝置採用DS來完成數字PI控制。下圖是一種用於APT的簡易閉環控制系統。[5]

4 無線激光通信系統的現狀與未來

4.1 國內外發展狀況

在國外基於大氣激光通信的研究主要綜合了地面、飛機、衛星等方面進行，在這方面，美國、日本、歐洲處於領先地位。由於它們的研究是以軍用為主要目的，因此美國、歐洲、日本的主要研究機構都是國家或者軍事部門，如美國的航空宇宙航行局、日本的宇宙開發事業團和歐洲的航天署等。

1995年，美國宇航局選擇了噴氣推進實驗室完成了基於大氣激光通信的系統演示，數據速率可達750Mbps 。美國的戰略導彈防禦組織研製出了激光通信的終端設備，然後進行了通信距離為42km，數據速率為1Gbps，誤碼率為的24小時跟蹤掃描實驗。

歐洲航天署從80 年代後期開始，確立了一項非常龐大的研究計劃，即SILEX系統研製計劃，能夠實現在兩顆衛星間建立實驗性的激光通信鏈路。儘管由於非技術上的原因使得SILEX計劃的研究變得緩慢，但是其設計者宣稱已經可以設計出小型、高效、成本低的實用化衛星間激光通信端機。

國內在基於大氣激光通信的系統研究方面起步較晚，不過近年來進展迅速，取得了很多研究成果，在這方面的主要研究機構有哈爾濱工業大學、清華大學、中科院、華中科技大學、西安理工大學等等。

在 2002年，哈爾濱工業大學激光通信研究所研製成功了國內第一套激光鏈路模擬實驗系統，這一系統可以模擬激光鏈路的整個發射和接收過程，並對通信指標進行測量。

在 2009年，西安理工大學進行了基於乙太網的大氣激光視頻傳輸系統的研製，實驗結果顯示該系統的通信距離可以達到3?5km，能夠實現24 小時全天候無間斷實時視頻網路數據通信。

4.2 現存的主要問題與難點

（1）成本高。基於大氣激光通信的系統研究大多集中在軍用領域，而在民用領域也基本集中在大型公司。其主要原因是光電子器件（半導體激光器、光電探測器、光學收發天線等）的成本很高，而這些器件在很大程度上決定了系統的性能。

（2）發射功率有限。對於激光產品都有人眼安全限制，但是激光發射功率直接決定了設備的傳輸距離，並且激光器發射功率和調製頻率是相互制約的，即大功率激光器的調製頻率不能做到很高。半導體激光器的成本和溫度控制的難度也會隨著發射功率的增大變得越來越高。

（3）功能性不夠。主要表現在業務介面不夠豐富，不能同時提供多種數據類型的發送和接收，一般都是提供某種專用功能，需要豐富其功能性，提高設備的通用性。

4.3 未來發展

（1）深空光通信。在航天器測控和業務數據傳輸技術方面，我國目前主要採用低速率全向測控和高速率業務數據兩種信道。隨著航天技術的不斷發展，在軌衛星種類和數據不斷增加，衛星對業務數據的下傳需求已遠遠超出當前微波鏈路的傳輸能力。激光通信技術具有通信容量大、信道抗干擾性強、終端功耗低、體積小等優點，是公認的星間超高速信息傳送的有效手段之一。根據我國航天測控系統的現狀、國情及未來建立衛星網路系統的迫切需求，結合目前國外航天大國的定位技術及通信研究動態建立激光測控通信一體化系統，在實現激光通信同時實現星間的距離、速度測量及時間頻率傳遞，將大大提高空間測控系統的測量精度及信息傳輸速率，改變目前我國完全依賴地面微波測控系統的局面，我國才能在未來的衛星技術競爭中處於不敗之地。[6]

（2）水下激光通信。近幾年來經過研究，已經提出了解決水下激光通信的兩種設想方案。一種方案是在空間部署「激光反射衛星」。它的特點就是將激光器部署在地球表面的某個固定場地上，或者為了提高其生存能力, 還可以把激光器裝在可移動的平台上。它們產生的信號調製的激光射束將通過「激光反射衛星」上的激光反射鏡反射到大洋中的某些區域，為在深水中游弋的核潛艇提供通信服務。另一種方案就是直接使用「激光衛星」。它的特點就是把藍綠激光器裝在衛星上，而它的上行線路則採用射頻傳輸方式。

（3）單兵無線通信。隨著信息戰對抗手段的不斷進步與發展，傳統的微波通信已經不能滿足現代戰場的需求，而激光通信具有抗干擾，抗截獲，抗壓制的能力，愈來愈受到各國的高度重視。激光較強的單向性只能實現點對點的通信，同時要求光軸的對準精度較高。傳統的激光通信設備均為機械式粗跟蹤轉檯，不適於單兵通信。單兵手持激光通信機穩像系統，利用直接式陀螺穩定平台的穩像原理，克服了手臂抖動對激光通信機的影響，提高了瞄準精度，同時通信的反射光軸和接收光軸與瞄準視軸同軸，同步穩定，瞄準後即可保證通信光軸對準，適合單兵作戰的需要。

當然，無線激光通信還有很多潛在的應用場景。

5 結語

總體來說，激光通信最突出的優點是信道容量大、保密信號，顯然也有很多缺點和難點需要克服。上世紀末可以說是激光通信的黃金髮展時期，而隨著無線通信的發展，激光通信的受關注度逐漸下降了。不過，隨著科技的發展，激光通信的硬體單元能夠向著小型化、輕便化的方向發展，從而突出其優點，使之成為複雜電磁環境與特殊情境下的一種可靠的保密通信方式。

參考文獻：

[1] 柯熙政，席曉莉.無線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學出版社，2004.08：4-26.

[2] 張煦.20世紀通信演變過程回顧[J].光通信技術，2000，24（4）：243-249.

[3] 費海榮. 基於大氣激光通信的綜合業務通信平台設計與實現[D].南京：南京郵電大學，2016：8-10

[4] 邵兵,孫立寧,曲東升,王建國,秦昌. 自由空間光通信ATP系統關鍵技術研究[J].壓電與聲光, 2005,第27卷第 4期:431-444.

[5] 鄧天平.自由空間光通信系統關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學，2007：85-89.

[6] 姜會林,安岩,張雅琳.空間激光通信現狀、展趨勢及關鍵技術分析[ J]飛行器測控學報2015,34(3):207— 217