自由空间光通信研究-毕业论文.doc

摘 要摘 要自由空间光通信(Free-Space Optical Communication，简称FSO)是一种通过在自由空间传输激光信号来实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。近几年来FSO技术以其高带宽、安装便捷、成本低廉、安全性能好等优点受到了人们的关注，在军事和商业上均有广泛的应用。本文在现有的光源直接输出、光电探测器直接耦合的FSO系统结构的基础上提出了基于光纤输入、光纤输出的FSO系统，这种系统很好的结合了光纤通信系统和无线传输，其优点在于大大降低了成本，简化了链路终端，同时可以利用光纤通信系统中的各种技术扩大系统的带宽。我们对这种新型的FSO系统中最关键的部分接收端的光学设计进行了深入的讨论，提出两种解决方案并做了大量的空间光到单模光纤及多模光纤耦合效率的仿真计算。接下来文章分析了整个FSO光学链路的功率预算，主要包括光束扩展带来的损耗、瞄准误差的损耗、大气湍流引起的损耗。同时，本文建立了自由空间光通信系统的仿真模型，分析了大气衰减、通信距离、激光发射功率对系统误码率的影响。最后给出实验方案设计及结果分析。关键词:自由空间；光通信接收天线；光纤耦合；链路损耗；误码率47AbstractABSTRACTFree-Optical Communication is a promising technology through transmitting laser signals in the atmosphere channel to realize the communication of voice image and between point-to-point, point-to-multipoint and multipoint-to-multipoint. FSO has received a great deal of attenuation lately both in the military and civilian information society due its huge capacity, rapid deployment, low cost and high security.In this dissertation, we put forward an all-optical free-space link structure based on the previous diode coupled structure. This new structure can be well integrated with fiber-optical communication networks with lower cost. The most crucial part of the link design turn out to be the receiver optics and several design solutions were investigated. We do a number off single mode fiber coupling efficiency and multimode fiber coupling efficiency calculations to see which kind of antenna is best suited. An overall discussion on the loss factors of the FSO link is presented including optical spreading loss, misdirected loss and atmosphere turbulence induced loss. Simulation model of the FSO link is constructed and how the atmosphere attenuation, laser output power and communication range influence BER performance is analyzed we give the experimental description and the result is analyzed. Finally further improvements for the system have been summarized, which is the next step to research.Key Words: Link budget; Free-Space; Optical Communication; Receiver optics; Fiber coupling; BER performance目录目录第1章引言11.1自由空间光通信的发展11.2FSO应用的领域21.3FSO技术的优缺点21.3.1FSO的缺点21.3.2FSO系统的优点21.4 FSO技术的研究现状31.4.1基于光电探测器直接耦合的FSO系统31.4.2基于光纤耦合技术的FSO系统5第2章自由空间光通信系统的原理72.1 FSO发射系统82.2激光发射子系统原理82.2.1激光光学发射系统82.2.2引导光纤92.3光源92.3.1工作波长92.3.2光源的选择9第3章FSO接收系统103.1光电探测器103.1.1光电探测器的选型113.2 FSO系统中的噪声12第4章光学天线134.1 FSO光学系统中的象差134.1.1球差134.1.2慧差134.2发射光学天线144.2.1高斯光束的基本性质144.2.2激光光学发射天线144.3接收光学天线154.3.1接收光学天线的基本原理154.4光学天线的分类194.4.1设计光学天线的基本要求194.4.2折射式天线204.4.3反射式天线214.4.4折反射组合式天线24第5章光学系统和链路性能的分析255.1大气损耗255.1.1大气衰减255.1.2大气湍流引起的损耗265.2光束扩展损耗27第6章系统仿真及性能分析306.1光纤通信仿真软件OptiSystem306.2基于OptiSystem下的系统模型306.3仿真及结果分析316.3.1天气条件对传输性能的影响316.3.2仿真结果分析31第7章总结38参考文献39致谢40附录41附录一：不同距离下PIN和APD管的选择41附录二：使用误差分析仪时注意的误差41外文资料原文42译文45第1章 引言第1章 引言1.1自由空间光通信的发展激光通信是当今社会信息传播的最重要、最常规的手段。按照传输介质的不同，激光通信可分为光纤通信、自由空间光通信和水下通信。自由空间光通信(Free-Space Optical Communication，简称FSO)，也称为无线激光通信，是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。广义的自由空间光通信系统包括星际间的通信和大气间的通信，狭义的自由空间光通信系统就是指大气间的无线传输。FSO系统又有“虚拟光纤”的说法，这是因为FSO系统所使用的设备是和光纤通信系统相类似的激光发射器和接收器。现代的通信网主要由传输网、交换网和接入网三大部分组成。在上个世纪末的光纤网络建设热潮中，业者把重点放在骨干网络上，目前，我国许多城市已基本实现光纤到楼（FTTB），光纤到户（FTTH），而接入网由于建设技术复杂、实施难度大及耗资庞大而成为通信网建设中的“瓶颈”（即“最后一公里”问题），发展较为缓慢。当前有很多接入技术可供用户选择，如光纤，本地多点分配业务（LMDS）、数字用户线(DSL)、射频技术以及空间光通信 (FSO) 等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤铺设的周期长，费用高以及在某些地方易铺设，这些都限制了光纤的普及;LMDS比FSO的传输距离远，但这种接接入方式需要高额的初始投资铜缆的带宽太低，难以满足人们对带宽日益增长的需求。相比较而言，FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资另外，激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了FSO设备的造价。因此，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率的情况下不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径之一。尽管60年代就有人对自由空间光通信进行过研究，但当时主要用于军事及实验目的，其商业应用最近几年才兴起。作为当今十大电信热点技术之一，FSO技术受到越来越多的企业以及运营商的重视，将成为今后构筑电信网的一项重要技术1。1.2FSO应用的领域FSO有其独特的性质，所以在很多领域都有着广泛的应用，比如，1）军事应用FSO以其高保密性和安装快捷的特性应用于军事场所。2）企业、校园互连。这些局域网通常对传输距离要求不是太高，因此FSO系统就可以灵活的运用于这些局域网之间。3）城域网的扩展2:FSO可用于扩展已有的城域网，将新的网络与骨干网相连接。4）FSO在电力系统应急通信中的应用。1.3FSO技术的优缺点1.3.1FSO的缺点1）传输距离的限制。FSO是一种视距技术，当传输距离超过一定距离时（一般为几公里）波束就会变宽以至于很难被接收天线接收。2）对准困难。为了保证传输质量，两端的设备对准是非常重要的，即使初步对准之后也要考虑风力和其他因素的影响。3）传输质量收天气的影响非常大。FSO系统对天气的影响非常敏感，一般晴天影响最小，雨雪天气影响比较大，衰减系数在5db/km-13db/km。而雾对系统的影响是最大的，一般衰减系数可高达60db/km。1.3.2FSO 系统的优点1）无需频谱许可证背景。无限光通信因设备间没有信号的相互干扰。FSO与大多数低频电磁波不同的是300GH以上电磁波频段的应用在全球都不受限制，可以免费使用。2）带宽高。自由空间光通信于光纤通信一样具有频带高的优势。FSO支持155Mbit/s-10Gbit/s的传输速度，传输距离一般在2-4公里之间。在点到多点的组网方式中FSO同样也支持155Mbit/s-10Gbit/s的传输速度，但传输距离一般就为1-2公里，若果采用格形的组网方式，则可支持622Mbit/s的传输速率，传输距离一般为200-400米。3）协议透明。FSO以光为传输介质，任何传输协议都可容易的叠加上去，对语、数据、图像等业务可以做到透明传输。4）成本低廉。以大气作为了传输介质，免去了昂贵的链路铺设和维护工作。5）快速链路部署。由于链路比较简单，FSO可在几天内完成。6）安全保密性高。FSO波束很窄，定向性非常好，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。1.4 FSO技术的研究现状1.4.1基于光电探测器直接耦合的FSO系统早在多30年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同时，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信在80年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。在国外，FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上， Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供100Mb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设个100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SONET)通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。表1-1是国外一些领先的公司生产的产品的FSO性能参数。目前商用的FSO系统通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点：1）半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束在准直扩束后发射，这样发射端的光学系统就较为复杂，体积也会相应增大。2）在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入PD转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。浙江大学硕士论文这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从FSO系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD的成本也越来越高，6个OE转换单元大大增加了成本闭3。表1-1 FSO产品的性能参数公司名称产品型号带宽（MHz/s）距离（km）波长（nm）AirFiberOptiMeshNetwork6220.20.5780TerrabeamFiberlessOpticalCom10001.01550LightPointeLightstream206224.0820Astro TerraTerraLink101550.53.75780，850CanonDT50256222.0780fSONASONAbeam1556224.01550PAV DataSkySeries6226.0750950Plain TreeWaveBridge6001552.0910orAccessWDMonAir6222.01310，1550图1-1 基于PD直接接收的FSO系统3）终端设备一般安装于楼顶，如果终端中含有大量的有源设备，会给我们的安装带来了很多不方便。系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加，那么封装在一起的整个FSO系统终端都需要被新的终端取代，安装新设备的过程需要再次对准，整个升级过程所需要的时间很长，给人们带来巨大的损失图1-2 FSO系统终端的内部结构1.4.2 基于光纤耦合技术的FSO系统 基于光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统如图1.3所示，激光输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射，传输一定距离后，光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上，沿着光纤传输后经PD接收还原信号。图1-3 基于光纤的FSO系统示意图这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式，只需要在楼顶放置光学天线系统，而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接，整个系统结构简单，易于安装。这种新型的系统具有以下优点：1)减少了不必要的E-O转换，一条链路现在只需要个EO接口即可，大大降低了成本。2)光学系统较为简单，光纤出射的光束一般为圆高斯光，不需要整形，简化了光学系统，减小了体积，易于安装。3)易于升级及维护，当用户的带宽增加时，我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。4)基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好的与现有的光纤通信网络结合，利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块，EDFA和WDM中所用到的复用器和解复用器。可以与光码分多址复用技术(OCDMA)相结合，构成自由空间OCDMA系统，进一步系统的带宽。对于一个基于光纤耦合技术的系统而言，以下几个因素必不可少4：1)体积小，重量轻的光学天线系统。一个最佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模光纤，获得最大的耦合效率其次要能通过粗跟踪系统测出入射光的角度另外，必须满足尽可能高的通信速率和稳定性。2)性能良好的跟踪系统。要使光学接收天线接收到的光能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤，我们必须为系统加上双向的跟踪系统。第2章 自由空间光通信系统的原理第2章 自由空间光通信系统的原理FSO系统主要由光发射机，光接收机，光学天线（透镜组和滤波片）和大气信道以及捕获、跟踪及瞄准（APT）子系统组成TransmitopticsDriveLaser diodeModulatorsource AtmosphericchannelTransmitterReceiveopticsampliferdemodulatorphotodetectordestinationReceiverpreampSpatial detectorTracking opticAz/EI servo systemMainMicroprocessorAz/EI control systemThermalHumidity Deicingcontrol图2-1 自由空间光通信系统原理图由其原理图可知，电信号通过调制器调制到激光器产生的光载波上，再通过光学发射天线对光束整形并发射到大气中。光信号通过大气传输，到达接收端，光学天线接收到光信号聚焦至光电探测器转换成电信号，经过放大滤波，再解调。自动跟踪系统的主要功能是确保两个同心终端的精确定向，完成同心链路的建立。2.1 FSO发射系统发射系统包括电信号的码制变换，复接器和调制电路，以及激光器，驱动器等，其中激光器的选择很重要，它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参数。FSO 系统的激光发射系统主要实现电光调制与转换及将激光信号通过光学发射天线平行准直地发射到大气中去，为了减少大气湍流及振动给光信号带来的影响，通常 FSO 系统采用多光束传输技术，这也是其与普通的光纤通信系统的不同这处，但其他部分与光纤通信系统基本相同，所以我们可以借助一些成熟的光纤通信技术来实现无线光通信系统的设计。2.2激光发射子系统原理激光发射子系统是 FSO 发射系统中的关键技术，例如以下系统主要是通过两个分路将一路电信号变成四路电信号然后分别通过电光调制与转换变成激光信号并通过激光光学发射子系统将其平行准直地发送到接收端，其原理框图如 2-2电/光转换1大气信道分路缓冲器1光学天线电/光转换2电信号 分路缓冲器2电/光转换3电/光转换4图2-2 激光发射系统原理图2.2.1激光光学发射系统激光光学发射系统是由多组光学透镜及其与激光器连接的引导光纤和瞄准装置组成，主要实现将激光器产生的激光通过引导光纤送至光学发射天线，并通过光学发射天线将激光平行准直地发送至大气中。2.2.2引导光纤引导光纤主要完成激光器与激光发射光学天线之间的连接，对引导光纤的要求与光纤通信中对光纤的要求相同，要求光纤的数值孔径要大，尽可能使激光器发射的激光最大限度地耦合到光纤中去，减小插入损耗。至于光纤本身的损耗和色散则因引导光纤的长度较短可忽略不计52.3光源 2.3.1工作波长大气透过率是选择激光工作波长的最重要的一个因素，一般将透过率较高的波段成为“大气窗口”，红外波段的大气窗口有 850nm、1310nm和1550nm。但在实际应用中850nm和1550nm的光载波更适合FSO系统。2.3.2光源的选择从过去的市场要求来看，只有调制速率达到20Mbit/s到2.5Gbit/s的激光器才符合要求。光源的调制方式以及调制之后的光功率也是选择光源的重要问题。另外FSO系统的光源也必须满足以下几个条件：1)能够提供足够大的功率2)调制速率高3)功耗低4)工作的温度范围较大基于此，对于短波长的FSO系统，通常采用垂直腔面的发射激光器（VCSEL）作为光源，对于长波长的FSO系统，通常选用分布反馈式（DFB）激光器作为光源。第3章 FSO接收系统FSO 系统的激光接收子系统主要完成对经大气传输的激光信号的接收，并通过光电检测器转换将光信号转换为电信号。接收系统主要包括光探测器、低噪声前方、解调器、定时提取电路、自动增益控制电路、分接器以及码制变换等，光探测器是整机的最重要的组成部分，它主要有以下功能：1）探测对方发来的信标光，确定信标光的位置，给出位置误差信号驱动ATP单元，校正接收天线的方向，完成双端的粗对准。2）在天线已经达到粗对准的前提下，探测对方发来的信标光，并利用信标光在四象限探测器上的坐标，确定信标光的位置，给出误差信号并提供给APT单元，完成双端天线的精对准及跟踪。3）探测双方发出的信号光，接收通信信号，完成通信功能。3.1 光电探测器光电检测器是光接收部分的核心，其主要实现将光信号还原成电信号。常用的光电检测器主要是 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。光电探测器包括捕获传感器、跟踪传感器和通信传感器，在本系统中，捕获传感器采用CCD，它视场较大，帧频较低，因此可用于捕获和粗跟踪阶段。功率检测接收机（又称为直接检测接收机或者非相干接收机）如下图所示。当光场到达接收机时，透镜组和光检测器瞬时对光功率进行检测接收，这是接收机最简单的形式，只要信息表现为光功率的变化就可进行接收。图3-1 直接检测接收第3章 FSO接收系统相干检测方式中，数字信号通过载波信号的移频或者移相进行编码，接收时，微弱的信号首先与一强本振光进行相干混频，混频器就是一个光点探测器，它对两束叠加的光波起检测和混频作用，将两光波的差频信号输出，经过滤波器滤波，再通过鉴相或者鉴频实现解调，将光信号转换为基带信号或差频信号。图3-2 相干检测接收机3.1.1光电探测器的选型1、光电二极管（PIN）PIN光电二极管的光电转换线性度较好，无需高工作电压，响应速度快，其主要参数有：量子效率、响应度、暗电流、结电容、灵敏度等。量子效率、响应度反映了PIN 的光电转换效率。当没有光信号照射光检测器时，外界的杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对，光电二极管也会产生一些电流，这个电流被称为暗电流，这也会产生随机噪声，降低系统的信噪比。结电容直接影响到PIN的响应速度，结电容越小，器件响应速度越快，频带越宽。2、雪崩光电二极管（APD）由于普通光电二极管产生的电流很微弱，进行放大和信号处理时很难避免增加放大器噪声。为了克服这种缺点，有必要在放大之前加大光电管的输出电流，即需要在光电管中提供雪崩增益。在很高的反向偏压下，载流子通过耗尽区的高电场部分，能够碰撞游离化而产生新的载流子。这些载流子又由于碰撞而产生更多的新生载流子，从而形成雪崩现象。这样，原始的电子空穴对可以产生十倍、百倍的新电子空穴对。结果是光电管输出电流获得有效放大，这种光电管也就称为雪崩光电二极管（APD）。显然，雪崩管的放大作用是有用的，但它与理想的电子倍增机构相比还有不足之处。雪崩管的响应速率是另一个重要参数。它和 PIN 管一样，原始电子-空穴对应该多数在高电场区产生，使载流子尽可能快地进入高电场倍增区。而从低电场区产生的载流子，引起扩散拖尾。APD 管的响应速率直接关系到频带宽度。现在的雪崩光电二极管，都适当兼顾增益和带宽要求，因此 APD 管大量运用于光通信中。3.2 FSO系统中的噪声光电探测器检测信号的能力受到噪声的影响，FSO系统中的噪声源来自光电探测器自身的散粒噪声和热噪声，另外，背景辐射引起的噪声也是空间光通信系统中特有的噪声源，实验证明，尽管我们可以利用光学滤波的方式减小背景噪声，但是背景噪声还是可以在很大程度上影响空间光通信系统的性能。上面所说的是对于探测器为PIN管的情况。对于APD接收管，还有附加噪声。特别的，对于我们设计的光纤输入、光纤输出的FSO系统而言，在接收端，我们可以采用做前置放大器，还会引入自发辐射噪声。在系统中背景噪声相对于其他噪声较为特殊，所以只对背景噪声进行讨论。设背景光产生的光电流为，当探测器的带宽为f时，背景光电流的噪声均方值为=2efm (3-1)忽略背景温度噪声的影响，则最小可探测功率为= (3-2)式中h为普朗克常数，为信号光谱，为信号光量子效率，为背景光子量子效率，为背景光子入射，则=()dy (3-3)称为背景光子载流子产生率。可见正比于，即由于背景光的存在使最小可探测功率增加因而系统灵敏度下降。第4章 光学天线第4章 光学天线我们想要系统维持链路的高质量通信，那么就需要较高的发射功率，但是从人眼的安全方面考虑，发射功率就不能太大。所以综合了单发单收（简单易实现），多发多收的（抗衰减干扰，不易实现）的优缺点，最终解决办法为多发单收，即同一基带信号调制到过个功率较低的光束上同时发射。由于激光器发出的光束为高斯光束，具有一定的发散角，光束在较远的地方合在一起能满足通信要求的功率，而在较近的地方相互分开就不会对人眼造成伤害。多发单收还可以减少障碍物的遮挡和大气湍流效应的影响。4.1 FSO光学系统中的象差4.1.1球差对于球面镜来说，不同高度的光线通常交光轴于不同的位置上，相对于理想像点的位置有不同的偏离，称为球差。绝大多数光学系统具有圆形入瞳，轴上点的成像光束是关于光轴对称的，因此对应于轴上点球差的光束结构是非同心的轴对称光束，它与参考像面截得一弥散圆。通常情况下，单正透镜产生负球差，单负透镜产生正球差，因此将正、负透镜组合起来就能使球差得到校正。消色差透镜是一种由低折射率冕牌玻璃的正透镜和高折射率火石玻璃的负透镜组成的透镜，经过优化设计之后，使球差、彗差和色差都得到了很好的校正64.1.2慧差对于对准误差的存在，经发射天线准直的光束可能偏移光轴某个角度达到接收光学天线，这时系统存在慧差。彗差是轴外物点发出宽光束通过光学系统后，不会聚在一点，而呈彗星状图形的一种相对主光线失去对称的像差。具体地说，在轴外物点发出的光束中，对称于主光线的一对光线经光学系统后，失去对主光线的对称性，使交点不再位于主光线上，对整个光束而言，与理想像面相截形成一彗星状光斑的一种非轴对称性像差。彗差通常用子午面上和弧矢面上对称于主光线的各对光线，经系统后的交点相对于主光线的偏离来度量，分别称为子午彗差和弧矢彗差。子午面是由轴外物点和光轴所确定的平面，过主光线且与子午面垂直的平面称为弧矢平面。一般来说，如果系统的球差较小，则系统的彗差也相应的较小。4.2发射光学天线4.2.1 高斯光束的基本性质激光器发出的高斯光束经过光纤整形后，可以用基模高斯光束来描述7。假设光源位于z=0处，则z=q处的场分布可有以下公式描述U(r,q)=U0 exp-j(kq-)-() (4-1)其中r为径向半径，是z=0处的束腰半径，为相位，k=2/为波束。光束的参量，分别为z=q处的束要半径和波前半径，其定义为：= (4-2) =q1+ (4-3)所以高斯光束的束腰和位置去确定了，高斯光束就被唯一确定了，束腰的半径是指光束沿径向的强度下降到中心强度的处的位置，高斯光束的束腰内集中了86%的能量。Z=0处的束腰最小，从上式中可以看出随着q的增加而展宽，其轨迹形成一条双曲线，该双曲线的渐近线和光轴的夹角称为光束的发散角，半发散角可以以下公式描述 = (4-4)4.2.2激光光学发射天线激光光学发射天线主要是将引导光纤传送来的激光光束聚焦并以较小的发射弧度平行、准直地发射出去，其原理图见图4.1 小弧度发散光纤接口图4-1 激光光学发射天线原理图从引导光纤出来的激光束经过透镜组后，被聚焦便于接收端接收。光束的发散弧度一般依据接收端接收到的光功率为所在处的光斑的光功率的 1/10 来计算，如图4.2发射光斑面积接收光斑面积图4-2 发射光斑面积与接收光斑面积比例示意图4.3 接收光学天线接收光学天线的设计是FSO光学系统中最重要的部分，由于我们设计的系统是基于光纤输入，光纤输出的，因此我们的接收光学天线的设计必须足够的精确来保证接收光束能够有效的耦合至纤芯直径和接收视场都十分小的光纤，这直接影响到系统的性能。4.3.1接收光学天线的基本原理接收光学天线是将平行光耦合至单模光纤，其设计必须满足一定的条件。1） 透镜的F数和数值孔径 f 主面图4-3 数值孔径和F数透镜的F数定义为：F/#= (4-5)它反应了透镜的聚光能力。另外一种定义这个夹角就是透镜的数值孔径（NA）NA=sin= (4-6)2)散斑大小由于衍射现象的限制，平行光会聚在焦点处不可能得到点像而得到一个光斑，当入瞳为高斯光束照射，而光学系统不受到任何象差的限制的时候，即在衍射受限的条件下，得到的光斑大小最小为d=KF/# (4-7)对于圆形通光孔K=2.44。因此 要将平行光有效的耦合至光纤，则必须满足以下条件：1）透镜的F数或者数值孔径应该小于光纤的数值孔径。2）光束经透镜聚焦之后在焦平面上形成的弥散斑大小不超过光纤的模场直径。在将光束耦合至光纤时，可以选择将光束耦合至单模光纤或者多模光纤，以下我们将两者进行对比。1）利用单透镜将光束耦合至多模光纤先利用一个透镜耦合至多模光纤，上文提到要将光束耦合至多模光纤，透镜的F数应该小于光纤的数值孔径。对于多模光纤的耦合，可以采用几何光学近似的方法在像面设置一个与多模光纤纤芯直径相等的孔径来计算光纤的耦合效率。通过zemax软件的仿真我们可以看到在焦面上所得到的弥散斑的大小明显大于艾里斑的大小，系统存在明显的球差，另外，在较大的视场，也可明显的观察到慧差图4-4 单透镜多模光纤的耦合效率上文提到消色差透镜可以减小球差和慧差，那么在相同条件小用zemax进行仿真可以明显的观察到球差和慧差得到了较好的校正，利用这种透镜将光束耦合至多模光纤的损耗为0dB。图4-5 消色差透镜耦合至多模光纤的效率2)利用单透镜将光束耦合至单模光纤对于单模光纤我们直接用消色差透镜，通过zemax仿真可以观察到光学系统近似于衍射受限的系统，不受像差的影响，耦合至单模光纤的损耗由弥散斑的大小大于光纤的模场直径所造成的。图4-6 单模光纤的耦合效率通过上面的对比，对于多模光纤耦合的情况，当透镜的F数大于2.5时，多模光纤的耦合损耗一直为0dB，而对于单模光纤耦合的情况，耦合效率并不随着F数的增大一直增大，因此在实际情况中要根据当时情况选择透镜。4.4光学天线的分类4.4.1设计光学天线的基本要求在FSO系统中，可以把光学天线看成是一个能接受，某一波长范围的目标光微弱辐射的物镜。那么对光学天线的基本要求如下：1）通光孔经要足够大。望远镜的物镜孔径一般是指有效孔径，也就是通光直径。光学天线的孔径最大限度地接收来自目标的光辐射。2）高的光学质量，光学透镜的高透射率及主、次反射镜的高反射率，还要求天线的散射光效应要低。3）天线的遮挡率要低，在系统中，一般要求次级反射镜及其他附件对天线的遮挡率小于5%。4）对光学天线的材料也有特殊要求，材料的热膨胀系数小，机械强度要高，重量要轻，使用寿命要长。在FSO系统中光学天线的作用十分重要，光学天线实际就相当于一个物镜系统，通常情况下有三种结构形式，即折射式天线，反射式天线和折返射组合天线。4.4.2折射式天线这类天线是由一组透镜构成的，如下图。它的基础结构分为开普勒型和伽利略型。透镜组探测器图4-7 透射式天线1)开普勒型用作发射天线的开普勒望远镜如图4-8所示小孔光阑 物镜目镜图4-8 开普勒型光学天线它由具有正光焦度的物镜和目镜组成，中间有聚焦点，加小孔光阑，使光束的高斯型光强分布的峰值部分通过，可得到受高斯型光强分布影响很小的扩展光束，这种光学天线的缺点是光能被遮掉很多。2)伽利略型用作发射光学天线的伽利略望远镜如图4-9所示。它由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成，其优点是物镜和目镜的尺寸较短，因为它是共虚焦点，其轴向间距为正透镜与负透镜焦距绝对值之差，整个光学系统轴向尺寸较小，负目镜又有利于对正物镜进行像差补偿，使系统形式简单，减少了反射面的光能损失。其突出优点是共有虚焦点，可避免采用正透镜会聚而引起的强光效应和对目镜的破坏，从而提高了能量的利于率。 物镜 目镜图4-9 伽利略型光学天线折射式天线系统的主要优点是：对光无遮挡，加工球面透镜较容易，通过光学设计易消除各种像差，且物镜组牢固稳定，长期使用不易变形。但这种光学天线要求的大块透光性优良的光学玻璃制造起来十分困难以及在紫外线和红外波段透光量比反射望远镜少而且存在残余色差，从而光能量损失较大，并且这种望远镜不便于支撑，无法向更大孔径发展，装配调整比较困难。所以在实际FSO系统中很少采用这种光学天线。4.4.3反射式天线反射式天线系统如图4-10所示。其主要有牛顿系统，格里高利系统和卡塞格伦系统。图4-10 反射式光学系统示意图1）牛顿系统由抛物面主镜、次镜（与光轴成45夹角的平面反射镜）和使发散光变成平行光的透镜构成，如图4-11所示。由于像平面被引处入射光路之外，所以便于在其上安置光阑、滤光片和光电探测器的部件，牛顿系统的球差很好，但慧差较为严重。图4-11 牛顿型光学天线2)格里高利系统他主要由抛