大气激光通信系统设计及其光学系统实验

摘要

大气激光通信是一种以激光为载波,大气信道为传输介质的无线通信方式,具有低成本、安装快捷、安全性高等优点,其应用领域和市场前景非常广阔.本课题的目的是改进设计一套低成本、高带宽的激光通信端机,它主要由光学系统,收发电路以及对准、捕获和跟踪系统组成. 光学系统用来实现端机信号的空间传输,包括发射天线和接收天线两个部分.发射天线使用伽利略望远镜,在压缩激光发散角的同时,减小了发射天线的尺寸,从而简化了整个系统的大小.接收天线使用了开普勒望远镜,最大限度的接收光信号,并将其压缩耦合至接收装置. 发射电路部分采用了新型的半导体垂直腔面激光器VCSEL,作为信号发射装置,并选用了相应的驱动芯片实现电光转换.经过完善的电路设计可以实现芯片对激光器发射功率的监控和调整以及适当的温度补偿.接收部分采用了高增益的雪崩二极管APD作为微弱激光信号的接收器件,分析了APD的最佳倍增增益,并针对APD的增益会发生温漂的现象设计了温度监测和反向电压偏置电路. 对准、捕获和跟踪系统是用来保证收发端机在工作过程中安全通信的关键装置.它可以克服由于建筑物摆动或大气扰动等造成的收发端机间主光线的偏移而产生的通信链路中断.该系统采用了位置敏感探测器PSD作为位置误差信息的获取装置,并采用了高反应速度、高分辨率的快速倾斜镜实时调整出射光束以重新对准链路,连续传输信息. 论文的最后详细说明了光学系统的调试过程和调试结果,并对实验结果进行了分析,论证了光学系统的可行性.

目录

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第一章绪论

1.1本论文的研究目的

1.2大气激光通信技术的发展历史

1.3大气激光通信技术的优势

1.4 FSO与几种常用的接入技术的比较

1.5大气激光通信技术需要解决的问题

1.6大气激光通信技术的主要应用领域

1.7国内外发展状况

1.7.1国外发展现状

1.7.2国内发展现状

1.8 FSO的成功运用范例

1.9 FSO研究的几个方向及发展趋势

1.10本文的主要工作

第二章FSO系统总体设计

2.1 FSO系统的设计目标

2.2 FSO系统的总体方案设计

2.2.1信号发射装置设计

2.2.2信号接收装置设计

2.2.3光学子系统设计

2.2.4 PAT子系统设计

2.3端机内部框图和FSO系统工作流程

2.4 FSO端机的安装设计

2.5本章小结

第三章FSO系统的光学子系统设计

3.1几种常用的FSO光学子系统设计方案比较

3.1.1透射式望远镜

3.1.2反射式望远镜

3.2光学子系统改进设计

3.2.1光学设计软件ZEMAX介绍

3.2.2激光器的特性分析

3.2.3发射天线设计

3.2.4接收天线设计

3.3本章小结

第四章激光器的选择及发射模块设计

4.1激光器的选择

4.1.1大气信道对激光信号的影响

4.1.2激光器的选择

4.2 FSO发射电路设计

4.2.1 MAX3740A与激光器的匹配分析

4.2.2应用电路设计

4.3 MAX3740A高频电路板的制作要求

4.4本章小结

第五章光接收器件的选择和接收电路的改进

5.1光接收器件的选择

5.1.1器件选择

5.1.2 APD的工作原理与最佳倍增增益

5.2 FSO接收模块设计

5.2.1信号处理电路设计

5.2.2自动增益控制电路改进

5.2.3温度检测电路的理论计算

5.4本章小结

第六章PAT子系统方案改进和器件选择

6.1 PAT系统改进设计方案

6.1.1对准、捕获和跟踪的定义

6.1.2 PAT系统的工作流程设计

6.2位置敏感探测器的选择及相关设计

6.2.1光束空间位置敏感探测器的选择

6.2.2 PSD坐标提取电路设计

6.3 PAT系统改进

6.3.1 850nm介质膜高反射镜设计

6.3.2 FSM结构设计原理介绍

6.3.3压电陶瓷微位移器驱动电源改进设计

6.4本章小结

第七章FSO光学子系统实验

7.1实验仪器介绍

7.2光学系统调试

7.2.1发射天线的调试难点

7.2.2发射天线调试

7.2.3收发天线联调

7.3本章小结

第八章全文总结与展望

8.1全文总结

8.2论文创新点

8.3课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢