大气传输激光通信系统是由两个激光通信机构组成的通信系统。它们相互发送调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收和解决对方的激光脉冲信号，实现双工通信。

图1 激光通信原理图

输出功率最大(>10kw)，输出波长有10.6 m和9.6 m，但体积大，寿命短，更适合卫星与地面之间的光通信。

波长为1064nm，它可以提供几瓦的连续输出，但需要高功率调节器，以确保波形质量，因此难以实现，是未来空间通信的发展方向之一。如果半导体泵的固体激光器发射光谱和Nd:YAG一致的激光吸收谱线可以降低热效应，提高激光束的质量，提高激光源的综合性能。适用于星际光通信。

LD它具有效率高、结构简单、体积小、重量轻等优点，可直接调制。因此，许多空间光通信系统都被使用LD作为光源。例如，波长为800~8600nm的ALGaAs LD和波长为970～1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD它具有简单高效的特点，用于探测和跟踪CCD阵列具有波长兼容性，成为空间光通信的更好选择。

半导体激光器或半导体泵浦多用于空间光通信系统YAG作为信号光和信号光源，固体激光器的工作波长为018~115(m近红外波段。信标光源（采用单管或多管芯阵列组合，增加输出功率）要求在大视场、高背景光干扰下提供几瓦级连续光或脉冲光，快速准确地捕捉和跟踪目标。通常，信标光的调制频率是几十到几千或几千到几十千，以克服背景光的干扰。信号光源选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但输出光束质量好，工作频率高(从几十兆赫到几十毫瓦)GHz)。具体选择取决于需要。据报道，贝尔实验室已开发出高达10个频率的调制GHz的光源。

发射和接收是空间激光通信系统中最重要的组成部分，包括调制（解调）器、光发射（接收）天线和探测放大装置。发射机主要是通过光学天线完成信息对光的激光，接收机用于接收信号光、光电转换、放大和解调。

空间光通信系统中,光接收端机接收到的信号是十分微弱的,又加之在高背景噪声场的干扰情况下,会导致接收端S/N<1。为了快速准确地捕获目标和接收信号，通常采取两种措施：一是提高接收机的灵敏度，实现nW～pW量级；二是处理接收到的信号，采用光窄带过滤器（干扰过滤器或原子过滤器等），抑制背景杂散光的干扰。精密

为完成系统的双向互逆跟踪， 光通信系统均采用收集， 发合一天线 , 隔离度近 100 %精密光机组件 (又称万向支架)。由于半导体激光的光束质量一般较差 , 天线增长要求高 , 另外 , 适应空间系统 , 天线 (包括主副镜， 合束 、 光学元件片等光学元件的整体结构应紧凑 、 轻巧 、 稳定可靠 。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至 25 厘米。

这是实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成：

为了完成系统的双向互逆跟踪，空间光通信系统采用集成天线，隔离度近100%的精密光机组件。由于二极管激光束质量普遍较差，需要较高的天线增益。此外，为了适应空间系统，天线（包括主副镜、合束、分束滤光片等光学元件）的整体结构应紧凑、轻便、稳定、可靠。目前，天线直径一般为几厘米至25厘米。

大气信道在地-地-空激光通信系统信号传输中是随机的。大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等颗粒的几何尺寸与二极管激光波长相似甚至更小，会导致光的吸收和散射，特别是在强湍流条件下。因此，在随机信道条件下，如何保证系统的正常道条件下的正常工作非常重要。自适应光学技术可以更好地解决这一问题，并逐步实用化。 此外,完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。

光源的波长应选择在通过率良好的大气窗口中。发射功率应考虑人眼的安全性。对于光源，除了输出光束质量好、工作频率高、出射光束窄外，还应考虑激光器输出功率稳定性、频率稳定性、光束方向稳定性工作寿命等。因此，有必要进一步研究新的激光光源技术。多模二极管激光光谱较宽，大气色散等因素会引起一定的脉冲扩展，从而限制通信速度，因此需要进一步分析。自由空间光通信系统最初使用800nm波段光源，这是因为该波段的激光器体积小，重量轻，效率高，成熟，成品齐全；同时，该波段也有成熟的锑原子滤波器。近年来，随着光纤通信技术的成熟，自由空间光通信的工作波段达到1550nm波段发展趋势。

发射和接收天线的效率将对自由空间光通信系统的接收光功率产生重要影响。发射天线可以设计成接近衍射极限，虽然可以获得最小的光点，但也很难准确对准；为了获得更多的信号能量，天线的直径越大，系统的体积、重量和成本就越好。因此，开发体积小、重量轻、光学增益大的新型接收天线，对提高接收灵敏度具有重要意义。

大气对激光通信信号干扰的分析仅限于大气的吸收和散射，很少涉及闪烁、光束漂移、扩展和大气色散，这些因素会影响接收信号的信噪比，从而影响系统的误码率、通信距离和通信带宽。因此，有必要对这方面进行更深入、更详细的分析，并提出解决上述问题的技术方案。例如，采用自适应光学技术是一个值得关注的研究方向。

光纤通信的成熟技术和设备已被引入激光通信，波分复用技术和光放大器技术已被应用于自由空间光通信。随着自由空间光通信技术的不断完善，从点对点系统到光网络系统的发展是大势所趋。一些专家预测，未来的自由空间光网络将形成一个三维的交叉光网络，可以在内外空间卫星上形成一个巨大的高容量通信网络，然后与地面上的光纤网络沟通，以满足未来各种通信业务的需求。

由于红外激光波束窄且看不见，自由空间光通信具有良好的安全性和保密性，因此很难在空中找到其通信链路。同时，激光束具有良好的定向性。如果你想拦截它，你通常需要插入链路，这很难做到。即使被拦截，用户也会发现链路被中断了。因此，自由空间光通信系统比微波系统安全得多。但经过分析论证，由于自由空间光通信道的开放性，也可以窃听信号，不阻断光束的传播。因此，有必要深入研究自由空间光通信的保密方法和技术。

光电探测器可以将光信号转换为电信号，原理是由辐射引起的照射材料的电导率发生变化。光电探测器可分为两类：一类是光子探测器，另一类是热探测器。

光电探测器不变，以提高传输效率，不变换光电信号要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下： 光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。

如果测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管；

光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。

空间激光通信技术及其发展，胡 渝，刘 华（1998）

本发明属于激光通信技术领域，具体涉及一种双工逆向调制（mrr）自由空间激光通信（fso）系统。

传统的自由空间激光通信（fso）系统链路两端都需要装载激光发射/接收系统和复杂的跟踪捕获（atp）系统，再加之传统的fso系统中进行信息传输的激光波段都是不可见光，所以在进行跟踪捕获方面有着巨大的困难。此外传统的fso系统的链路两端设备重量、体积、功耗等是限制fso技术发展的重要因素。

将传统fso系统的一个终端替换成mrr端而构成的一个非对称fso系统，免去了fso链路中一个终端激光发射器和复杂的atp系统，可以在很大程度上减轻整体系统的重量、体积和功耗，在一定程度上促进了fso技术的发展。从上世纪90年代起，国内外学者对mrrfso系统开展了大量研究工作，从一开始的单工mrrfso系统，再到半双工mrrfso系统，实现了数十千米以上，传输速率在mhz的通信指标。但是就目前研究工作而言，在mrrfso系统中，远距离收发机端和mrr端在对准和光路追踪等方面仍有较大困难，下行链路mrr端调制速率只能达到khz，还有大气环境的影响等都对mrrfso系统距离和传输速率的提升造成不小的困难。

本发明解决了现有技术所存在的结构复杂，安装调试繁琐，制作成本高，使用不甚方便等的技术问题；提供了一种便于安装，成本低，使用方便的双工mrrfso系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

双工逆向调制mrr自由空间激光通信fso系统，包括收发机端和mrr端两部分；

收发机端包括光源模块、第一信号处理模块、第一光探测器模块和第一共用光学天线模块四部分； 所述的mrr端由第二光学天线模块、第二光探测器模块、mrr模块和第二信号处理模块四部分组成。

作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。

所述的光源模块包括两个不同波段的激光器和相应的电光调制器，其中一个激光器的波段为可见光波段，另一个激光器的波段为光通信中多个工作窗口中的一个,电光调制器是将可调电信号加载到激光器的激光上，实现激光外调制；第一信号处理模块是将要发送的数据进行调制和对接收到的电信号进行滤波、放大及解调，同时对发送和接收的数据进行实时处理，并进行纠错码、误码率计算等；所述的第一光探测器模块可以将入射到其接收面的光功率的变化转化为相应的电流，其具有较高的灵敏度、较小的噪声，响应速度快，以适应高速率信息传输的需求；第一共用光学天线模块包括滤光片、二向色镜和望远镜系统，滤光片可将指定范围内之外的其他波段范围内的光滤除掉，只允许指定范围波段内的光通过，通过二向色镜将一束经过调制的不可见波段激光光束和一束未经调制的可见光波段激光束进行合束或者分束，再通过望远镜系统将经过合束的激光束发送出去，二向色镜可对两束不同波段的光进行合束，也可将混合光束中不同波段的光拆分开来；望远镜系统可对发射光束进行扩束和整形，并可增加接收孔径，扩大接收面积；

收发机端首先通过第一光探测器模块将要发送的数据发送至第一信号处理模块进行相关处理，输出的电信号控制电光调制器对相应光信号进行调制，从而通过控制激光的通断将信息发送到第一共用光学天线模块，再与可见光波段的激光器中出射的未经调制的光合束，并从所述的望远镜系统中出射，完成收发机端的信息的发送。

所述的第二共用天线模块可将来自收发机端的一部分自由空间光束耦合进光纤中，具有较高耦合效率；所述的第二光探测器模块为光纤型光探测器模块，可将共用光学天线模块光纤中的光功率转换成电流，光信号转变为电信号，具有最佳耦合效率，灵敏度和稳定性；所述的第二信号处理模块可将第二光探测器模块的电信号输出进行滤波和放大处理，解调出数据信息，并可对mrr端的回复反射信号进行再调制；所述的mrr模块具有逆向反射的特性，通过所述的第二信号处理模块中的数据可以实现对光信号进行逆向调制，mrr模块尺寸小，功耗低，结构稳定，是构成非对称fso系统的关键器件，能够实现远距离、高速率的要求；

mrr端首先将收发机端发送来的光信号通过第二共用天线模块耦合进第二光探测器模块中进行接收，将接收到的光信号通过第二信号处理模块转换为电信号并进行进行对数据进行处理，还原出收发机端发送的信号发送至所述的mrr模块再调制，将调制信号以回复反射的形式反射回收发机端。

进一步，所述的共用光学天线模块中的反射式望远镜系统在作为发射端时可以起到扩束和减小发射光束发散角的作用；在作为接收端时可以利用望远镜系统大的接收孔径接收回复反射的激光信号。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地描述。

如图1所示，本实施例双工逆向调制自由空间激光通信系统由收发机端和mrr端两部分组成。其中收发机端由光源模块、第一信号处理模块、第一光探测器模块和第一共用光学天线模块组成；mrr端由第二光学天线模块、第二光探测器模块、mrr模块和第二信号处理模块组成。光源模块是产生携带有效信息的激光光束和可见的信标光。信号处理模块有两方面作用，一是产生调制信号；二是对接收到的信号进行解调，恢复数据信息。光探测器模块是将接收到的光信号转换成相应电信号，供后续的信息处理模块进行相应处理。第一共用光学天线模块可以将两束不同波段的光进行合并或分束，减小发射时光束的发散角，增大接收孔径，其中的关键器件二向色镜也可起到滤光的作用。第二共用光学天线模块可将光束耦合进光纤中。mrr模块主要作用是对光束进行再调制和将光束反射回收发机端。

双工逆向调制自由空间激光通信系统的执行过程可以从图2、图3看到，首先携带调制信息的不可见光束从电光调制器中出射，通过带孔反射镜中央小孔出射，通过对该不可见光波段近乎完全透射的滤光片、二向色镜，同时可见光光束从激光器中出射，出射光束与二向色镜成45°角，二向色镜对两束光进行合束，从望远镜系统的目镜处入射，经过两个反射器反射，从望远镜系统的出光口出射，在经过第一个球面反射镜时光束会扩大，相当于扩束镜的作用，使出射光斑变大，反射式望远镜系统可以用来减小光束发散角。激光从望远镜系统中出射，在大气湍流中传输一段时间后到达mrr端，实现上行链路的传输，其中一部分光被耦合进光纤型探测器中进行检测，输出电信号经过滤波、放大处理后输入信号处理模块进行数据解码和误码率测试；另一部分光中为“1”的信号通过调制ccr，实现二次调制，从mrr端反射回大气湍流中。回复反射回收发机端的光信号在入射进望远镜系统后，逆光路从望远镜系统目镜中出射，经过二向色镜和滤光片后，只有相应不可见波段的激光反射至光探测器模块，然后经光探测器输出的光信号再由信号处理模块进行相应处理。

本领域技术人员可显见，本发明上述概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式，容易对本发明进行各种修改和形式替换而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改、替换及其等同形式。

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