一、概述

自由空間光通信（FSO：Free Space Optical Communication），或稱無線光通信、無纖光通信，這是以激光作為信息載體，不需要任何有線信道為傳輸媒介的通信方式，可用于空間及地面間通信。其傳輸特點(diǎn)是光束以直線傳播。

FSO技術(shù)以小功率的紅外激光束為載體在位于樓頂或窗外的收發(fā)器間傳輸數(shù)據(jù)。這種紅外光不傷眼睛，傳輸距離受氣候條件影響，從幾百米到幾公里不等。

與大多數(shù)低頻段電磁波不同的是，300GHz以上的電磁波頻段的應(yīng)用在全球都不受管制，而且可以免費(fèi)使用，唯一的限制是設(shè)備功率不能超過國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)規(guī)定的功率上限（IEC60825-1標(biāo)準(zhǔn)）。在美國(guó)，與該標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的規(guī)章是食品與藥品管理局下屬的放射設(shè)備衛(wèi)生中心頒布的有關(guān)規(guī)定。

FSO設(shè)備有兩種工作波長(zhǎng)：850納米和1550納米。850納米的設(shè)備相對(duì)來說很便宜（從30美元到1000多美元不等），一般應(yīng)用在傳輸距離不太遠(yuǎn)的場(chǎng)合。工作在1550納米波長(zhǎng)的FSO設(shè)備的價(jià)格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現(xiàn)。1550納米的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網(wǎng)膜，因此，相關(guān)安全規(guī)定允許1550納米波長(zhǎng)設(shè)備的功率可以比850納米的設(shè)備高2個(gè)等級(jí)。功率增大，不但可以增加傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸速率，還有利于消除惡劣氣候條件（如大霧天氣）給傳輸帶來的不良影響。

二、自由空間光通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

FSO網(wǎng)絡(luò)主要有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)（星形）和格形網(wǎng)，也可以把它們組合起來使用。這3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)匯總在下表2內(nèi)。

表2：FSO網(wǎng)絡(luò)主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

三、自由空間光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

1、光源部分

由于大氣性能的影響，進(jìn)行激光空間通信時(shí)必須考慮激光的功率和傳輸頻率等特性。目前應(yīng)用于通信系統(tǒng)的激光器有半導(dǎo)體激光器、固體激光器如 YAG激光器、氣體激光器等。半導(dǎo)體激光器可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.06μm的激光，這是大氣的一個(gè)低損耗窗口，因而可以有效減少激光傳輸中的衰減。此外半導(dǎo)體激光器具有體積小、轉(zhuǎn)換效率高、成本低并可直接調(diào)制的特點(diǎn)，放實(shí)際通信系統(tǒng)一般均采用半導(dǎo)體激光器作光源。

2、發(fā)射與接收部分

發(fā)射與接收是空間激光通信系統(tǒng)中最重要的部分，包括調(diào)制（解調(diào)）器、光發(fā)射（接收）天線及探測(cè)放大等裝置。發(fā)射機(jī)主要是完成信息對(duì)光源的調(diào)制，并通過光學(xué)天線發(fā)出承載信息的激光，而接收機(jī)用來接收信號(hào)光、進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過放大、解調(diào)等處理完成通信任務(wù)。

3、對(duì)準(zhǔn)、捕獲、跟蹤系統(tǒng)

激光空間通信與微波等無線通信方式不同，是近似的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，所以發(fā)送光必須準(zhǔn)確地到達(dá)接收機(jī)探測(cè)器上。其對(duì)準(zhǔn)（Pointing）、捕獲（Acquisition）、跟蹤（Tracking）的含義詳見下表3-3。在進(jìn)行空間激光通信時(shí)，要盡量減少信道中的衰減和干擾因素的影響，同時(shí)要求通信具有較高的傳輸碼率和較高的保密性能。由于自由空間信道具有隨機(jī)的不穩(wěn)定性，所以通信系統(tǒng)必須具有實(shí)時(shí)調(diào)整的ATP來適應(yīng)不斷變化的條件。

表3-3：對(duì)準(zhǔn)、捕獲、跟蹤的含義

四、FSO網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

1、高功率激光器技術(shù)

自由空間光通信系統(tǒng)對(duì)激光器的要求遠(yuǎn)高于光纖通信，主要有如下表4-1所示的三個(gè)要求。

表4-1：FSO通信系統(tǒng)的特殊要求

通常信標(biāo)光源（采用單管或多個(gè)管芯陣列組合，以加大輸出功率）要求能提供在幾瓦量級(jí)的連續(xù)光或脈沖光，以便在大視場(chǎng)和高背景光干擾下快速、精確地捕獲和跟蹤目標(biāo)。信標(biāo)光的調(diào)制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲，以克服背景光的干擾。信號(hào)光源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導(dǎo)體激光器，但要求輸出光束質(zhì)量好、調(diào)制頻率高（可達(dá)到幾十兆赫茲至幾十吉赫茲）。貝爾實(shí)驗(yàn)室已研制出調(diào)制頻率高達(dá)10GHZ的光源，而國(guó)外用于大氣激光通信的半導(dǎo)體激光器和接收器件已實(shí)現(xiàn)商品化。就發(fā)射功率和探測(cè)靈敏度而言，完全能滿足15km以內(nèi)的自由空間光通信系統(tǒng)的需求。美國(guó)、日本及俄羅斯等國(guó)都相繼推出了適于半導(dǎo)體激光大氣通信的大功率器件（含組合激光器件），連續(xù)輸出光功率從數(shù)十毫瓦到數(shù)瓦，脈沖輸出時(shí)有些組件的峰值功率可達(dá)10W的量級(jí)。

2、光學(xué)天線技術(shù)

構(gòu)成光學(xué)天線的主要方式為：收發(fā)結(jié)合式、收發(fā)分離式和收發(fā)合一式。為完成系統(tǒng)的雙向互逆跟蹤，光通信系統(tǒng)均采用收、發(fā)合一天線，隔離度近100％的精密光機(jī)組件（又稱萬向支架）。收發(fā)分離式是俄羅斯用得較多的方式。由于半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量一般較差，因而要求天線增益要高。此外為適應(yīng)空間系統(tǒng)，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學(xué)元件）總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。國(guó)際上現(xiàn)有系統(tǒng)的天線口徑一般為幾厘米至25cm。在天線光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，國(guó)外有效地采用了自適應(yīng)變焦技術(shù)以解決大氣信息道傳輸特性隨機(jī)變化時(shí)對(duì)通信產(chǎn)生的不利影響。實(shí)踐證明，自適應(yīng)變焦技術(shù)是一項(xiàng)有效的實(shí)用技術(shù)。在光學(xué)天線架設(shè)的技術(shù)上，高效率地安裝校準(zhǔn)裝置和方法已經(jīng)試驗(yàn)成功。收發(fā)天線應(yīng)達(dá)到體積小、重量輕、光學(xué)特性好、便于安裝和調(diào)校的要求。俄羅斯的科技人員曾僅需幾分鐘就可將一對(duì)半導(dǎo)體激光大氣通信系統(tǒng)的天線架設(shè)好并使系統(tǒng)開通工作。

3、自動(dòng)跟瞄技術(shù)

自動(dòng)跟瞄技術(shù)在機(jī)動(dòng)性要求高和工作平臺(tái)方位穩(wěn)定性差的場(chǎng)合中具有良好的性能。在該系統(tǒng)中最重要的PAT方案中，美國(guó)TI6rmoTrex研究所提出的采用原子濾光器的方案相當(dāng)成熟。在接收端采用性能優(yōu)異的超窄帶寬的原子濾光器可以展寬視場(chǎng)角，所以衛(wèi)星接收端能很容易地捕獲發(fā)射激光束。而且原子濾光器對(duì)太陽(yáng)背景輻射有很強(qiáng)的抑制作用，發(fā)射端的信標(biāo)信號(hào)光不會(huì)淹沒在強(qiáng)噪聲中，衛(wèi)星接收端就可以捕捉并跟蹤鎖定在另一顆衛(wèi)星的發(fā)射光束上，然后進(jìn)行高碼率的通信。

1）捕獲（粗跟蹤）是在較大視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲目標(biāo)，捕獲范圍可達(dá)±1°～±20°或更大。通常由陣列CCD實(shí)現(xiàn)，并與帶通光濾波器、信號(hào)實(shí)時(shí)處理的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成粗跟蹤即目標(biāo)的捕獲。粗跟蹤的視場(chǎng)角為幾個(gè)毫弧度，靈敏度約10PW，跟蹤精度為幾十毫弧度。

2）跟蹤、瞄準(zhǔn)（精跟蹤）是在完成目標(biāo)捕獲后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和實(shí)時(shí)跟蹤。通常由四象限紅外探測(cè)器QD或Q-APD位敏傳感器，并配以相應(yīng)的電子學(xué)伺服控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。精跟蹤要求視場(chǎng)角為幾百微弧度，跟蹤精度為幾個(gè)微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。

4、信道分析及壓縮編碼技術(shù)

在自由空間通信中，信道的性能以及許多外界的干擾均會(huì)對(duì)通信質(zhì)量及性能產(chǎn)生很大影響，因此在通信系統(tǒng)傳輸中需采用必要的信號(hào)分析及信號(hào)壓縮編碼技術(shù)。通常自由空間信道都是隨機(jī)的。尤其是大氣中的氣體分子、水霧、雪、雨、氣溶膠等粒子，其幾何尺寸與半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)相近甚至更小，這就會(huì)引起光的吸收和散射。特別是在強(qiáng)湍流的情況下，光信號(hào)將受到嚴(yán)重干擾甚至脫靶。因此保證系統(tǒng)在隨機(jī)信道條件下的正常工作對(duì)自由空間通信系統(tǒng)的工程化研究十分重要。實(shí)驗(yàn)證明，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以較好地解決這一問題，并已逐漸走向?qū)嵱没榱嗽谧杂煽臻g光通信目前還十分有限的調(diào)制帶寬內(nèi)（尤其是大功率下的有限帶寬）更大容量地傳輸多路信號(hào)提供保證，信號(hào)壓縮編碼技術(shù)發(fā)展迅速，其中被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”的小波技術(shù)由于具有優(yōu)良的時(shí)頻分析能力及變焦性能，因而能有效地應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮。結(jié)合分形理論，從空間數(shù)據(jù)的組織特點(diǎn)和信息特征出發(fā)，利用小波理論進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮將成為空間數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。此外還需建立網(wǎng)上空間數(shù)據(jù)（特別是影像數(shù)據(jù)）的壓縮和解壓縮模型，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的無約束通信。

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