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深度解读紫外光通信技术

2018-10-12 19:27栏目:通信技术

  紫外光通信系统是一种新型的通信手段,与常规的通信系统相比,有很多优势。由于紫外线主要以散射方式传播,并且传播路径有限,采用紫外光通信系统具有一定的绕过障碍物的能力,非常适用于近距离抗干扰的通信环境。

  紫外光通信具有灵活、低窃听、全方位、非视距通信的独特优势,主要应用于短距离的、保密的通信是常规通信的一种重要补充。

  紫外光通信是以大气分子和子溶胶粒子的散射和吸收为基础的。紫外光通信基于两个相互关联的物理现象:一是大气层中的臭氧对波长在200nm到280nm之间的紫外光有强烈的吸收作用,这个区域被叫做日盲区,到达地面的日盲区紫外光辐射在海平面附近几乎衰减为零;另一现象是地球表面的日盲区紫外光被大气强烈散射。

  日盲区的存在,为工作在该波段的紫外光通信系统提供了一个良好的通信背景。紫外光在大气中的散射作用使紫外光的能量传输方向发生改变,这为紫外光通信奠定了通信基础,但吸收作用带来的衰减使紫外光的传输限定在一定的距离内。因此紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术。

  选择紫外“日盲”波段光波进行传输信号时,信号在传输过程中很少受到大气背景噪声干扰。由于紫外辐射在大气中由瑞利散射所造成的光能损失是红外线倍以上,使得工作于紫外波段的系统与红外系统相比具有很大的不同。它是信息传输实现非视距工作方式的基础,同时也克服了其他自由空间信息传输系统在视距方式工作时的弱点。

  1、高保密的数据传输性和强抗干扰能力;紫外光通信主要基于大气对紫外光的散射和吸收作用。紫外光信号在大气传输过程中会呈现指数倍的衰减,传输距离一般不超过10公里,信号难以监听和截获。另外,紫外光通信系统的辐射功率可根据通信距离减至最小,无线电设备很难对其进行干扰和精确定位。

  2、可用于非直视通讯;紫外光在大气传输过程中会发生散射现象,散射特性可以使紫外光通信系统能以非视距(NLOS: None Line Of Sight)的方式通信,适应复杂的地形环境,克服了其他自由空间光通信系统必须采用视距工作方式的缺点。

  3、具有很高的信噪比;由于大气臭氧对200nm~280nm 紫外光有强烈的吸收作用,近地面的背景噪声相对较小,因而它具有“日盲”特性,采用这一波段紫外光进行通信,信噪比较高。

  4、不需跟踪瞄准(ATP:3Acquisition Tracking and Pointing)。紫外光通信克服了无线通信需要铺设电缆的确定,节省了收放电缆所需时间,同时也解决了无线通信易被监听的缺点,减少了通信设备和线路开设及拆除所需时间。

  在复杂环境中,当无线通信、有线通信和光纤通信都不能用的时候,紫外光通信作为一种备用通信手段就会发挥作用。如下图为紫外光通信在巷战中的实际应用。

  紫外光通信的基本原理是以日盲区的光谱为载波,在发射端将信息电信号调制加载到该紫外光载波上,已调制的紫外光载波信号利用大气散射作用进行传播,在接收端通过对紫外光束的捕获和跟踪建立起光通信链路,经光电转换和解调处理提取出信息信号。

  紫外光通信系统一般由发射系统和接收系统组成,其中发射系统将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号;接收系统从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始信号。

  发射系统由信源模块、调制模块、驱动电路和紫外光源等组成,其工作过程如下:调制模块采用特定的调制方式将信源模块产生的电信号做调制变换,再通过发端驱动电路使紫外光源将调制信息随紫外载波发送出去;接收系统由紫外探测器、预处理电路、解调模块和信宿模块组成:其工作过程和发射系统刚好相反,紫外探测器捕捉并收集紫外光信号,对其进行光电转换,收端预处理电路对电信号进行放大、滤波等,解调模块将原始信息恢复出来送至信宿模块。

  紫外光通信系统有两种通信方式:视距通信 (LineofSight)和非视距通信

  与传统的自由空间光通信一样,紫外光通信可以以视距方式进行通信,遵循 “信号强度按指数规律衰减,与距离的平方成反比”的规律。

  紫外光特有的非视距通信方式:由于大气分子和悬浮粒子的散射作用,紫外光在传输过程中产生的电磁场使大气中的粒子所带的电荷产生振荡,振荡的电荷产生一个或多个电偶极子,辐射出次级球面波。由于电荷的振荡与原始波同步,所以次级波与原始波具有相同的电磁振荡频率,并与原始波有固定的相位关系,次级球面波的波面分布和振动情况决定散射光的散射方向。因此,散射在大气中紫外光信号与光源保持了相同的信息。

  早在1960年,美国海军就开始了关于紫外光通信的研究,1964年 G.L.Harvey做了关于紫外光通信关键技术的研究,1967年 J.A.Sanderson 将其应用到实际的光通信实验中。

  1968年,麻省理工学院S.E.Sunstein 的学术论文中最早出现了关于紫外光通信系统的具体实验,研究了26公里范围内基于大气散射效应的紫外光通信链路模型,实验中采用大功率氙灯作为紫外光源,辐射出的光波为连续谱,波长最短为280nm,采用光电倍增管作为光电探测器。不久,Reilly研究了波长在200~300nm 范围内的紫外光的大气散射模型。

  1976年,普林斯顿大学的E.S.Fishburne等人采用汞弧光灯作为光源,载波调制速率为40kHz,实现了紫外光通信系统的非直视通信。

  1990年,美国战术研究中心的 J.J.Puschell 采用汞氙灯作为光源,载波调制速率高达400kHz,紫外光源峰值波长为265nm,实现了一公里范围内的紫外光链路通信。

  1994年B.Charles 等,以及1995年R.D.都实现了采用紫外激光器作为光源的紫外光通信系统,载波峰值波长266nm,通信速率只有几百比特每秒。

  2000年美国通用公司为美军研制了一种实用的新型隐蔽式紫外光无线通信系统,已装备部队。该系统通信速率提高到4.8Kbit/s,误码率达到10-6。该系统不易被探测和接收,适用于多种近距离抗干扰通信环境,尤其适用于特别行动和低裂度冲突,可满足战术通信要求。

  2002年SET公司生产出了可以商用化的波长在247~365nm之间的深紫外LED。这SET 公司可提供峰值波长为247~365nm 的深紫外LED。尽管其电功率为150毫瓦,辐射光功率仅为微瓦级,还不能与光功率为毫瓦级的红外LED相提并论,但是近年来随着工艺和材料等方面的长足发展,紫外LED的电功率和光功率以及可靠性都有了很大的提高。

  2004年,美国麻省理工大学林肯实验室采用274nm的紫外LED作为光源,将240支紫外LED做成阵列,其光功率仅为4.5毫瓦。实验采用非直视通信,在100米的范围内通信速率为200bit/s。

  2007年,美国国防部高科技计划规划局就开始资助深紫外波段雪崩二极管的研发,要求其响应波段峰值为280nm,增益为610 ,目前已取得积极进展。

  目前美国军方对紫外光通信系统项目的研究和开发投入了大量的资金和力量。承接研究项目的单位主要有:美国雷神公司、美国麻省理工大学和美国国防预先研究计划局,美军TITAN系统启动的“紫外局域工作站网络 (ULAN)”旨在利用紫外辐射的基本原理研发高速、安全的紫外光通信系统。该系统可在直视和非直视两种模式下运作,其传输距离可达1公里以上。麻省理学院林肯国家实验室参与研制紫外光通信相匹配的一些关键性器件设备,并开发了相关运行测试的平台,并且就大气环境中对紫外光通信的各种因素进行了系统的分析。

  由此可见,美国军方在短距离紫外光通信领域进行了系统和深入的研究,完成了从基本原理到实用技术的多方面、多学科的研究。对紫外光用于战场短距离通信已经达到了实用化的阶段。但是其研究工作的具体情况和技术细节都处于高度保密状态。

  紫外光通信系统由发射机、接收机以及大气信道组成,如图所示。发射机将原始的基带数字信号通过调制器调制,转换为已调数字信号,再经过专用LED驱动芯片驱动紫LED光源。由光源发出的紫外光信号经过大气信道中大气分子和大气气溶胶粒子的散射和吸收作用,最终到达接收端光电探测器。接收机探测到微弱的紫外光信号后,经过光电探测器将光信号转换为电信号,再经过信号预处理电路进行信号处理,然后经解调器的解调将已调数字信号转换为原始的基带数字信号。

  紫外光源是决定紫外光通信系统速率最关键的因素。低速率紫外光通信系统多采用弧光灯、气体放电灯以及紫外激光器作为光源,由于光源本身的发光特性,系统的通信速率一般不超过10Kbit/s,制约了紫外光通信系统的应用,因此寻找一种新的紫外光源非常重要。

  目前应用于紫外光通信系统中的紫外光源主要有:汞蒸气弧光灯、低压汞灯和紫外激光器。

  在紫外光通信系统发展的初期,由于器件材料的限制,早期的紫外光通信系统样机大都采用汞蒸气弧光灯作为紫外光源。汞蒸气弧光灯作为紫外光源有很多缺点:易碎、高压驱动、难以实现高速率的开关进行直接调制、产生附加谱线nm的汞蒸气弧光灯的电光转换效率还不到10%。

  低压汞灯可以发射出254nm左右的窄频带光谱,是低速率紫外光通信系统较为常见的紫外光源。低压汞灯的转换效率可达30%~40%。此种光源在使用过程中需要高压镇流器,另外还要使用反射聚光镜来引导紫外光的传播方向。此种光源的发射功率很可观,可达几十瓦甚至上万瓦。但在具体使用低压汞灯的过程中会存在难以实现高速率开关调制的问题,当使用频移键控调制的时候,具体表现为在两个调制频率之间快速切换过程中,会产生频率成分很复杂的过渡带,调制频率相差越大过渡带越宽,这使得系统的通信速率提高到一个量级之后存在一个瓶颈,因此光源是限制紫外光通信系统速率进一步提高的关键因素。

  低速率紫外光通信系统的光源大都采用气体放电灯,根据气体放电灯的特性,频移键控是较为常用的调制方式,由于气体放电灯从一个频率状态到另一个频率状态会产生所谓的“过度频带”,使两个频率之间的交替变化不能高速进行,从而限制了通信速率。另外,气体放电灯需要高压驱动,电光转换效率不高,响应速度慢,严重制约了通信速率的进一步提高。

  由于紫外气体放电灯存在易碎、寿命短的缺点,人们开始将目光转向固体发光光源。1993年,美国麻省理工大学林肯实验室研制出了一种被动调Q微芯片激光器,其脉宽为皮秒级,峰值功率也高于传统的激光器。

  该激光器在测试过程中工作性能良好,相对气体光源而言,具有坚固耐用的优点,但是其缺点也很明显:转换效率低、价格昂贵、使用寿命短、脉冲重复周期对温度敏感以及不易低压高速驱动等。

  发光二极管(LED: Light Emitting Diode)是一种将电能转换为光能的半导体发光器件,是电致发光的固体光源。

  深紫外LED的出现克服了传统光源的缺点:(1)LED采用低压供电,单管驱动电压为1.5-3.5V,可操作性和安全性都有保障;(2)LED功耗小,消耗能量较同光效的白炽灯减少80%;(3)LED稳定性好,工作10万小时时光输出衰减为初始值的50%;(4)LED的响应时间短,只有纳秒级,克服了低压汞蒸气灯所导致的过渡带问题。

  大气分子和大气中的很多粒子对紫外光信号有很强的散射作用,被散射的紫外光信号会维持初始光信号的频率和固定相位关系,所以散射的紫外光信号可以用来传递信息。紫外光通信的链路方式有直视通信和非直视通信,如图所示。

  早期的紫外光通信系统多为直视通信,随着现代光电技术的进步,非直视紫外光通信技术也取得了长足的进步。日盲紫外光通信系统是建立在地球表面日盲区紫外光低背景的基础上的,紫外低背景是大气层中的臭氧强烈吸收紫外线的结果。对于一般的红外光通信和一般的激光通信,都要求发射机和接收机之间必须严格对准。因此日盲紫外光通信能够实现非视线通信就引起了人们极大的兴趣。

  日盲紫外光通信是利用日盲紫外光在低空大气信道中的日盲特性和其在大气中的散射作用来实现的,其显著的特点就在于日盲紫外光通信具有非视线传输的功能,所以在军事通信领域中有着巨大的优越性和发展潜力。

  非视线通信方式的工作原理:光在大气中传输时所产生的电磁场使大气中的分子和微粒所带的电荷产生振荡,而振荡的电荷又会产生一个或多个电偶极子,这些电偶极子就会向四周辐射出次级球面波,由于电荷的振荡与原始波是同步的,所以次级球面波与原始波就具有相同的振荡频率和固定的相位关系。次级球面波的波阵面的分布和振动情况将决定光的散射方向,因此发射的紫外光信号就能够散射在大气中,最关键的是这些散射信号都能保持原来的信息,所以只要这些散射信号能够到达接收机的视野区,就能够实现通信。

  从发射机发射出的日盲紫外光信号经过大气散射后由相距不超过一定距离的接收机接收,通常情况下接收机都采用大视野信号采集器以提高接收灵敏度。大视野信号采集器可以放在以发射机为圆心的有效散射半径之内的任何一个地方,都能接收到光散射信号,通常对视线通信有影响的海拔高度和地形障碍等因素对日盲紫外光通信而言都不是问题。由于日盲紫外光通信是靠收集大气对日盲紫外光的散射来建立通信链路的,所以传统的大气光通信传输模型不适合于分析这种非视线传输情况。日盲紫外光在大气中传输时主要受到大气分子和气溶胶微粒的散射作用。

  下图是一个散射通信系统的结构示意图。发射端光源以光束发散角2T 向空中发射光信号,接收机的接收角为2R ,发射机和接收机仰角分别为T 和R ,发射光束与接收视场在空间的交叉区域中的大气就形成一个连接通信链路的散射体,我们可以很形象的把这个散射体看成是一个小型“中继站”。发射机发射的光信号经过大气传输后到达“中继站”,接收机收集来自该“中继站”对光信号的散射,这样就完成了通信信号的非视线传送。由于接收到的散射光通常都很微弱,人们一般通过增大接收视场的方式来等效的增加空中的有效散射体的体积,从而能够接收到更多的散射光信号。

  紫外光电探测器是接收机的核心器件,主要功能是完成紫外光信号到电信号的转换。对于非直视的紫外光通信,理想的光电探测器应该有较大的探测面积、较高的增益和带宽、高的信号光透过率以及极低的暗电流。目前,紫外探测器通常采用光电倍增管、光电二极管和雪崩光电二极管。

  光电倍增管,简称PMT,是灵敏度极高,响应速度极快的光探测器,可广泛各种仪器设备中。光电倍增管由光电发射阴极(光阴极)和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极(阳极)等组成。

  典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型,图3.1为侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍增管的示意图。其主要工作过程如下:当光照射到光阴极时,光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统,并通过进一步的二次发射得到倍增放大,然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。

  因为采用了二次发射倍增系统,所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中,具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外,光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

  光电倍增管之所以具有优异的灵敏度(高电流放大和高信噪比),主要得益于基于多个排列的二次电子发射系统的使用,它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统是包括8~19极的叫做打拿极或倍增极的电极,目前使用的光电倍增管倍增系统有8类,它们分别是:环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型、微通道板型、金属通道型和混合型。

  光电二极管的光电转换线性度较好,无需高工作电压,响应速度快,其主要参数有:量子效率、响应度、暗电流、结电容、灵敏度等。量子效率、响应度反应了光电二极管的光电转换效率。当没有光信号照射光电探测器时,外界的杂散光或热运动也会产生一些电子空穴对,光电二极管也会产生电流,这个电流被称为暗电流,它会产生随机噪声,降低系统的信噪比。结电容直接影响到光电二极管的响应速度,结电容越小,器件响应速度越快,频带越宽。

  光电二极管将接收到的入射光进行光电转换,但其光电流很小,所以需要经过后级放大器来对信号进行放大和处理。为了得到一定幅度且平滑的输出信号,应设计两级放大,前置放大主要起到电流/电压变换的功能,将光电流转化成容易处理的电压量,随后通过限幅放大器放大并调整为某个标准电平输出。值得注意的是,在多级放大的结构中,前级的噪声会随着有用信号被后级放大,因此,除了要精心选择高质量的PIN光电二极管以外,必须设计出低噪声,宽频带的前置放大器。限幅放大器则要求增益高,同时要有均衡电路以减小码间串扰。

  雪崩光电二极管(APD: Avalanche Photodetectors)探测器以其体积小、工作电压低、频谱响应范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点,在弱光场测量、光子计数等相关领域中得到广泛应用。

  雪崩光电二极管是一种具有内部放大作用的光电二极管,工作时PN结加反向偏置电压,当入射光子在P区被吸收产生电子空穴对后,载流子在渡越耗尽区时将会被强电场加速而获得极大的动能,通过碰撞半导体的晶格使之电离产生二次电子空穴对,这些二次电子空穴对又被加速产生更多的电子空穴对,从而形成载流子的雪崩倍增效应,倍增因子可达以上,比一般光电倍增管的增益还要高,因此使用APD探测器进行单光子计数测量成为目前最常用的手段。

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