一、概述

自由空間光通信（FSO：Free Space Optical Communication），或稱無線光通信、無纖光通信，這是以激光作為信息載體，不需要任何有線信道為傳輸媒介的通信方式，可用于空間及地面間通信。其傳輸特點是光束以直線傳播。

FSO技術以小功率的紅外激光束為載體在位于樓頂或窗外的收發器間傳輸數據。這種紅外光不傷眼睛，傳輸距離受氣候條件影響，從幾百米到幾公里不等。

與大多數低頻段電磁波不同的是，300GHz以上的電磁波頻段的應用在全球都不受管制，而且可以免費使用，唯一的限制是設備功率不能超過國際電子技術委員會規定的功率上限（IEC60825-1標準）。在美國，與該標準相對應的規章是食品與藥品管理局下屬的放射設備衛生中心頒布的有關規定。

FSO設備有兩種工作波長：850納米和1550納米。850納米的設備相對來說很便宜（從30美元到1000多美元不等），一般應用在傳輸距離不太遠的場合。工作在1550納米波長的FSO設備的價格要高一些，但在功率、傳輸距離和視覺安全方面有更好的表現。1550納米的紅外光波大部分都被角膜吸收，照射不到視網膜，因此，相關安全規定允許1550納米波長設備的功率可以比850納米的設備高2個等級。功率增大，不但可以增加傳輸距離，提高數據傳輸速率，還有利于消除惡劣氣候條件（如大霧天氣）給傳輸帶來的不良影響。

二、自由空間光通信網絡的結構

FSO網絡主要有3種拓撲結構：點到點、點到多點（星形）和格形網，也可以把它們組合起來使用。這3種拓撲結構的優缺點匯總在下表2內。

表2：FSO網絡主要拓撲結構的優缺點

三、自由空間光通信網絡系統組成

1、光源部分

由于大氣性能的影響，進行激光空間通信時必須考慮激光的功率和傳輸頻率等特性。目前應用于通信系統的激光器有半導體激光器、固體激光器如 YAG激光器、氣體激光器等。半導體激光器可以產生波長為1.06μm的激光，這是大氣的一個低損耗窗口，因而可以有效減少激光傳輸中的衰減。此外半導體激光器具有體積小、轉換效率高、成本低并可直接調制的特點，放實際通信系統一般均采用半導體激光器作光源。

2、發射與接收部分

發射與接收是空間激光通信系統中最重要的部分，包括調制（解調）器、光發射（接收）天線及探測放大等裝置。發射機主要是完成信息對光源的調制，并通過光學天線發出承載信息的激光，而接收機用來接收信號光、進行光電轉換，通過放大、解調等處理完成通信任務。

3、對準、捕獲、跟蹤系統

激光空間通信與微波等無線通信方式不同，是近似的點對點通信，所以發送光必須準確地到達接收機探測器上。其對準（Pointing）、捕獲（Acquisition）、跟蹤（Tracking）的含義詳見下表3-3。在進行空間激光通信時，要盡量減少信道中的衰減和干擾因素的影響，同時要求通信具有較高的傳輸碼率和較高的保密性能。由于自由空間信道具有隨機的不穩定性，所以通信系統必須具有實時調整的ATP來適應不斷變化的條件。

表3-3：對準、捕獲、跟蹤的含義

四、FSO網絡的關鍵技術

1、高功率激光器技術

自由空間光通信系統對激光器的要求遠高于光纖通信，主要有如下表4-1所示的三個要求。

表4-1：FSO通信系統的特殊要求

通常信標光源（采用單管或多個管芯陣列組合，以加大輸出功率）要求能提供在幾瓦量級的連續光或脈沖光，以便在大視場和高背景光干擾下快速、精確地捕獲和跟蹤目標。信標光的調制頻率為幾十赫茲至幾千赫茲或幾千赫茲至幾十千赫茲，以克服背景光的干擾。信號光源則選擇輸出功率為幾十毫瓦的半導體激光器，但要求輸出光束質量好、調制頻率高（可達到幾十兆赫茲至幾十吉赫茲）。貝爾實驗室已研制出調制頻率高達10GHZ的光源，而國外用于大氣激光通信的半導體激光器和接收器件已實現商品化。就發射功率和探測靈敏度而言，完全能滿足15km以內的自由空間光通信系統的需求。美國、日本及俄羅斯等國都相繼推出了適于半導體激光大氣通信的大功率器件（含組合激光器件），連續輸出光功率從數十毫瓦到數瓦，脈沖輸出時有些組件的峰值功率可達10W的量級。

2、光學天線技術

構成光學天線的主要方式為：收發結合式、收發分離式和收發合一式。為完成系統的雙向互逆跟蹤，光通信系統均采用收、發合一天線，隔離度近100％的精密光機組件（又稱萬向支架）。收發分離式是俄羅斯用得較多的方式。由于半導體激光器光束質量一般較差，因而要求天線增益要高。此外為適應空間系統，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學元件）總體結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。國際上現有系統的天線口徑一般為幾厘米至25cm。在天線光學系統的設計上，國外有效地采用了自適應變焦技術以解決大氣信息道傳輸特性隨機變化時對通信產生的不利影響。實踐證明，自適應變焦技術是一項有效的實用技術。在光學天線架設的技術上，高效率地安裝校準裝置和方法已經試驗成功。收發天線應達到體積小、重量輕、光學特性好、便于安裝和調校的要求。俄羅斯的科技人員曾僅需幾分鐘就可將一對半導體激光大氣通信系統的天線架設好并使系統開通工作。

3、自動跟瞄技術

自動跟瞄技術在機動性要求高和工作平臺方位穩定性差的場合中具有良好的性能。在該系統中最重要的PAT方案中，美國TI6rmoTrex研究所提出的采用原子濾光器的方案相當成熟。在接收端采用性能優異的超窄帶寬的原子濾光器可以展寬視場角，所以衛星接收端能很容易地捕獲發射激光束。而且原子濾光器對太陽背景輻射有很強的抑制作用，發射端的信標信號光不會淹沒在強噪聲中，衛星接收端就可以捕捉并跟蹤鎖定在另一顆衛星的發射光束上，然后進行高碼率的通信。

1）捕獲（粗跟蹤）是在較大視場范圍內捕獲目標，捕獲范圍可達±1°～±20°或更大。通常由陣列CCD實現，并與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執行機構完成粗跟蹤即目標的捕獲。粗跟蹤的視場角為幾個毫弧度，靈敏度約10PW，跟蹤精度為幾十毫弧度。

2）跟蹤、瞄準（精跟蹤）是在完成目標捕獲后，對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常由四象限紅外探測器QD或Q-APD位敏傳感器，并配以相應的電子學伺服控制系統來實現。精跟蹤要求視場角為幾百微弧度，跟蹤精度為幾個微弧度，跟蹤靈敏度大約為幾納瓦。

4、信道分析及壓縮編碼技術

在自由空間通信中，信道的性能以及許多外界的干擾均會對通信質量及性能產生很大影響，因此在通信系統傳輸中需采用必要的信號分析及信號壓縮編碼技術。通常自由空間信道都是隨機的。尤其是大氣中的氣體分子、水霧、雪、雨、氣溶膠等粒子，其幾何尺寸與半導體激光波長相近甚至更小，這就會引起光的吸收和散射。特別是在強湍流的情況下，光信號將受到嚴重干擾甚至脫靶。因此保證系統在隨機信道條件下的正常工作對自由空間通信系統的工程化研究十分重要。實驗證明，自適應光學技術可以較好地解決這一問題，并已逐漸走向實用化。為了在自由空間光通信目前還十分有限的調制帶寬內（尤其是大功率下的有限帶寬）更大容量地傳輸多路信號提供保證，信號壓縮編碼技術發展迅速，其中被譽為“數學顯微鏡”的小波技術由于具有優良的時頻分析能力及變焦性能，因而能有效地應用于空間數據的壓縮和解壓縮。結合分形理論，從空間數據的組織特點和信息特征出發，利用小波理論進行空間數據的壓縮和解壓縮將成為空間數據壓縮領域的研究熱點。此外還需建立網上空間數據（特別是影像數據）的壓縮和解壓縮模型，實現空間數據的無約束通信。

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