CN100428654C - 一种自由空间光通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由空间光通信系统，该系统的发射望远镜的光束发散角设计得非常小，该系统的光学接收天线采用非成像光学系统的天线设计，包括球面支撑体、该球面支撑体内侧的镀膜反射层和光检测器，其中所述光检测器位于镀膜反射层的焦平面。球面反射镜能提供很大的接收面，能提高自由空间光通信系统的带宽、链路距离和对准的可靠性。本发明的光学接收天线可以做得轻又薄，能实现光学天线的轻便化，而且加工工艺简单，制作成本很低，便于大批量生产。

Description

一种自由空间光通信系统

技术领域

本发明涉及一种自由空间光通信系统，属于通信领域。

背景技术

自由空间光通信是以激光作为信息载体，在地面上不需要任何有线信道为传输媒介的通信方式，其特点是光束在大气中直线传播。与微波通信相比，自由空间光通信所使用的激光频率高，方向性强，可用的频谱宽，不需要申请频率使用许可；与光纤通信相比，由于自由空间光通信在发射端和接收端之间不要求物理连接，所以造价低、施工简便、迅速，机动灵活。自由空间光通信系统包括在两个和多个通信端之间的至少一个用于发送光信号的发射天线和至少一个用于接收光信号的接收天线。

在常规自由空间光通信设备中，发射天线和接收天线采用常规的望远镜系统，如图1所示，包括发射望远镜11，用于形成对准接收望远镜13的发射光束12。待发射的光信号通常由一半导体激光器发出，激光器的发射面位于发射望远镜11的前焦面，用位于接收望远镜13焦平面的光检测器接收信号。

影响自由空间光通信系统性能(包括误码率、带宽和通信距离)的因素有激光发射功率、发射端光束发散角、大气衰减系数、探测器灵敏度以及发射天线和接收天线的对准误差等。很多因素都会导致对准误差，如：系统安装时发射天线和接收天线的对准有误差；大气中的涡流和温度梯度会轻微改变激光束的方向，引起接收机平面上的光束漂移；刮风或温度变化造成的发射天线、接收天线的晃动，甚至建筑物的轻微摆动，都会引起对准误差。由于这些原因，如果到达接收望远镜的光束直径小于或接近接收望远镜透镜的直径，会造成对准困难，而且容易产生很大的对准误差。

常规自由空间光通信系统的缺点是为了保证发射望远镜和接收望远镜对准的稳定性，同时兼顾接收望远镜的体积和重量，不得不采用大光束发散角、小接收面的方式，这样就只能接收到一小部分信号光能量，造成大部分光能量的浪费，限制了通信系统的带宽和通信距离。上海光机所的自由空间光通信样机发射光束发散角设计为1mrad，带宽155Mbit/s，通信距离2km；德国Goc公司的AIR系列产品光束发散角为3mrad，带宽40Mbit/s，通信距离500m；日本Canon公司生产的DT-30系列产品光束发散角为7mrad，带宽156Mbit/s，通信距离500m。以上数据都是在未采用波分复用技术、光放大器、自动跟踪系统、多孔径发射等条件下得到的。

常规望远镜系统的另一个缺点是大尺寸透镜的体积、重量大，制作成本高。

因此，希望改进自由空间光通信系统，提高系统的带宽、通信距离和对准的稳定性。不仅如此，还希望获得新型的光学天线，保持轻便，能够以低成本制造。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种自由空间光通信系统，能满足上述改善通信系统带宽、通信距离和对准的稳定性等目标。

该系统的发射望远镜的光束发散角设计得非常小，一般在1mrad(毫弧度)以下。该系统的光学接收天线采用非成像光学系统的设计，包括一个球面支撑体、该球面支撑体内侧的镀膜反射层、和一个光检测器，其中所述光检测器位于镀膜反射层的焦平面。

当激光发射功率、大气衰减系数、探测器灵敏度以及发射天线和接收天线的对准误差等系统参数一定时，发射望远镜的光束发散角越小，则接收天线接收到的光信号能量越多，能提高通信系统的带宽，还能延长通信距离；接收天线采用非成像光学系统的设计，相对于常规望远镜的折射系统、反射系统及折反射系统等成像光学系统，非成像光学系统不含透镜，结构简单、紧凑，聚光效率高，最适合应用在成像质量要求不高的聚光技术领域。

本发明提供的自由空间光通信系统，除了具有提高系统的带宽、通信距离和对准的稳定性的优点以外，另外一个优点是可以使光信号受到的大气湍流的影响更少。大气湍流是一种体积非常小的粘性流体，密度不断变化，就像一个具有时变属性的棱镜或透镜。光波在湍流大气中传播时湍流不损耗光波的能量，只引起光波的强度、相位和传播方向等参数的起伏，影响的程度与形式同光束的直径与湍流尺度的相对大小有关。当光束直径小于湍流尺度时，湍流的主要作用是使光束产生随机偏折，从而使光束在接收面上的投影位置随机飘荡，即光束漂移；当光束直径大于湍流尺度时，光束截面内包含许多湍流，各自对照射的那一小部分光束起衍射作用，从而使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机分布，导致光束破裂，光束面积也扩大，需要采用自适应光学的方法矫正波前。所以，光束直径小于湍流尺度时，大气湍流的影响较为简单，处理起来更容易。

此外，本发明提供的自由空间光通信系统还有如下优点：球面反射镜可以做得轻又薄，能实现光学天线的轻便化；而且球面反射镜的加工工艺简单，制作成本很低，便于实现大批量生产。

附图说明

图1是常规自由空间光通信系统的示意图；

图2是使用本发明的自由空间光通信系统的示意图。

图3是本发明光学接收天线的结构示意图；

图中：11-发射望远镜，12-发射光束，13-接收望远镜，21-发射望远镜，22-发射光束，23-接收天线，31-球面支撑体，32-镀膜发射层，33-光检测器，34-球面反射镜的中轴，35-1-入射光束，35-2-反射光束，36-镀膜反射层的焦平面。

具体实施方式

按照本发明，设计出一种自由空间光通信系统，如图2所示。发射望远镜21的发射面朝向某距离以外的接收天线23的接收面，发射望远镜21的光轴与接收天线23的中轴重合。发射望远镜21把光束以尽可能小的角度发射出，例如以接近发射望远镜的衍射极限角发射。发射光束22在空气中传播的时候，因为光束直径较小，所以受到的大气湍流的影响更少。发射光束22到达接收天线时，光束直径较小，直径较大的接收天线23能尽量接收到全部的光能量，消除各种因素引起的对准误差的能力也大大提高。

普通的望远镜系统一般能把光束发散角准直到1mrad以下，如果在望远镜前面加上一个准直镜，准直效果会更佳，一般能达到0.1mrad左右。由于发射望远镜的结构不属于本发明的内容，故这里不详述。

接收天线23属于非成像光学系统，它的详细结构如图3所示，光学天线包括一个球面支撑体31、该球面支撑体内侧的镀膜反射层32、和一个光检测器33，其中光检测器33位于镀膜反射层32的焦平面36。从发射望远镜21发射到接收天线的光线可以认为平行于球面反射镜的中轴34，这样，入射光束35-1被镀膜反射层32反射成光束35-2，到达位于镀膜反射层32焦平面36的光检测器33。虽然图上画出的是单根同轴光线，实际上接收到的光信号35-1是近似平行光束，35-2是射向光检测器33的锥形会聚光束。

由于光检测器位于接收天线接收面的前方，要求光检测器的体积较小，以确保其可能遮挡的光束面积较小。

应当指出，不一定把光束聚焦在光检测器上，可以在镀膜反射层32的焦平面36采用场透镜式的附加部件，把光束准直，然后再用一个会聚透镜把光束聚焦在光检测器33上，或聚焦进光纤中。

在一个特殊的实施例中，球面反射镜的直径是0.6m，曲率半径为0.8m，在其内侧镀膜，以便在0.85微米的波长上提供高的反射率。光检测器位于距球面反射镜顶点0.4m的位置上。发射望远镜的光束发散角设计成0.1mrad(毫弧度)，在大气中传播2km后到达接收天线的光束直径为0.2m，对准误差在0.2m之内，球面反射镜能接收到全部的信号光能量，此时通信系统带宽最高达到1Gbit/s(吉比特/秒)。当通信距离达到10km时，到达接收天线的光束直径为1m，对准误差在0.2m之内，球面反射镜能接收到部分的信号光能量，此时通信系统带宽最高达到155Mbit/s(兆比特/秒)。

如果希望在更长的距离上得到好的通信性能，需要相应的减小发射望远镜的光束发散角，增大球面反射镜的直径。

Claims (2)

1.一种自由空间光通信系统，发射系统包括半导体激光器、发射望远镜，接收系统包括接收天线、光检测器，其特征在于发射望远镜的光束发散角设计得使到达接收机的光束直径小于或接近接收天线的直径；并且其特征在于接收天线采用非成像光学系统的设计，包括至少一个球面支撑体，该球面支撑体内侧装有镀膜反射层和光检测器，光检测器位于镀膜反射层的焦平面。

2.如权利要求1所述的自由空间光通信系统，其特征在于，所述的球面支撑体采用金属或非金属材料制成。

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