CN1933372A - 红外激光大气散射通信的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种红外激光大气散射通信的方法和装置，它是利用光发射机的红外激光系统发射的由信号调制的红外激光被大气散射后，被光接收机的具有大接收角的红外波段光探测器接收后，经放大整形和电信号处理而实现非视线光通信的方法。该通信的方法和装置既具有较长的工作距离和较高的传输速率，又具有不需要视线传输、机动性高的特点。

Description

红外激光大气散射通信的方法和装置

技术领域

本发明是一种采用红外激光光源作为发射器、通过大气散射进行信息传输的光通信方法。本发明属于通信技术领域。

背景技术

自由空间光通信(FSO)是通信网络系统的一个重要组成部分。目前发展得比较成熟、也很受重视的是红外激光通信，包括大气传输的激光通信和外空间卫星间的光通信。这些光通信系统都是通过光束直射实现的，被称为视线光通信(Line-of-sight，LOS)。其特点是工作距离比较远，传输速率比较高。但是激光束不能绕过障碍物，比如高楼、山包、岛屿等等。因此视线光通信在使用场合上有较苛刻的要求。为了克服这个缺点，人们正在研究开发紫外光散射通信。这是一种利用大气对紫外光的强散射特性，来建立光信号传输的链路。其特点是可以绕过障碍物，称为非视线光通信(None-line-of-sight，NLOS)。如果采用日盲紫外波段，即阳光中的紫外成分已经被高层大气吸收的波段，紫外通信还具有全天候工作的特点。其缺点是工作距离比较短、传输速率比较低。因此，紫外散射通信主要用于一些要求高度机动性的场合，特别是在军事和安全保卫方面的应用。另外一种用于室内的红外散射光通信，它主要是通过室内墙壁、天花板、家具的反射和散射，实现室内电脑之间或电器之间的信息传送，进行联网或家用电器的控制。由于室内使用，距离很近，而且为了避免对人眼的伤害，一般都采用低功率的光源，比如半导体红外发光管(LED)。这种红外散射通信不适合于在室外使用。

实际应用需要一种光通信手段，既具有较长的工作距离和较高的传输速率，又具有不需要视线传输、机动性高的特点，比如在野外空旷地区、沙漠、草原、水面等场合。在这些应用场合，难以支起一个稳定的高架来完成视线通信的对准要求，同时希望工作距离和速率又要高于紫外散射通信的性能。

图1是表示这种使用场合的一个示意图。但目前尚无这种光通信系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种红外激光大气散射通信的方法和装置，该通信的方法和装置既具有较长的工作距离和较高的传输速率，又具有不需要视线传输、机动性高的特点。

本发明的工作原理如下：

大气对光波的散射性质，已经有多年的研究历史。根据经典理论，大气散射可以用瑞利散射和米氏散射来描述。散射强度与光波的波长有关。相对比较，紫外散射强，而红外散射弱。紫外散射通信就是利用大气对紫外光的强散射作用。另一方面，散射越强，前向传输的光波衰减越快，因此传输距离就要减小。散射光波的空间分布对于散射通信来说是一个重要因素。这是一个十分复杂的问题，依赖于散射颗粒的尺度与光波波长的比值，而且与光波的偏振性有关。研究表明，对于比散射颗粒线度大的光波，散射空间分布符合瑞利散射特性，可以近似地用下式表示：

$I_{\mathrm{SC}}\left(\mathrm{\θ}\right)\∝\frac{I_0}{2}[(1-R)+(1+R){\cos }^2\mathrm{\θ}]---\left(1\right)$

式中θ为偏离光线中心线的角度；I₀为入射光强；R为入射光波的偏振度。可见，散射光的强度的分布大体正比于cos²θ。

理论和实验研究表明，散射强度强烈地依赖于光波的波长。对于瑞利散射而言，散射光强度与波长的四次方成反比：I∝f(λ)/λ⁴。对于米氏散射而言，散射强度与波长的关系比较复杂。但是大致弱于λ^-4的关系，也就是说差别要小一些。因此，大气对红外激光也存在着散射效应。与紫外光相比，红外光的散射弱得多。然而也因较弱的散射损耗而增大了工作距离。假若采用1微米左右的红外激光作为光源，与假设处于日盲波段的250nm左右的紫外激光相比，散射强度要减弱256(4⁴)倍。然而，红外激光器比紫外激光器的技术发展成熟得多，其输出功率高2-3个量级是容易获得的。这表明红外激光散射通信是可行的。

另一方面，散射的红外光的强度与角度有关。由公式(1)可见，小角度的散射光比较强。如果以距离较大、仰角较小的光路设计，接收这种小角度的散射光，就可以实现非视线的光通信。

本发明的技术解决方案如下：

一种红外激光大气散射通信方法，它是利用光发射机的红外激光系统发射的由信号调制的红外激光被大气散射后，被光接收机的具有大接收角的红外波段光探测器接收后，经放大整形和电信号处理而实现非视线光通信的方法。

一种红外激光大气散射通信装置，包括光发射机和光接收机，其特征在于所述的光发射机包括红外激光器和光束准直透镜，红外激光器驱动电源和数据信号发生器构成，所述的光接收机由广角接收光学系统、窄带滤光片、红外波段光探测器、探测器的放大整形电路和电信号处理电路构成。

所述的红外激光器为980nm波长的大功率半导体激光器、或800nm波长的大功率半导体激光器、或工作波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器。

所述的近红外波段的光探测器为大光敏面的硅光电二极管，或硅PIN光电管和场效应管前置放大器组件。

所述的广角接收光学系统为复眼透镜或广角复合透镜。

本发明红外激光散射通信方法的特点和优点可以概括如下：

(1)本方法是一种非视线光通信方法，适用于难以实施视线光通信的应用场合，比如空旷野外、水面、运动的运输器具之间，可以越过障碍物绕射传输。可以实现一点对多点、多点对一点、多点对多点的信息传送。适合于野外作业、机动灵活。

(2)本方法与非视线的紫外光散射通信相比，具有工作距离大，传输数据速率较高的优点。但是与日盲波段的紫外光散射通信相比，阳光背景噪声的影响较大。

(3)与视线连接的红外激光通信相比，本方法的传输速率比较低。因此本方法主要应用于专用的通信链路，而不适合用于需要大传输容量的公用通信系统。

(4)本方法采用的近红外激光光源、近红外探测器及其他相关元器件，技术已经开发成熟，商品化程度高，容易从市场供应得到，因此预期成本比较低。

附图说明

图1红外激光散射通信使用场合示意图。

图2红外激光散射通信的基本架构框图。

图3大气散射导致光脉冲展宽的模拟计算例子。

图4为本发明红外激光散射通信装置实施例一的结构框图。

图5为本发明红外激光散射通信装置实施例二的结构框图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图2为红外激光散射通信的基本架构框图。图中：1为红外激光发射机；2表示红外激光的光束。3为红外接收机；4表示接收的孔径，图中记为φ。5表示障碍物。θ为接收光学镜头轴线与发射激光束之间的夹角。其中红外光发射机采用激光器，它具有高的输出功率和窄的束宽，有利于增大工作距离。

接收机光学系统采用大孔径、大接收角的系统，以便尽可能多地接收红外激光束的散射能量。由于从大散射体积散射的光子经过了不同的传输路径，因此存在着由此引起的多径时延。这就限制了大气散射通信的传输速率。这是一个与紫外散射通信相同的性质。根据接收孔径的大小，发射接收仰角的高低，通过数值计算和实验测试，可以确定多径时延的变化范围。图3为一个在常规大气气象条件下的脉冲展宽的模拟计算结果。可见多径时延引起的脉冲展宽在微秒量级，因此散射通信的传输速率大致在每秒兆比特的水平上。这样的速率适用于专用系统中的话音、低速图像、数据、信令等信号的传送，具有相当大的应用范围。

请参阅图4，图4为本发明红外激光散射通信装置实施例一的结构框图。图中左面为光发射机。11为一个高功率半导体激光器。根据目前半导体激光器的技术水平，可以采用980nm波长的大功率半导体激光器；也可以采用800nm波段的大功率激光器。21为光束准直透镜，它使半导体激光器的发散光束会聚成一束基本上平行的光束。12为半导体激光器11的驱动电源。13为数据信号发生器。

图的右部为光接收机。32为近红外波段的光探测器。根据目前器件的技术水平，可以采用大光敏面的硅光电二极管；也可以采用硅PIN光电管和场效应管前置放大器组件。31为窄带滤光片，用来抑制背景光噪声的干扰。41为依据复眼原理设计的接收光学系统。根据上述原理分析，散射光通信的接收系统要求尽可能大的光束接收角。利用复眼的组合功能，可以增加总的接收孔径和接收的光束宽度。33为探测器的放大整形电路。34为电信号处理电路。

图5为本发明红外激光散射通信装置实施例二的结构框图。图中左面为发射机。14为一个Q开关固体激光器。根据技术的成熟度，可以选择工作波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器。15为固体激光器泵浦光源的驱动器。16为Q开关的控制电路。13为数据信号发生器。21为光束准直透镜。由于固体激光的发散角比半导体激光器小得多，因此可以用一个长焦距的透镜准直。准直透镜21在本发明实施的时候需要根据激光器的性能进行具体的设计。

图的右部为光接收机。图中31、32、33、34的作用和技术要求与实施例1相同。图中42是一个广角复合透镜，它也具有大的接收孔径。本方案也可以采用复眼透镜。反过来，实施例1也可以采用广角复合透镜。

Claims (5)

1、一种红外激光大气散射通信方法，其特征在于它是利用光发射机的红外激光系统发射的由信号调制的红外激光被大气散射后，被所述的光接收机的具有大接收角的红外波段光探测器接收后，经放大整形和电信号处理而实现非视线光通信的方法。

2、一种红外激光大气散射通信装置，包括光发射机和光接收机，其特征在于所述的光发射机包括红外激光器(11)和光束准直透镜(21)，红外激光器驱动电源(12)和数据信号发生器(13)构成，所述的光接收机由广角接收光学系统(41)、窄带滤光片(31)、红外波段光探测器(32)、探测器的放大整形电路(33)和电信号处理电路(34)构成。

3、根据权利要求2所述的红外激光大气散射通信装置，其特征在于所述的红外激光器(11)为980nm波长的大功率半导体激光器、或800nm波长的大功率半导体激光器、或工作波长为1064nm的掺钕钇铝石榴石激光器。

4、根据权利要求2所述的红外激光大气散射通信装置，其特征在于所述的近红外波段的光探测器(32)为大光敏面的硅光电二极管，或硅PIN光电管和场效应管前置放大器组件。

5、根据权利要求2所述的红外激光大气散射通信装置，其特征在于所述的广角接收光学系统(41)为复眼透镜或广角复合透镜。

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