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基于激光天線(xiàn)語(yǔ)音通信系統的研制
電磁波作為無(wú)線(xiàn)通信的信號載體由來(lái)已久，至今仍廣泛應用于短波、微波、毫米波無(wú)線(xiàn)通信。但它們存在致命的缺陷：保密性差、通信容量低、波段資源受限制等。光纖通信以光作為載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)。由于光的頻帶資源十分豐富，故通信容量巨大，已成為現代通信的主體。但光纖通信網(wǎng)絡(luò )包括光端機、光纜等通信基礎設施的建設是事先規劃的、固定的，將會(huì )出現光纜沒(méi)有到達或光纜不便到達的地址，無(wú)法進(jìn)行光纖通信。早在二十世紀70年代，人們就開(kāi)始了激光大氣通信技術(shù)的研究，但由于當時(shí)光纖通信較為成功，激光自由空間的通信未能得到充分重視。近幾年來(lái)，由于移動(dòng)通信的需要和微波通信的帶寬限制，光自由空間的通信取得了很大的進(jìn)展。美國朗訊公司采用1.55μm波段的半導體激光器加光纖放大器（EDFA）作為發(fā)射光源，并采用波分復用結構，實(shí)現10Gbps容量的空間光通信。日本、歐洲等國家也報道了幾種空間激光通信裝置。我國電子科技大學(xué)采用二氧化碳激光器（10.6μm波長(cháng)，內腔式），實(shí)現定點(diǎn)雙工四線(xiàn)制三路電話(huà)的大氣通信（技術(shù)成果編號88210414）；中山大學(xué)激光與光譜學(xué)研究所采用音頻或數字信號的調幅激光制式工作實(shí)現大氣通信傳輸（技術(shù)成果編號89209283）。但它們都因通信容量低，在通信系統的結構上，沒(méi)有與其他通信設備（包括光纖通信、微波通信）的接口，故實(shí)用價(jià)值小。為解決上述問(wèn)題，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所報導了一種無(wú)線(xiàn)激光通信端機實(shí)現了與其它通信設施的接口（技術(shù)成果編號00217069.8），但由于該端機設備昂貴，未能得到廣泛應用。本文提出了基本激光無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信系統的研制，目的在于提供一種價(jià)格便宜、攜帶方便、同機具有激光信號發(fā)射和接收裝置，且激光接收裝置具自動(dòng)跟蹤激光發(fā)射裝置的雙工通信功能的設備。該設備發(fā)射裝置發(fā)出調制激光信號不僅可在自由空間傳輸，也能直接利用光纖作為載體傳輸，克服了在天氣惡劣情況下無(wú)法通信的缺陷；該設備信號傳輸容量大，可直接與光纖通信、微波通信網(wǎng)絡(luò )并網(wǎng)，并能靈活地適應各種場(chǎng)合的使用。
圖1 空間激光無(wú)線(xiàn)通訊系統原理框圖
1 總體方案設計
激光天線(xiàn)通信系統主要由激光發(fā)射裝置、激光接收裝置和光學(xué)望遠鏡三部份組成（如圖1所示）。其工作原理是：發(fā)射端的軸電纜通過(guò)高頻電纜與發(fā)射機碼型變換器相接；光纖適配器通過(guò)光纖與發(fā)射機光電轉換器相連；碼型變換器與光電轉換器均與制式選擇開(kāi)關(guān)相連，然后經(jīng)信號處理模塊進(jìn)行整形、放大、時(shí)鐘提取等處理，輸入激光驅動(dòng)器使激光器組件產(chǎn)生調制的激光光束，通過(guò)激光發(fā)射天線(xiàn)定向向空間發(fā)射。經(jīng)光接收天線(xiàn)收集的調制激光信號接進(jìn)探測器，轉換成信號輸入信號處理模塊，再接進(jìn)制式選擇開(kāi)關(guān)后分兩路：一路連接激光驅動(dòng)器，經(jīng)光纖適配器連接光纖通信線(xiàn)路；另一路則與碼型變換器相接，再接入同軸電纜至電傳輸線(xiàn)路上。對于本系統所設計的語(yǔ)音激光無(wú)線(xiàn)通信系統主要由圖2所示的各部分組成。
2 主要硬件的設計
2.1 激光器件的選擇
空間激光通信波長(cháng)選擇主要考慮：盡量避免太陽(yáng)輻射的影響、減小光束發(fā)射角、減小收發(fā)天線(xiàn)的尺寸、光波在大氣中的透過(guò)率以及器件的現實(shí)性或預期的可行性，包括器件性能價(jià)格比的預計。從激光天線(xiàn)通信的角度分析，大氣的透射率是個(gè)重要影響因素。在小于300nm的紫外波段，大氣的透過(guò)率急劇下降。顯然，紫外線(xiàn)光不利于大氣通信�？梢�(jiàn)波段的激光，例如二次倍頻YAG激光器，也不利于避免太陽(yáng)光引起的背景輻射噪聲。常用的激光波段有830～860nm、980～1060nm和1550～1600nm，都是良好的大氣窗口。
2.2 光發(fā)射與接收天線(xiàn)
由于光學(xué)天線(xiàn)的功能是將需傳輸的光信號有效地發(fā)向對方并將對傳來(lái)的信號光高效接收，因此，光天線(xiàn)的設計是在滿(mǎn)足總體設計的前提下，保證系統在設定的通信距離及大氣衰減時(shí)能正常工作，合理選取發(fā)射遠鏡的遠場(chǎng)發(fā)散角、接收望遠鏡的接收視場(chǎng)角及光學(xué)系統的其他參數。下面分別予以介紹。
（1）設計考慮
主要光學(xué)性能要求：高的光學(xué)質(zhì)量（λ/20RMS）；低的遮擋率；高的光透射率（T≥0.92）；低的散射光。此外，要求材料熱膨脹系數小、機械強度紡高、重量輕、使用壽命長(cháng)。
圖3 （a）光發(fā)射天線(xiàn)系統原理圖(b)光發(fā)射天線(xiàn)系統原理圖
光學(xué)設計考慮：為了滿(mǎn)足空間通信對天線(xiàn)的要求，筆者選擇卡塞格倫天線(xiàn)。主要包括：拋物面初級反射鏡；雙曲線(xiàn)次級反射鏡；聚焦鏡，使成像在天線(xiàn)結構的外部。
（2）性能分析
假設光源電場(chǎng)強度滿(mǎn)足高斯幅度分布，即
其中，ω為光腰大小，R表示曲率半徑。
利用非涅爾近似場(chǎng)區的輻射定律以及天線(xiàn)增益定義，得到觀(guān)測點(diǎn)(r，θ)處的天線(xiàn)增益值：
其中，
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