隨着通信技術向大容量和長距離方向發展，大氣激光通信在衛星間通信、本地網“最後一公里”接入及軍事通信等領域有着廣闊的應用前景。大氣空間光通信是指以激光束爲信息載體，在空間中直接進行數據、語音和視頻等信號傳輸的通信技術，融合了微波通信和光纖通信的優勢，能進行點對點、點對多點或多點間的語音、數據和圖像雙向通信。國際上已經對空間光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了深入研究，取得了突破性進展，成功實現了星間通信和星地通信。我國也已成功地試驗了星地通信，很多單元技術已趨於成熟。

自由空間光通信 (free space optical communication，FSO) 系統是無線通信與光纖通信兩者結合的產物。它包括深空衛星、同步軌道衛星、中軌道衛星、低軌道衛星之間及地面站之間的激光通信，還包括衛星與地面站之間的激光通信。大氣激光通信是利用激光在大氣中傳輸來通信， 與無線電相比，光具有頻率高、方向性強、可用頻譜寬、保密性強等優點；與光纖通信相比，具有造價低、施工簡單、速度快等優勢。

20 世紀 80 年代，各國競相開始對不同調制方法的自由空間光通信技術進行理論與工程化研究。

美國、日本及歐洲的一些國家在光通信技術方面的研究一直處於領先地位。

80年代初，麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology，MIT) 林肯實驗室和美國航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA) 聯合研製了 NASA-ACCS 通信衛星演示系統，發射機採用了差分相移鍵控 (differential phase shift keying，DPSK) 調製方式，通過光外差檢測進行接收，並於 1989 年成功發射了裝載該系統的衛星。1995 年，由 NASA 支持的加州理工學院噴氣推進實驗室 (Jet Propulsion Laboratory，JPL) 研製完成了激光通信演示系統(laser communication demonstration systems, LCDS)，對信號光采用 OOK 調製方式。OOK 調製的優點是對激光器光源頻率的穩定性要求不高，信標光采用連續波 (continuous wave，CW) 調製方式，LCDS 的數據傳輸速率爲 750Mbit/s。1995 年，美國戰略導彈防禦組織實施了空間技術研究車 2 (Space Technology Research Vehicle 2, STRV-2) 實驗計劃。STRV-2 的通信單元採用 IM/ DD 方式半導體激光發射和雪崩光電二極管接收，數據傳輸速率估計達到 1Gbit/s。2000 年，朗訊公司和 Astro Terra 公司成功實現了 1550nm 附近 4 波長、波分複用爲 10Gbit/s、傳輸距離爲 5km 的無線光通信實驗商用系統。2013 年 10 月，美國 NASA 成功實現了月球激光通信終端與地面的激光通信鏈路，數據傳輸速率爲 622Mbit/s。該項目採用 16-PPM 調製、超導納米線單光子探測及地面終端陣列收發技術，有效克服了大氣湍流信道的光強閃爍問題和接收功率密度低的問題，實現了靈敏度極高的光子接收。

歐洲主要的光通信研究組織是歐洲航天局 (European Space Agency, ESA) 以及英國、法國和德國的一些機構。

80年代後期，ESA 制定了著名的半導體激光星間鏈路實驗 (Semiconductor-Laser Intersatellite Link Experiment, SILEX) 計劃，該計劃是在衛星之間建立激光通信鏈路，研製所有關於衛星之間激光通信的子系統和通信單元。1994 年，由英國、加拿大和比利時的公司聯合研製了小型光學用戶終端 (small optical user terminal, SOUT) 和甚小光學用戶終端 (very small optical user terminal, VSOUT)，採用 IM/ DD 方式實現星間鏈路通信。2001 年，SILEX 計劃中研製的通信終端成功實現了世界上首次星間激光鏈路實驗，採用二進制相移鍵控調製 (binary phase shift keying，BPSK) 相干檢測方式，通信速率爲 50Mbit/s。2005 年，德國宇航中心 (DLR) 研製了BPSK 調製/零差檢測光通信通信終端 (laser communication terminal, LCT)，通信實驗數據傳輸速率達到了 5.625Gbit/s，也是現有星地通信實驗中的最高速率。2006 年 5 月，日本的光學軌道間通信工程試驗衛星 (Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite, OICETS) 與國家信息通信技術研究所 (National Institute of Information and Communication Technology, NICT) 地面站成功地實現了激光通信實驗。OICETS 搭載的激光利用通信設備 (laser utilizing communication equipment, LUCE) 激光通信終端，採用光功率爲 100mW、偏振態爲左旋圓偏振的 847nm 激光，調製方式爲非歸零碼直接強度調製，數據速率爲 49.3Mbit/s，誤碼率爲10?6。2009 年，英國諾森比亞大學 Popoola 指出大氣湍流會大大降低直接檢測系統性能，副載波調製優於 OOK，是一種有效抑制大氣湍流影響的調製方法，可以將副載波 BPSK 調製技術應用於大氣通信鏈路。2014 年 11 月，AlphaSat 衛星與 “哨兵”1A 之間進行了第二代激光通信終端 (laser communication terminal, LCT) 激光通信驗證，採用 BPSK 調製/零差檢測， 測試速率達到 600Mbit/s，到 2015 年 8 月，已成功進行了 100 多次高速激光通信試驗。

國內對自由空間光通信的研究起步較晚，但近年來已經取得了一些突破和進 展。

2002 年，中國科學院成都光電技術研究所開發了無線光通信終端，傳輸速率爲 10Mbit/s，工作波長爲850nm，通信距離爲1?4km，發射功率爲 3?30mW。電子科技大學對空間激光通信關鍵技術進行了有益的探索，2002 年研製了地面演示系統進行衛星光通信驗證。武漢大學主要進行大氣激光通信及信標光的捕獲和跟蹤方面的研究，於 2002 年進行了大氣激光通信試驗，採用 IM/ DD 方式，並在 2008 年完成了空間光通信自動跟蹤伺服系統的地面模擬試驗，2011 年實現 4.6km FSO 鏈路，使用密集波分複用完成了 5Gbit/s 數據傳輸。西安理工大學自 2000 年起對大氣激光通信系統進行研究，在光學設計、編碼調製等方面取得了令人欣喜的進展， 已經成功研製出一種無線激光通信系統終端，具有一些常用數字接口，包括串口、 並口、以太網，能在計算機或終端設備之間實現全雙工通信，完成數據、語音和圖像的可靠傳輸。2009 年，廣西桂林激光通信研究所研製了激光大氣通信機。該通信機通信距離可以達到 5km，通信速率爲 155Mbit/s，誤碼率小於10?7。哈爾濱工業大學深入研究了星間激光通信技術。2011 年 10 月，哈爾濱工業大學研製的星地通信終端搭載在“海洋二號”衛星上，進行了我國首次星地激光通信試驗並取得圓滿成功，單路數據傳輸率可以達到 504Mbit/s。2013 年 9 月，長春理工大學成功地完成了飛機和飛機間的遠距離激光通信試驗，且在深空光通信方面也進行了有益的探索與研究。

從國內外自由空間光通信發展脈絡可以看出：自由空間光通信技術發射端已由最初的 OOK 調製方式向其他多種調製技術發展，如 SCM 調製、PPM 調製、多脈衝位置調製 (MPPM)、數字脈衝間隔調製 (DPIM) 以及 BPSK 調製等，可靠、高效和抗幹擾能力強的調製技術是進行高傳輸速率和低誤碼率通信的保證，在提高系統性能方面起着重要作用。自由空間光通信的接收端也因爲直接檢測靈敏度低而向相干檢測方向發展。

降雨、霧、沙塵對大氣信道傳輸的影響

激光在大氣信道傳輸時受氣候條件的影響很大，這主要是由於大氣中氣體分子和氣溶膠粒子的吸收和散射造成的。在大氣自然介質中的主要影響物質是CO2、O2、 水滴、煙、灰塵、冰片等。在對流層中，大部分水分以水蒸氣、霧、水滴的形式結合起來，使能見度降低。據統計，激光在大氣中的雨、霧、雪中的衰減程度依次是 3?8dB/km、3?10dB/km 和 3?20dB/km。

爆炸產生的煙霧對大氣信道傳輸的影響

國外對激光在煙幕中的傳輸研究較多，並且很多是在煙箱中進行實驗，然後通過 Mie 理論進行分析和計算。

大氣激光通信在戰場環境的應用越來越多，作爲戰時的應急通信手段越來越受到重視。激光在戰場的通信質量與戰場環境有最直接和最大的關係，而爆炸作爲戰場的最主要因素，研究爆炸與激光通信有重要意義。

更多內容，詳見目錄

前言

第1章 大氣激光通信 1

1.1 大氣激光通信的發展 1

1.2 大氣信道傳輸概論 3

1.2.1 降雨、霧、沙塵對大氣信道傳輸的影響 3

1.2.2 爆炸產生的煙霧對大氣信道傳輸的影響 4

1.3 大氣激光通信下OFDM的發展 5

參考文獻 7

第2章 光信號在大氣介質中的能量衰減 9

2.1 大氣介質對光信號傳輸的影響 9

2.1.1 大氣分子的吸收效應 11

2.1.2 大氣分子的散射效應 12

2.1.3 大氣湍流效應 13

2.1.4 大氣氣溶膠對光信號的影響 14

2.2 降雨對光信號的影響 16

2.2.1 雨滴單球粒子的Mie散射 17

2.2.2 光波在雨介質中的衰減 17

2.2.3 雨滴尺寸分佈模型 19

2.2.4 雨滴單球粒子的計算機仿真 20

2.2.5 光波在雨介質中的衰減仿真 22

2.3 霧的物理特性及對光信號的衰減效應 24

2.3.1 霧的分佈與分類 24

2.3.2 霧的氣溶膠模型 25

2.3.3 霧滴譜分佈 26

2.3.4 霧滴尺寸分佈模型 27

2.3.5 光信號在霧中的衰減仿真 28

2.4 沙塵暴對光信號的衰減效應 30

2.4.1 沙塵氣溶膠模型與衰減特性 31

2.4.2 沙塵氣溶膠粒子的復折射率 32

2.4.3 沙塵氣溶膠的衰減特性 33

2.5 本章小結 36

參考文獻 36

第3章 爆炸產生的煙霧對激光傳輸影響研究 38

3.1 煙霧對激光衰減的計算 38

3.1.1 van de Hulst近似方法 39

3.1.2 爆炸煙霧中激光衰減計算需要確定的參數 40

3.1.3 爆炸煙霧粒子分佈選取 40

3.1.4 梯度傳輸理論 41

3.2 爆炸煙霧粒子的擴散模式 45

3.2.1 連續點源高斯擴散模式 46

3.2.2 煙團擴散模式 48

3.2.3 美國AD報告推薦的煙幕擴散模式 49

3.2.4 爆炸煙霧擴散模式的假設 50

3.2.5 仿真計算 51

3.3 爆炸對激光傳輸中湍流強度的影響公式推導 55

3.3.1 爆炸產物模型分析 55

3.3.2 爆炸產生大氣壓強的計算 56

3.3.3 爆炸超壓峯值的對比 58

3.3.4 爆炸產生湍流的計算 60

3.3.5 仿真結果與分析 61

3.4 本章小結 63

參考文獻 63

第4章 大氣激光通信下OFDM系統結構及影響因素 65

4.1 大氣激光通信下OFDM的數學描述 65

4.1.1 基本原理 65

4.1.2 保護間隔和循環前綴 68

4.1.3 大氣激光通信下OFDM相干系統模型 70

4.2 大氣激光通信下OFDM系統信道估計 73

4.2.1 信道估計算法 74

4.2.2 插值算法 77

4.2.3 基於導頻的大氣激光通信下OFDM信道估計 78

4.2.4 基於訓練序列的大氣激光通信下OFDM信道估計 81

4.3 信道編碼下的大氣激光通信OFDM信道估計 85

4.3.1 RS碼下的信道估計 86

4.3.2 Turbo碼下的信道估計 88

4.3.3 LDPC碼下的信道估計 90

4.3.4 仿真比較分析 92

4.4 本章小結 93

參考文獻 93

第5章 大氣激光通信下的相位均衡技術 95

5.1 相位均衡技術概述 95

5.1.1 BPSK調製技術 95

5.1.2 QPSK調製技術 96

5.1.3 QAM調製技術 97

5.1.4 自適應濾波器原理 97

5.1.5 自適應濾波器應用 98

5.1.6 大氣激光通信下的均衡系統模型 101

5.1.7 格形結構自適應濾波器 101

5.2 最小均方誤差算法 102

5.2.1 LMS算法原理 102

5.2.2 RLS最小均方誤差算法 103

5.2.3 算法的性能分析 104

5.2.4 仿真結果與分析 105

5.3 恆模盲均衡算法 106

5.3.1 恆模盲均衡算法原理 106

5.3.2 盲均衡技術的應用 107

5.3.3 Godard算法 108

5.3.4 Bussgang類算法 108

5.3.5 CMA算法 109

5.3.6 CMA算法的改進 110

5.3.7 仿真結果與分析 112

5.4 本章小結 113

參考文獻 114

第6章 適於高速傳輸的大氣激光通信 115

6.1 基於MIMO系統的大氣激光通信 115

6.1.1 MIMO系統簡介 115

6.1.2 系統模型的建立 116

6.1.3 自適應波束形成技術 117

6.1.4 恆模算法的改進應用 118

6.1.5 仿真結果及分析 119

6.2 適於信息高速傳輸的均衡技術 120

6.2.1 64-QAM調製技術的應用 120

6.2.2 均衡系統模型 120

6.2.3 步長因子的選擇對恆模算法中的影響 121

6.2.4 眼圖及蒙特卡羅曲線 122

6.2.5 仿真結果及分析 123

6.3 本章小結 126

參考文獻 126

第7章 大氣湍流信道不同調制方式直接檢測性能 127

7.1 直接檢測接收機模型 127

7.1.1 直接檢測的基本原理 127

7.1.2 光電檢測器統計特性 128

7.1.3 光電檢測器噪聲模型 129

7.2 開關鍵控直接檢測性能 131

7.2.1 接收機信噪比和靈敏度 131

7.2.2 對數正態分佈信道接收機性能 133

7.2.3 Gamma-Gamma信道接收機性能 135

7.3 脈衝位置調製直接檢測 137

7.3.1 單脈衝位置調製 137

7.3.2 差分脈衝位置調製 140

7.4 數字脈衝間隔調製直接檢測 140

7.5 副載波強度調製系統載噪比 142

7.5.1 ASK副載波強度調製 142

7.5.2 MPSK副載波強度調製 144

7.5.3 OFDM副載波強度調製 144

7.6 本章小結 147

參考文獻 147

第8章 大氣湍流信道相干檢測系統性能 149

8.1 相干光檢測技術 149

8.1.1 相干光檢測系統組成 149

8.1.2 相干光檢測基本原理 149

8.1.3 相干光檢測優點及關鍵技術 150

8.2 相干光檢測靈敏度及影響因素 151

8.2.1 相干光接收機檢測靈敏度 151

8.2.2 Gamma-Gamma信道相干光檢測性能 155

8.3 相干光檢測載波恢復技術 156

8.3.1 MPSK載波頻偏估計和相位估計算法 156

8.3.2 副載波強度調製載波恢復 158

8.3.3 OFDM載波頻偏估計算法 162

8.4 偏振複用/偏振分集接收相干檢測 166

8.4.1 相干檢測偏振分集接收 166

8.4.2 偏振複用/相干接收 167

8.5 本章小結 167

參考文獻 168

第9章 紫外光通信 169

9.1 紫外光通信簡介 169

9.1.1 紫外光通信原理 169

9.1.2 紫外光通信特點 170

9.2 紫外光通信的應用 171

9.3 紫外光通信國內外研究現狀 173

9.3.1 國外研究狀況 173

9.3.2 國內研究狀況 174

9.4 紫外光通信系統理論分析 175

9.4.1 大氣組成及紫外光光譜特性 175

9.4.2 紫外光通信信道特性分析 176

9.4.3 紫外光通信兩種大氣傳輸模型 179

9.4.4 非直視紫外光通信系統的兩種模型 182

9.5 晴朗天氣下紫外光通信系統性能分析 186

9.5.1 路徑損耗分析 187

9.5.2 脈衝響應分析 188

9.5.3 系統3dB帶寬 190

9.5.4 信道容量仿真預測 192

9.6 紫外光源和光的接收設備 194

9.6.1 紫外光源 194

9.6.2 光電探測器 197

9.6.3 濾光片 199

9.6.4 無線紫外光通信可行性實驗分析 200

9.7 本章小結 202

參考文獻 203

本文摘編自朱耀麟等著《大氣激光信道傳輸的特殊介質影響及其信號處理》文前及第一章，內容有刪減。

大氣激光信道傳輸的特殊介質影響及其信號處理

朱耀麟等 著

責任編輯: 宋無汗 張瑞濤

北京：科學出版社 2019.01

ISBN：978-7-03-059846-2