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浅析多波长自由空间激光通信技术

发表时间：2021/9/6 来源：《中国科技信息》2021年9月下作者：陈恋

[导读] 近年来，自由空间激光通信技术的发展十分迅猛。在大气中，自由空间激光通信系统会受到很多因素的影响。不同尺度的粒子、不同速度的湍流都会影响通信的效率。多波长自由空间激光通信技术是一种较前沿的光通信技术，在应用该技术传递信息时，通信的质量几乎不会受到大气运动的影响。

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摘要：近年来，自由空间激光通信技术的发展十分迅猛。在大气中，自由空间激光通信系统会受到很多因素的影响。不同尺度的粒子、不同速度的湍流都会影响通信的效率。多波长自由空间激光通信技术是一种较前沿的光通信技术，在应用该技术传递信息时，通信的质量几乎不会受到大气运动的影响。本文深入探讨了多波长自由空间激光通信技术的研究进展，以期为相关人员提供参考。
关键词：自由空间激光通信技术；多波长激光；干扰；分集技术
        1引言
        自由空间激光通信技术是一类非常重要的技术。应用强度高、方向性好的激光，人们可以高效地传递信息，进行洲际通信和地空通信。然而，大气中的许多粒子、各种湍流都会显著地影响激光通信的效率。具体而言，在建立大气自由空间光链路后，信号的强度会受到大气层中不同直径的粒子的影响。此外，湍流会导致信号迅速衰减，严重影响传输速度和信号的强度。一般而言，当数据传输速率为10–1000 Mbit/s 时，信号的衰减是非常明显的。在研究信号衰减的机制的过程中，一些研究人员发现，当激光束在大气中传播时，它会与大气中的湍流单元发生相互作用，这些湍流将以多种方式扭曲光束[1]。在研究湍流对光信号的影响时，研究者发现，湍流的剖面、横向风速和光的波长都会影响光信号的衰减程度。如何减小这些因素对光信号的影响，是一个非常重要的问题。
        事实上，科学家一直在寻找衰减率较低的自由空间激光通信系统。在探索的过程中，他们发现，选择合适的激光带宽和波长是非常重要的[2]。气溶胶和大气中的分子对不同带宽的激光、不同波长的激光的影响有显著的差异。一些研究者提出，在不同的时间发射同一种信号，可能有助于提高通信的质量。这些研究者假设每个光束在通过大气传播时受到不同的湍流的影响，当发射时间不同的光束在接收器处合并时，其中蕴含的信息能够“互补”，减小信号衰减对通信质量的影响。一些实验表明，该系统是比较可靠的，但是该系统的信息传递效率取决于传输路径上的湍流的特性和发射器孔径。多波长自由空间激光通信技术是另一项非常重要的新技术。在开发该技术的过程中，一些科学家尝试应用多种波长的激光实现激光通信，他们发现，该技术可以比较有效地减小大气湍流对通信质量的影响，通信信号在传输的过程中无显著衰减[3]。该技术在长距离通信中有着较为广泛的应用，其比特率高，发射功率要求低。
        2设计多波长自由空间激光通信系统时应考虑的因素
        2.1散斑的波长相关性
        应用多种波长的激光实现通信并不是一个全新的想法。事实上，早在六十年代后期，一些科学家就尝试应用这种技术传递信息。但是，他们并没有成功。当时，激光器的种类是有限的，人们只能利用少数不同波长的激光完成实验。这些激光的波长没有显著的差异，不能实现“信息互补”。在后续的研究中，人们发现，在进行多波长激光通信时，使用的激光的波长必须满足一定的条件。首先，两种激光的波长必须有显著的差异，它们的波前对湍流的响应也必须有显著的差异。在理想情况下，当一种激光发生衰减时，另一种激光应该能够激增，在组合两个信号时，人们可以得到功率更稳定的信号。
        尽管人们已多次观察到，可见光的闪烁比红外线（IR）的闪烁更强，但是，在进行理论分析时，他们发现，这两种激光的闪烁强度的归一化方差是相似的，闪烁指数并不总随波长的减少而增加[4]。渐近理论表明，在光波传播很远的距离时，平面波的闪烁指数几乎不会随波长的变化而发生变化。它不能反映不同强度的光的局部分布特点，在接收光束时，闪烁指数不能用于区分不同波长的激光。
        由于散斑本质上是一种干扰现象，接收器处散斑的角间距与波长成正比。不同波长的光束产生的散斑的尺寸、结构是不同的，如果把散斑尺寸作为接收光束时判断光的波长的主要依据，那么人们可以高效地区分不同波长的光。此外，人们可以适当地放大显著发生衰减的光，形成强度较稳定的“整合光束”，从而在进行多波长激光通信时，接收到强度较为稳定的激光，降低解码的难度。
        2.2光束路径的波长依赖性
        一些科学家提出，大气的温度、折射率、运动规律会影响激光的强度和激光的传播路径，且上述因素对不同波长的激光的影响是不同的。一些天文观测结果（如“绿色闪光”效应）也支持这一理论。
        在一定的条件下，波长不同的激光会在大气中沿不同的路径传播。大量实验表明，当来自相同的光源的两束波长不同的激光沿不同的路径传播时，路径之间的最大垂直距离与传播的环境有关。也就是说，大气的温度、运动规律会影响两束激光的传播路径。在确定激光的波长时，人们必须考虑与大气折射相关的光束分裂的影响。如果传播路径非常长，光束将穿过大气的不同部分，并发生不同程度的衰减。在到达接收器时，不同波长的激光的强度和相位会有一定的差异。在设计多波长激光器时，设计者必须考虑光束的可能路径，避免两束激光在传播过程中显著偏离理论路径。
        2.3应用场景
        在设计多波长自由空间激光通信系统时，设计者也要考虑到应用场景的特点。在普通激光链路中，波长分集技术的优势并不明显。但是，在干扰因素较多的应用场景中，波长分集技术可以显著提高信号的质量。在设计多波长自由空间激光通信系统时，设计者可以根据应用场景的特点，应用不同类型的分集技术降低信号的失真率。在分集时，如果人们必须使用波长差异较大的两束激光传播信息，那么他们应该使用可见光和近红外线，因为这两种激光在大气中的衰减系数比较小。
        设计者也要根据链路上的湍流条件，选择合适的接收器。在地空光链路中，湍流会导致激光形成直径较大的散斑，人们可以使用多孔径探测器接收这种信号。如果激光主要在高层大气中传播且湍流的位置较低，人们可以使用单个的小孔径接收器分集信号；如果湍流的位置非常高，激光将在接收器处形成较大的散斑，人们需要应用一个孔径较大的接收器接收这种散斑。

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        3多波长自由空间激光通信技术的研究进展
        3.1光学仿真
        在研究多波长自由空间激光通信技术时，PiLab是较常用的仿真工具，它可以生成一系列相平面，模拟光在大气中传播的过程。
        在应用PiLab 进行仿真时，研究者首先需要构建一个光学系统，该光学系统应含有一组相位对象。然后，研究者需要简化光学系统，也就是将几个对象等效成单个对象；最后，研究者需要进行一系列傅立叶变换，得到初始光束的表达式。该工具箱正在不断改进，有可能用于多波长光束、光束和时间演化模拟。
        一些科学家应用 PiLab 模拟了光在湍流中传播100公里的过程，发现当两束光的出射发散角约为 50μrad时，它们可以在传播100公里后产生直径约几米的光束[5]。人们可以仅用一个接收器接收这种光束，而且接受到的光的强度接近原始光束的强度，也就是说，激光在高层大气中传播100公里后，其强度不会发生显著的衰减。他们还发现，当强度相同、波长不同的两束激光传播相同的距离时，其强度的空间分布是不同的。科学家可以通过类似的模拟初步判断不同波长的激光的性质，从而在设计多波长自由空间激光通信系统时选择波长合适的激光。
        3.2 分集接收技术
        3.2.1 接收器的特性
        在应用多波长自由空间激光通信技术时，人们通常需要应用波长分集技术，把信息“分配”给不同波长的激光。在接收这些激光时，选择合适的接收器是很重要的。需要考虑的重要因素包括光检测器的波长响应性能、检测器的固有噪声、焦距、光损耗和涂层设计以及光纤耦合等。
        在多波长自由空间激光通信系统中，最简单的接收器是对所有波长做出相同的响应的检测器。人们也可以为每种波长的激光设置单独的接收器，并根据分集接收器算法对信号进行整合。在组合来自不同检测器的电信号时，分析者应该充分考虑系统噪声的影响，选择正确的方法整合信息。
        3.2.2 波长分集编码的实现
        如果n个信道（对应波长λ1，λ2，λ3，…，λn）之间几乎没有统计依赖性，那么它们可以并行传输由一个信道编码序列衍生的n个编码序列。在考虑如何“分解”编码序列时，分析者需要重点考虑信号的衰减。
        对平流层中的典型场景的模拟研究表明，信号的衰减一般持续1 到 50 毫秒，具体的持续时间主要与平台周围的风速有关[6]。与其他场景相比，平流层中的衰减持续时间较长。科学家需要考虑如何通过巧妙地“分解”编码序列减小信号衰减对通信质量的影响。事实上，在n个不相关的信道上传输编码序列时，如果一个信道长时间处于不良状态，而其他信道处于良好状态，那么信息的质量几乎不会受到影响。科学家可以在n个独立信道上同时传输关于某个信息的编码序列。如果只有少数通道处于不良状态，那么代码可以纠正几乎所有的错误，在解码后，接收方可以获得完整的信息。
        3.3 高空平台（HAP）
        HAP是研究不同波长激光在不同的大气环境中的传播特性的重要工具。科学家需要开展关于HAP 和地面站的初始测试，在原位分析湍流的特征、分析大气吸收激光的过程，从而得到有关激光在大气中的传播特性的确切数据。在处理数据时，科学家应该考虑当地的风速、平台的高度以及可能造成的湍流效应[7]。目前，人们尚未开发出性能稳定的HAP。同时，科学家应该致力于提高HAP的稳定性，才能得到更多关于多波长激光与大气的相互作用的一手数据。
        4.结语
        多波长自由空间激光通信技术是一种高效的光通信技术。一些研究表明，这种技术可以保证激光在高层大气中传播100公里而不发生显著地衰减。此外，应用分集技术，科学家可以显著提高多波长自由空间激光通信系统中信号的质量，提高通信的稳定性。虽然科学家尚未研发出性能稳定的HAP，但是可以预见的是，在不久的将来，稳定、可靠的HAP将提供大量关于不同波长的激光在大气中传播的特点的重要信息，这些信息将用于改进现有的多波长自由空间激光通信技术，提高通信的质量。
参考文献
[1]Saleh Faruque. Free Space Laser Communication with Ambient Light Compensation[M].:2021-04-25.
[2]张哲宁,张鹏,于皓泽.基于中继系统的极地激光通信研究[J/OL].光通信技术:1-5[2021-07-04].
[3]杨熠.基于误差校正的自由空间激光通信降噪方法研究[J].电子设计工程,2020,28(23):120-124.
[4]姚渊博,蒙艳松,卢樟健,等.自由空间高精度频率传递技术[A].中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心.第十一届中国卫星导航年会论文集——S06 时间基准与精密授时[C].中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心:中科北斗汇(北京)科技有限公司,2020:7.
[5]A. K. M. Nazrul Islam,S. P. Majumder. Effect of Pointing Error on BER Performance of a Multi-wavelength OCDMA FSO System with SIK Dual Detector Receiver[J]. Journal of Optical Communications,2019,40(3).
[6]M. Moghaddasi,A. Taiwo,S. Seyedzadeh, et al. Performance Analysis of Spectral Amplitude Coding-Optical Code Division Multiple Access (SAC-OCDMA) in Free Space Optical Networks with a Multi-wavelength Laser Source[J]. M. Moghaddasi;A. Taiwo;S. Seyedzadeh;M. Boroon;S. Hitam;S.B.A. Anas,2017,38(1-2).
[7]刘旭,魏靖松,谭朝勇,等.激光器免温控泵浦源的多波长选择理论[J].红外与激光工程,2016,45(05):71-76.