本發(fā)明創(chuàng)造涉及一種通信設(shè)備及其控制方法，尤其是一種機(jī)載激光通信設(shè)備及其控制方法。

背景技術(shù)：

未來戰(zhàn)爭的主戰(zhàn)場將是太空、臨近空間、航空、地面、海洋的立體空間，越來越多的國家認(rèn)識到和掌握空間對打贏未來戰(zhàn)爭的重要性。目前的航空、航天等偵察平臺正向高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和多傳感器復(fù)合偵察等方向發(fā)展，迫切需要將海量原始數(shù)據(jù)以無損方式從偵察平臺直接傳輸或中繼傳輸至指控終端，滿足現(xiàn)代軍事實(shí)時性的要求。

當(dāng)前的主要通信模式是射頻通信，其傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了通信速率要求，不得不采取數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，雖然可以保證實(shí)時傳輸，但是圖像壓縮將引起圖像分辨率的降低；另外可以進(jìn)行大容量存儲器緩沖模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但雖然可以保證局部區(qū)域的空間分辨率，但是不能保證寬覆蓋和實(shí)時傳輸)，從而制約了信息化水平的整體提高。雖然射頻通信速率也在不斷提高，但是由于在理論上其通信帶寬受取限制，其通信速率已經(jīng)接近極限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明創(chuàng)造提供了一種機(jī)載激光通信設(shè)備及其控制方法，信標(biāo)光和信源光兩種光源通過同一個接收天線進(jìn)行接收，之后經(jīng)過分離、處理后傳輸給控制模塊，通過接收到的信標(biāo)光和信源光信號調(diào)整設(shè)備的俯仰和方位角度，進(jìn)行信號的跟蹤，反饋的信標(biāo)光和信源光信號通過兩個不同的發(fā)射端分別發(fā)射出去，由此保證雙方信號的交換工作。解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的通信速率、圖像分辨率不能滿足要求，且不能同時保證寬覆蓋和實(shí)時傳輸?shù)募夹g(shù)問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造采用的技術(shù)方案是：機(jī)載激光通信設(shè)備，包括有艙內(nèi)和艙外兩部分，艙內(nèi)為系統(tǒng)的電子處理模塊，艙外為光機(jī)檢測和伺服系統(tǒng)，其特征在于：所述的艙外部分包括有殼體，殼體上的整流罩，在殼體內(nèi)，整流罩對應(yīng)位置處安裝有光學(xué)平臺，光學(xué)平臺通過俯仰軸連接在二維常平臺上，實(shí)現(xiàn)光學(xué)平臺的俯仰轉(zhuǎn)動；二維常平臺通過上部的方位軸連接殼體和外部的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)外殼、二維常平臺與光學(xué)平臺的同步平面轉(zhuǎn)動；光學(xué)平臺上安裝有可見光相機(jī)、接收天線、發(fā)射天線和紅外照相機(jī)；

所述的電子處理模塊主要包括有通信天線電路，和操控臺電路；

通信天線電路中，信源光接收模塊和信標(biāo)光接收模塊將接收到的光信號傳輸?shù)讲倏嘏_電路中進(jìn)行分析處理，信源光發(fā)射模塊和信標(biāo)光發(fā)射模塊將接收處理后的光信號發(fā)射出去，由此完成雙方的精準(zhǔn)對準(zhǔn)；俯仰軸系和方位軸系接收操控臺電路的信號輸出，并通過接收信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)整設(shè)備對準(zhǔn)位置；

操控臺電路中設(shè)置有與通信天線電路連接的通信處理單元、與通信處理單元連接的主控單元，主控單元中包括有與上位機(jī)連接的人機(jī)交換單元和進(jìn)行控制的外部操縱桿。

所述的光學(xué)平臺中通過接收天線同時接收信標(biāo)光和信源光信號，通過濾波器過濾后，通過分光鏡分光，之后將信號分別通過設(shè)置的粗捕獲探測器或精跟蹤探測器輸出到通信天線電路中的信源光接收模塊和信標(biāo)光接收模塊中。

所述的殼體上部設(shè)置有阻尼隔振，用于進(jìn)行被動隔振處理。

所述的通信天線電路中設(shè)置有方位軸陀螺和俯仰軸陀螺，作為消除系統(tǒng)抖動影響。

一種機(jī)載激光通信設(shè)備的控制方法，其特征在于：

1)、信號的接收：

1a)、使用同一個光學(xué)的接收天線同時接收對方終端發(fā)射的信源光和信標(biāo)光；

1b)、在接收天線后端中繼光路部分通過濾波器經(jīng)過濾波，之后通過快速傾斜鏡將光信號反射到分光鏡中，進(jìn)行信源光和信標(biāo)光分離；

1c)、分離后的信源光通過濾波器后傳輸?shù)酵ㄐ旁垂馓綔y器中，通信源光探測器將捕捉到的光信號上傳至通信天線電路中的信源光接收模塊中，進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)處理后上傳到操控臺電路，進(jìn)行處理；

分離后的信標(biāo)光通過濾波器后，一部分的信標(biāo)光通過分光片傳至粗對準(zhǔn)探測器，之后通過通信天線電路上傳至操控臺電路進(jìn)行粗對準(zhǔn)分析控制，另一部分的信標(biāo)光通過分光片傳至精跟蹤探測器，之后通過通信天線電路上傳至操控臺電路進(jìn)行精對準(zhǔn)分析控制；

2)、設(shè)備調(diào)整：接收到的光信號傳輸?shù)酵ㄐ旁垂馓綔y器中，通信源光探測器將捕捉到的光信號上傳操控臺電路，回饋的信息至通信天線電路中的俯仰軸系和方位軸系進(jìn)行控制，并將控制調(diào)整信號輸出，從而調(diào)整接收設(shè)備俯仰角度和方位角度，對信號進(jìn)行實(shí)時跟蹤，保證雙方的信標(biāo)光和信源光能夠?qū)崟r收發(fā)暢通；

3)、信號的發(fā)射：信標(biāo)光和信源光分別進(jìn)行發(fā)射，輸出的信源光首先經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制并放大，然后用中繼光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束，再通過快速傾斜鏡反射后，采用無焦望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行發(fā)射；信號光則直接進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束并發(fā)射。

本發(fā)明創(chuàng)造的有益效果在于：

(1)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜大氣條件下的穩(wěn)定、可靠通信，高保密性，高的抗干擾能力，具有全雙工通信能力。

(2)采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)、合理的控制技術(shù)削弱天氣因素對通信系統(tǒng)的影響。

(3)將光學(xué)平臺在掃描過程中的光學(xué)瞄準(zhǔn)誤差降低到最小，同時也將外部氣動流的干擾降低到最小。

(4)采用以寬帶、低漂移的速率陀螺為核心器件的主動視軸穩(wěn)定系統(tǒng)，對低頻、大幅度擾動進(jìn)行有效抑制。

(5)為實(shí)現(xiàn)高精度動態(tài)跟蹤，采用粗精復(fù)合軸ATP跟蹤技術(shù)。粗跟蹤環(huán)具有較大的視場和較低的伺服帶寬，以實(shí)現(xiàn)快速捕獲和穩(wěn)定粗跟蹤；精跟蹤環(huán)具有較小的動態(tài)范圍、較高的伺服帶寬和高跟蹤精度，以保證快速和高精度的對準(zhǔn)和跟蹤。

附圖說明

圖1：為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2：為本發(fā)明光學(xué)平臺工作原理圖。

圖3：為本發(fā)明處理通信系統(tǒng)工作原理圖。

圖4：為本發(fā)明通信天線電路原理圖。

圖5：為本發(fā)明操控臺電路原理圖。

具體實(shí)施方式

機(jī)載激光通信設(shè)備，包括有艙內(nèi)和艙外兩部分，艙內(nèi)為系統(tǒng)的電子處理模塊，艙外為光機(jī)檢測和伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為：所述的艙外部分包括有殼體，殼體上的整流罩1，在殼體內(nèi)，整流罩1對應(yīng)位置處安裝有光學(xué)平臺4，光學(xué)平臺4通過俯仰軸連接在二維常平臺6上，實(shí)現(xiàn)光學(xué)平臺4的俯仰轉(zhuǎn)動；二維常平臺6通過上部的方位軸連接殼體和外部的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)外殼、二維常平臺6與光學(xué)平臺4的同步平面轉(zhuǎn)動；光學(xué)平臺4上安裝有可見光相機(jī)5、接收天線3、發(fā)射天線2和紅外照相機(jī)10。

具體的，艙外部分還設(shè)置有伺服轉(zhuǎn)塔7，使吊艙能夠進(jìn)行方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)跟瞄和光學(xué)信號收發(fā)功能，在機(jī)艙升降裝配面9和伺服轉(zhuǎn)塔7之間設(shè)置有阻尼隔振8，用于進(jìn)行被動隔振處理。

所述的電子處理模塊主要包括有通信天線電路12，和操控臺電路11。

通信天線電路12中包括有方位軸系模塊、俯仰軸系模塊、信源光接收模塊、信源光發(fā)射模塊、信標(biāo)光接收模塊，信標(biāo)光發(fā)射模塊。通信天線電路12中，信源光接收模塊和信標(biāo)光接收模塊將接收到的光信號傳輸?shù)讲倏嘏_電路11中進(jìn)行分析處理，信源光發(fā)射模塊和信標(biāo)光發(fā)射模塊將接收處理后的光信號發(fā)射出去，由此完成雙方的精準(zhǔn)對準(zhǔn)；方位軸系和俯仰軸系接收操控臺電路11的信號輸出，并通過接收信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)整設(shè)備對準(zhǔn)位置。

方位軸系模塊中包括有左限位開關(guān)、右限位開關(guān)、止動器、方位電機(jī)和方位旋變器，其中左右限位開關(guān)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動的左右極限位置，當(dāng)已經(jīng)轉(zhuǎn)動到極限位置時通過方位軸系模塊向上傳輸信息，并停止轉(zhuǎn)動，方位電機(jī)接收通信天線電路12接收到的操控臺電路11信息，帶動方位軸的轉(zhuǎn)動。

俯仰軸系模塊中包括有上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、俯仰電機(jī)和俯仰旋變器，其中上下限位開關(guān)控制旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動的上下極限位置，當(dāng)已經(jīng)轉(zhuǎn)動到極限位置時通過俯仰軸系模塊向上傳輸信息，并停止轉(zhuǎn)動，俯仰電機(jī)接收通信天線電路12接收到的操控臺電路11信息，帶動俯仰軸的轉(zhuǎn)動。

信源光接收模塊將接收到的信源光通過信源光探測器之后通過信源光收發(fā)板發(fā)送給操控臺電路11。

信標(biāo)光接收模塊將接收到的信標(biāo)光一部分通過信標(biāo)光接收光學(xué)系統(tǒng)處理后進(jìn)行成像和定位跟蹤，另一部分通過光電轉(zhuǎn)換接頭進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出到操控臺電路11中進(jìn)行后續(xù)的處理。

信標(biāo)光發(fā)射模塊將回饋光信號經(jīng)過信標(biāo)光激光器，通過信標(biāo)光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射。信源光發(fā)射模塊將回饋的光信號，通過光纖放大器模塊放大調(diào)整，之后通過信源光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射出去。

通信天線電路12中還包括有方位軸陀螺和俯仰軸陀螺，方位軸陀螺和俯仰軸陀螺的信息傳輸給信號轉(zhuǎn)換板，之后將信息傳輸?shù)讲倏嘏_電路11中進(jìn)行處理，作為消除系統(tǒng)抖動影響。

操控臺電路11中設(shè)置有與通信天線電路12連接的通信處理單元、與通信處理單元連接的主控單元，主控單元中包括有與上位機(jī)連接的人機(jī)交換單元和進(jìn)行控制的外部操縱桿。

光學(xué)平臺4中通過接收天線2同時接收信標(biāo)光和信源光信號，通過濾波器過濾后，通過分光鏡分光，之后將信號分別通過設(shè)置的粗捕獲探測器或精跟蹤探測器輸出到通信天線電路12中的信源光接收模塊和信標(biāo)光接收模塊中。光學(xué)平臺4上還設(shè)置有信源光和信標(biāo)光分別的發(fā)射天線，對傳輸回饋后的光信號進(jìn)行分別的發(fā)射。

機(jī)載激光通信設(shè)備的控制方法，其特征在于：

1、信號的接收：

1a、使用同一個光學(xué)的接收天線3同時接收對方終端發(fā)射的信源光和信標(biāo)光；

1b、在接收天線3后端中繼光路部分通過濾波器經(jīng)過濾波，之后通過快速傾斜鏡將光信號反射到分光鏡中，進(jìn)行信源光和信標(biāo)光分離；

1c、分離后的信源光通過濾波器后傳輸?shù)酵ㄐ旁垂馓綔y器中，通信源光探測器將捕捉到的光信號上傳至通信天線電路12中的信源光接收模塊中，進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)處理后上傳到操控臺電路11，進(jìn)行處理；

分離后的信標(biāo)光通過濾波器后，一部分的信標(biāo)光通過分光片傳至粗對準(zhǔn)探測器，之后通過通信天線電路12上傳至操控臺電路11進(jìn)行粗對準(zhǔn)分析控制，另一部分的信標(biāo)光通過分光片傳至精跟蹤探測器，之后通過通信天線電路12上傳至操控臺電路11進(jìn)行精對準(zhǔn)分析控制；

2、設(shè)備調(diào)整：接收到的光信號傳輸?shù)酵ㄐ旁垂馓綔y器中，通信源光探測器將捕捉到的光信號上傳操控臺電路11，回饋的信息至通信天線電路12中的方位軸系和俯仰軸系進(jìn)行控制，并將控制調(diào)整信號輸出，從而調(diào)整接收設(shè)備俯方位角度和俯仰角度，對信號進(jìn)行實(shí)時跟蹤，保證雙方的信標(biāo)光和信源光能夠?qū)崟r收發(fā)暢通；

3、信號的發(fā)射：信標(biāo)光和信源光分別進(jìn)行放射，輸出的信源光首先經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制并放大，然后同終極光系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束，在通過快速傾斜鏡反射后，采用無焦望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行放射；信號光則直接進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)行發(fā)射。

本發(fā)明通信終端采用對稱式結(jié)構(gòu)，一個較大口徑的光學(xué)天線同時接收對方終端發(fā)射的信號光和信標(biāo)光，并在天線后端中繼光路部分完成波長隔離；信標(biāo)光和信號光分別采用不同波長的激光，信號光和信標(biāo)光采用獨(dú)立的發(fā)射孔徑，信號光發(fā)射和接收支路共用一個快速傾斜鏡。

在發(fā)射支路上，信號光首先經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制并放大，然后用中繼光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束，再通過快速傾斜鏡反射后用一個無焦望遠(yuǎn)鏡發(fā)射；信標(biāo)光則直接進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束和發(fā)射。在接收支路上，光學(xué)主天線同時接收信號光和信標(biāo)光，依次通過快速傾斜鏡和分色棱鏡，然后分別對信號光和信標(biāo)光進(jìn)行處理。其中信標(biāo)光通過窄帶干涉濾波器后進(jìn)入捕跟探測器執(zhí)行捕獲和跟蹤功能；信號光則通過窄帶干涉濾波器后使用APD直接探測并進(jìn)行信號解調(diào)。

信號接收時，信號激光通過光學(xué)接收天線，被聚焦在通信探測器APD上。首先經(jīng)過光檢測器轉(zhuǎn)換成射頻電流，然后饋入射頻檢波器，最后由解碼器解調(diào)出原來的信號。采用自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，以保證當(dāng)空間信道介質(zhì)變化引起光斑漂移時，自動調(diào)整光學(xué)天線，保證雙方始終處于對準(zhǔn)的狀態(tài)。光天線接收到光信號后，經(jīng)過光學(xué)分束，信標(biāo)光的一部分至粗對準(zhǔn)探測器，輸出信號由粗對準(zhǔn)控制、驅(qū)動粗對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)完成粗對準(zhǔn)；信標(biāo)光的另一部分經(jīng)精對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、分光片、分束片至精探測器，由精對準(zhǔn)控制器控制精對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，完成雙方的精確對準(zhǔn)與跟蹤。

具體使用時：

工作波長選擇：

為使大氣激光通信系統(tǒng)有更遠(yuǎn)的通信距離、更高的安全性，激光通信對激光波長一般選擇“大氣窗口”頻段是首要考慮方面，其次還要避開環(huán)境中的高頻輻射頻段。

影響激光在大氣中傳輸?shù)耐高^率的主要因素有：大氣吸收和大氣散射。

如果不采用窄帶濾波片，大氣激光通信系統(tǒng)的最強(qiáng)噪聲源來自太陽光散射形成的背景輻射。為了避開太陽光散射的影響，同時也考慮保密性的要求，紅外激光成為可選波段。常用的處于大氣窗口的紅外通信波段有：810～860nm、980～1060nm、以及1550～1600nm，另外還要避開地球的熱輻射，這一波段大致在900～1000nm，因此810～860nm和1550～1600nm是較為合理的頻段。

當(dāng)選擇通信窗口時，就水平傳輸而言，低層大氣的主導(dǎo)衰減以米氏散射為主。這時?？梢杂门c能見度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式表示，其形式為：

式中，V為能見度，λ為傳輸波長。q與能見度有關(guān)，一般認(rèn)為：

由上式推斷出光的波長越長衰減系數(shù)越小。為減輕大氣對激光傳輸?shù)挠绊懀瑧?yīng)選擇紅外波長的激光。

同時，激光在空地傳輸過程中，為了保證對人眼安全，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC60825的規(guī)定，波長λ>0.4μm的激光是人眼安全的激光波段，1550nm激光的安全功率較常用的830nm波長要高2個數(shù)量級。

為了使激光傳輸損耗最小和滿足人眼安全的要求，軍用大氣激光通信系統(tǒng)的發(fā)射波長應(yīng)選擇1550nm波長。同時選擇1550nm激光通信技術(shù)，可借鑒目前成熟的波分復(fù)用技術(shù)，其器件、組件己經(jīng)商品化，使得1550nm大氣激光通信技術(shù)較其他波長光無線通信系統(tǒng)適用性和擴(kuò)展性更好。

通信距離：

根據(jù)自由空間光通信作用距離計算公式，有

P_r＝L_total+P_t+L_margin (1)

其中，L_total為總損耗光功率，有

L_space為空間幾何損耗，L_atmosphere為大氣損耗，L_t為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的損耗，L_r為接收光學(xué)系統(tǒng)的損耗，D_r為接收口徑，l為通信距離，θ_t為光束發(fā)散角,α為大氣衰減系數(shù)，取能見度23km，T_t、T_r分別是發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率，P_t為發(fā)射機(jī)的發(fā)射光功率，P_r為接收機(jī)的探測靈敏度，L_margin為系統(tǒng)功率余量。

當(dāng)機(jī)載通信端機(jī)為接收端，地面通信端機(jī)為發(fā)射端時，取設(shè)計參數(shù)：D_r＝0.08m，l＝40km，θ_t＝0.3mrad，α＝0.1km－1，T_t＝0.9，T_r＝0.6，P_r＝-40dBm，P_t＝33dBm。將設(shè)計參數(shù)代入上式可得：

在能見度23km的天氣條件下，當(dāng)通信距離為40km時，地面端機(jī)對機(jī)載端機(jī)通信的功率余量為6.4dB，可滿足總體指標(biāo)。

當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ哦藱C(jī)為接收端，機(jī)載通信端機(jī)為發(fā)射端時，取設(shè)計參數(shù)：D_r＝0.18m，l＝40km，θ_t＝0.6mrad，α＝0.1km－1，T_t＝0.9，T_r＝0.6，P_r＝-40dBm，P_t＝27dBm。將設(shè)計參數(shù)代入上式可得:

在能見度23km的天氣條件下，當(dāng)通信距離為40km時，機(jī)載端機(jī)對地面端機(jī)通信的功率余量為1.45dB，可滿足總體指標(biāo)。

傳輸速率及誤碼率：

空對地?zé)o線光通信屬于大氣光通信，大氣對光束傳輸?shù)挠绊懼饕ù髿馕?、散射造成的能量衰減和大氣湍流產(chǎn)生的附加調(diào)制，因此可將大氣信道分為大氣衰減信道和大氣湍流信道。通常以大氣衰減系數(shù)表示大氣衰減信道，而大氣湍流信道則可以電流噪聲的形式描述其效應(yīng)。

一般地，大氣激光通信鏈路方程為

式中，P_r和P_t分別是接收和發(fā)射光功率，D為接收口徑，L為通信距離，T_r和T_t分別是接收和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率，θ_t為激光束散角，α為大氣衰減系數(shù)，對于1550nm激光波長，有α＝2.14/V，V為能見度。

在實(shí)際的激光通信系統(tǒng)中，通信接收端需對光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大整形后由時鐘提取判別電路將信號還原為數(shù)字信號，因此接收電路的信噪比不僅決定于接收機(jī)內(nèi)部噪聲，還與大氣湍流噪聲和背景噪聲密切相關(guān)。

通常選用雪崩光電二極管和PIN光電二極管作為通信光電探測器，光電探測器的信號電流與探測器響應(yīng)度和接收光功率有關(guān)，有i_s＝rP_r。i_s為信號光電流，r為探測器響應(yīng)度。對于強(qiáng)度調(diào)制/直接探測方式，輸出噪聲功率P_n為

式中，和分別是信號光電流、背景光電流、暗電流、電阻溫度產(chǎn)生的噪聲功率譜。它們分別表示為

式中，q＝1.601×10^-19C；對于PIN光電二極管，F(xiàn)＝1；BW_f和Δf分別為濾光片線寬和探測器帶寬；H_b為背景輻射亮度；θ_r為接收視場角；i_d為探測器暗電流；k_B為波爾茲曼常數(shù)；用表示大氣湍流導(dǎo)致的探測器靶面上的光強(qiáng)起伏，稱其為大氣閃爍指數(shù)，取為歸一化光強(qiáng)起伏方差，有

和分別是比特1和比特0的方差，指信號為不完全調(diào)制，通常取調(diào)制深度η為90％，則有

系統(tǒng)的誤碼率可由下式給出：

式中，I_th為閾值，當(dāng)信號采樣值大于I_th時，系統(tǒng)判定為1，否則為0。

取波長1550nm，發(fā)射功率500mW，束散角0.6mrad，接收口徑180mm，接收靈敏度-40dBm，發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率分別為0.9、0.6，代入上式，對不同能見度天氣條件下的最大通信速率進(jìn)行了計算。當(dāng)能見度為20km時，155Mbps通信速率的最大通信距離為45km；能見度為10km時，該速率的最大距離為27km,能見度為5km時，該速率的最大距離為16km。

實(shí)際中大氣湍流對于誤碼率的劣化具有相當(dāng)嚴(yán)重的影響，隨著的增大，系統(tǒng)誤碼率急劇增大，當(dāng)大于0.4時，變化曲線趨于平穩(wěn)。當(dāng)大氣閃爍指數(shù)分別是0.11和0.07時，可達(dá)到的最小誤碼率為10-6和10-9。

從器件選型的角度分析，通信信號的光源采用主振功放(MOPA)結(jié)構(gòu)，本振光光源選擇分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器，調(diào)制方式為直接調(diào)制，調(diào)制驅(qū)動電路的最大帶寬為500MHz，則光源可滿足155Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

接收信號光的探測器采用雪崩光電二極管集成前放組件，其響應(yīng)帶寬為470MHz，則接收電路能夠滿足155Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)接收。

根據(jù)上述分析，可知空對地?zé)o線光通信系統(tǒng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)155Mbps的傳輸速率。

光源選型：

光源為MOPA結(jié)構(gòu)，本振光光源為輸出功率2dBm的DFB半導(dǎo)體激光器，功率放大級采用大功率光纖放大器模塊，工作波長為1550nm，單模光纖耦合輸出，其最大輸出光功率為27dBm～33dBm。采用MOPA作為光源，既可滿足高調(diào)制帶寬的要求，又可實(shí)現(xiàn)大功率信號光輸出，滿足遠(yuǎn)距離通信的需要。

空中平臺選型：

可選的空中平臺類型包括：固定翼無人飛機(jī)、旋轉(zhuǎn)翼無人直升機(jī)、直升機(jī)和偵察運(yùn)輸機(jī)。選擇空中平臺的依據(jù)包括：有效載荷、飛行高度、巡航速度、云高、續(xù)航時間和應(yīng)用特點(diǎn)，云高根據(jù)不同地域、不同季節(jié)和天氣有所不同，一般地云高約為3～4km。各平臺的指標(biāo)如下所示。

針對空對地?zé)o線光通信的應(yīng)用，空中平臺應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1)具有一定的定速巡航能力；

(2)有效載荷大；

(3)飛行高度低于云高，避免云層對無線光通信的影響；

(4)巡航時間長。

比較上表，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)八是無線光通信空中平臺的最佳選擇。因此，建議前期加裝平臺可以以運(yùn)八平臺為主，逐步拓展到其它如無人機(jī)、直升機(jī)等多種平臺。

保精度跟蹤角速度：

取地面通信端機(jī)與機(jī)載通信端機(jī)的最小通信距離為1km，直升機(jī)航速為300km/h，則ATP系統(tǒng)最大跟蹤角速度為

即ATP系統(tǒng)的保精度跟蹤角速度應(yīng)大于4.74°/s，因此，機(jī)載通信端機(jī)的保精度跟蹤角速度為5°/s，地面通信端機(jī)的保精度跟蹤角速度為10°/s。

ATP系統(tǒng)最大響應(yīng)頻寬：

ATP系統(tǒng)的最大響應(yīng)頻寬由激光發(fā)散角、最小航路和平臺最大相對速度決定。其關(guān)系式如下：

地面通信端機(jī)的激光發(fā)散角為0.3mrad，代入式中得到B＝277.7Hz。因此，地面通信端機(jī)ATP系統(tǒng)的最大響應(yīng)頻寬為277.7Hz。

機(jī)載通信端機(jī)的激光發(fā)散角為0.6mrad，代入式中得到B＝138.8Hz。因此，地面通信端機(jī)ATP系統(tǒng)的最大響應(yīng)頻寬為138.8Hz。

2、組成子系統(tǒng)：

艙外子系統(tǒng)：

如圖1所示，艙外子系統(tǒng)具體為吊艙結(jié)構(gòu)，其位于平臺飛機(jī)的機(jī)身的底部機(jī)翼前沿部位，吊艙能夠進(jìn)行正負(fù)190度的方位旋轉(zhuǎn)和進(jìn)行+10到－90度的俯仰旋轉(zhuǎn)，以給終端提供大于半球的可視區(qū)域。吊艙玻璃窗口應(yīng)該鍍上符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的增透膜，其玻璃窗口的曲率要和吊艙相匹配，并且要能夠做到近乎零光焦度。這種設(shè)計能夠?qū)⒐鈱W(xué)平臺在掃描過程中的光學(xué)瞄準(zhǔn)誤差降低到最小，同時也將外部氣動流的干擾降低到最小。

吊艙用兩個角度指示器來確定吊艙的水平和俯仰角度位置，由安裝在兩個軸上的齒輪和直流電機(jī)驅(qū)動。

光學(xué)平臺子系統(tǒng)：

光學(xué)子系統(tǒng)包含兩個小口徑的信號光和信標(biāo)光發(fā)射天線、一個較大口徑(直徑150mm)的光學(xué)接收天線以及相應(yīng)的光學(xué)中繼系統(tǒng)，完成光束的準(zhǔn)直/聚焦、擴(kuò)束/縮束，發(fā)射/接收功能。光學(xué)天線應(yīng)保證接近衍射極限的光學(xué)成像質(zhì)量要求。

每個光學(xué)部件都安裝在一個復(fù)合結(jié)構(gòu)上，這個復(fù)合結(jié)構(gòu)可以由低伸縮率的碳合成物制造，并用殷鋼來固定各種光學(xué)固件。

為了降低成本和適應(yīng)機(jī)載平臺，光學(xué)天線可采用卡塞格倫式望遠(yuǎn)鏡，主鏡采用拋物面反射鏡，次鏡采用雙曲反射鏡。并可增加折軸光路以進(jìn)一步壓縮終端的體積。

ATP子系統(tǒng)：(ATP為Acquisition，Tracking and Pointing，ATP子系統(tǒng)即為捕獲、跟蹤及瞄準(zhǔn)子系統(tǒng))

捕跟機(jī)構(gòu)的主要功能是通過調(diào)整終端自身姿態(tài)，配合光學(xué)天線以改變光束傳播方向的方式實(shí)現(xiàn)通信終端激光通信鏈路的建立。這種光束傳播方向的動態(tài)改變是為了滿足終端瞄準(zhǔn)、捕獲及跟蹤的性能要求，具體要求如下：

瞄準(zhǔn)：在該模式下，終端光軸指向預(yù)定的方向(對方終端出現(xiàn)的不確定區(qū)域的中心)，瞄準(zhǔn)精度應(yīng)小于信標(biāo)光的信號展寬的一半，以確保瞄準(zhǔn)狀態(tài)時對方終端的信標(biāo)光在己方終端的捕獲視場內(nèi)。

捕獲：捕獲到對方終端的信號光(捕獲探測器上有信號輸出)，并進(jìn)行誤差校正直至通信探測器上有信號輸出。捕獲過程首先需要通過一條有足夠長時間來交換飛機(jī)位置、速度和GPS時間的RF數(shù)據(jù)鏈路來共享來自GPS和慣性傳感器的位置數(shù)據(jù)。一旦信標(biāo)光的跟蹤丟失，將自動開始重新捕獲。一旦粗跟蹤信標(biāo)光被觀測到，立即開始計算信標(biāo)光在粗跟蹤探測器上的重心，重心即代表了目標(biāo)飛機(jī)的視軸方向，粗跟蹤伺服機(jī)構(gòu)開始跟蹤目標(biāo)飛機(jī)的激光通信終端視軸，直至信標(biāo)光進(jìn)入精跟蹤探測器。

跟蹤：以本終端計算出來的誤差信號跟蹤對方終端的通信光束。目標(biāo)激光通信終端的視軸(重心)與通信接收光路的視軸的差值將被應(yīng)用于驅(qū)動快速傾斜鏡，使目標(biāo)激光通信終端的視軸趨于通信接收光路的視軸方向。該伺服機(jī)構(gòu)的閉環(huán)帶寬大于數(shù)百赫茲，具體值取決于跟蹤誤差和平臺的振動頻譜。

通信子系統(tǒng)：

通信子系統(tǒng)的主要功能是完成信號光的發(fā)送與接收。主要由激光器模塊，接收機(jī)模塊，調(diào)制解調(diào)模塊、光學(xué)模塊和機(jī)械封裝構(gòu)成。

在通信發(fā)射支路上，信號調(diào)制電路控制調(diào)制器對信號激光進(jìn)行直接強(qiáng)度調(diào)制，然后將調(diào)制后的信號光進(jìn)行放大至約500mW，以獲得足夠的發(fā)射激光功率。同時光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)以較高光學(xué)質(zhì)量完成信號激光的擴(kuò)束和整形，使其發(fā)散角控制在小于100微弧度。

在通信接收支路上，信號激光依次通過光學(xué)接收天線，快速傾斜鏡，分色鏡，窄帶干涉濾光器，然后被聚焦在通信探測器上。從通信探測器上轉(zhuǎn)換的電信號被判決解調(diào)成信號碼流，并對該碼流進(jìn)行解碼和誤碼率評估。

終端控制器：

終端控制器是終端系統(tǒng)電子處理模塊的核心部件，其主要功能包括三部分：實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤功能；實(shí)現(xiàn)終端頂層控制功能(終端工作模式切換以及各子模塊之間的信息調(diào)度)；對系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

控制器可用幾個數(shù)字信號處理器承擔(dān)核心功能?？傮w控制DSP(數(shù)字信號處理Digital Signal Processing，簡稱DSP)接收微處理控制器產(chǎn)生的所有命令，當(dāng)命令完成或者命令有錯誤時提示微處理器做出響應(yīng)?？傮w控制同時處理來至于慣性傳感器和GPS(全球定位系統(tǒng))單元以及RF數(shù)據(jù)鏈路的信息，并通過它的全局共享存儲把信息傳給捕獲和吊艙DSP。

負(fù)責(zé)吊艙伺服系統(tǒng)的DSP對捕獲過程進(jìn)行控制。它從兩個激光通信終端接收GPS/INS位置、速度和飛機(jī)自身的高度信息，然后計算出目標(biāo)飛機(jī)位置，這些數(shù)據(jù)用來驅(qū)動吊艙完成捕獲功能。除此之外吊艙伺服DSP還對吊艙姿態(tài)進(jìn)行定位和監(jiān)測。

粗捕獲伺服DSP對粗捕獲伺服環(huán)路作出響應(yīng)，該環(huán)路包括粗跟蹤接收機(jī)，陀螺穩(wěn)定器和常平架定位執(zhí)行單元。該粗伺服DSP控制著粗跟蹤接收機(jī)的相機(jī)增益和重心閾值。它還從粗跟蹤接收機(jī)的象素灰度值計算常平架的方位軸和俯仰軸方向。在目標(biāo)終端的重心出現(xiàn)在精跟蹤接收機(jī)的視場中以后，粗伺服DSP將常平架陀螺和執(zhí)行單元的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給精跟蹤伺服DSP。

精跟蹤伺服DSP對精跟蹤環(huán)路的狀態(tài)作出響應(yīng)，該環(huán)路主要包括：精跟蹤接收機(jī)，陀螺穩(wěn)定器，常平架定位執(zhí)行單元和快速轉(zhuǎn)鏡。在接收到粗伺服DSP轉(zhuǎn)交的信號后，精伺服環(huán)路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤來至目標(biāo)飛機(jī)的信標(biāo)光，確保信號光能被穩(wěn)定地接收。該精伺服DSP控制著精跟蹤重心定位相機(jī)的相機(jī)增益和重心閾值。

所有DSP返回的診斷數(shù)據(jù)被標(biāo)記上時間，序列號和源頭身份識別號碼。這些信息通過微處理控制器傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上，并存儲在一個診斷計算機(jī)的硬盤上，以及傳到飛行測試設(shè)備系統(tǒng)的存儲器上。其他用戶也可以通過飛機(jī)上的局域網(wǎng)來訪問這些數(shù)據(jù)。診斷數(shù)據(jù)的數(shù)量和類型由用戶來控制，該診斷計算機(jī)具有顯示包括從相機(jī)獲得的原始幀數(shù)據(jù)以及全部中間數(shù)據(jù)的能力。

輔助子系統(tǒng)：

輔助子系統(tǒng)為機(jī)載激光通信終端的正常工作提供電源和進(jìn)行熱控。確保激光通信終端必須能在-62度到+55度的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并能適應(yīng)在濕度從接近零到大雨的變化。

3、工作模式：

休眠模式：

通過關(guān)閉終端電源來降低功耗(P<1W)，終端平臺熱控保持終端溫度在安全工作范圍內(nèi)，只有終端控制器處于待機(jī)模式。

待機(jī)模式：

終端維持在低功耗狀態(tài)，終端控制器和熱控子系統(tǒng)開始工作，等待命令輸入。

預(yù)備模式：

除了功率放大器和驅(qū)動電機(jī)，其余的終端部件都開始上電，終端可以隨時切換到工作狀態(tài)。

捕獲模式：

終端全部部件都進(jìn)入工作狀態(tài)，天線指向目標(biāo)終端以獲得對方的信號光，并進(jìn)行誤差校正直至己方的精跟蹤探測器有信號輸出。

通信模式；

終端始終穩(wěn)定跟蹤對方終端的信標(biāo)光，保持通信連接狀態(tài)。

診斷模式：

終端能夠診斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并能有處理預(yù)設(shè)錯誤。

具體使用時，吊艙玻璃窗口應(yīng)該鍍上符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的增透膜，其玻璃窗口的曲率要和吊艙相匹配，并且要能夠做到近乎零光焦度。這種設(shè)計能夠?qū)⒐鈱W(xué)平臺在掃描過程中的光學(xué)瞄準(zhǔn)誤差降低到最小，同時也將外部氣動流的干擾降低到最小。為了降低成本和適應(yīng)機(jī)載平臺，光學(xué)天線采用卡塞格倫式望遠(yuǎn)鏡，主鏡采用拋物面反射鏡，次鏡采用雙曲反射鏡，并采用折軸光路以進(jìn)一步壓縮終端的體積。熱控設(shè)計采用被動熱控設(shè)計和主動熱控設(shè)計想配合的方法，盡量將跟蹤機(jī)構(gòu)、電子部件和光學(xué)部件三個部分實(shí)施熱隔離，并分別對其采取相應(yīng)的熱控措施。為實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定，采用主被動抑制措施對視軸進(jìn)行穩(wěn)定，無角位移特種橡膠實(shí)現(xiàn)被動減振，抑制平臺的高頻振動分量對視軸的影響；采用以寬帶、低漂移的速率陀螺為核心器件的主動視軸穩(wěn)定系統(tǒng)，對低頻、大幅度擾動進(jìn)行有效抑制。為實(shí)現(xiàn)高精度動態(tài)跟蹤，采用粗精復(fù)合軸ATP跟蹤技術(shù)。粗跟蹤環(huán)具有較大的視場和較低的伺服帶寬，以實(shí)現(xiàn)快速捕獲和穩(wěn)定粗跟蹤；精跟蹤環(huán)具有較小的動態(tài)范圍、較高的伺服帶寬和高跟蹤精度，以保證快速和高精度的對準(zhǔn)和跟蹤。