自由空间光链路提供了一种可靠、经济高效且快速的方式来连接相距几公里的两个固定通信节点。
本文的第一部分建立了自由空间光链路的基本工作原理和基本原理。这一部分着眼于与它们的实现相关的一些实际问题中国机械网okmao.com。
问：如何将光发射器对准接收器？
答：根据定义，由于接收器对发射器可见，因此简单地观察和瞄准似乎很容易。然而，在许多情况下，我们谈论的是超过公里的超精密直线。为了便于瞄准，许多装置都配备了类似于步枪上的瞄准镜的内置望远镜成像系统，并配有摄像机和显示器，安装人员使用这些系统来对齐和调整安装角度。
问：有哪些可能的“机械”损伤？
答：建筑物和塔楼，即使牢固地附着在地球上，也并非没有运动。由于热诱发效应、轻微地震事件、交通诱发的微运动、附近的公共交通振动等，存在结构摇摆、振动、临时甚至半永久性位移的问题。为了克服这些困难，光束发散的“负面”问题变成了一个优势。
问：这个光束发散度是多少？
答：虽然流行的文献通常将激光束描绘成在整个传播距离内保持这种细度的细光束，但实际上，激光束的传播或发散与常规非激光光束相同。当然，对于具有相干输出的激光器，这种发散性要小得多。根据特定的光发射器和透镜排列，激光束会在一定程度上扩散。
问：我们所说的分歧有多大？
答：典型的 1 毫弧度 (0.057°) 波束在 1 公里的距离内发散至 1 米，如图。基本数学和小角度三角近似可以轻松确定接收器处其他角度和距离的发散区域（图 1）。
图 1：光束发散度既是降低信噪比的功率限制，也是在运动和其他障碍情况下提高链路完整性的有用功能。（图片：普渡大学）
这种分歧代表了经典的工程权衡。一方面，您希望发散尽可能小，以便接收器可以看到并捕获更多光发射器的能量。然而，这有两个含义：首先，远处的光束强度可能会超过允许的监管限制。其次，更宽的光束意味着系统对由于振动和运动造成的未对准的敏感度要低得多。一般而言，接收器处光束强度的降低意味着信噪比 (SNR) 的降低和误码率 (BER) 的升高。
问：还有其他问题吗？
答：当然。在路径链路衰减的广泛主题下，有水汽、雨、雾、烟粒、灰尘、空气湍流和其他不同损耗源的影响。这些减少了到达接收器的光量。这些因素中的每一个都有不同的机制。例如，烟雾粒子会阻挡一些光线，而雨和雾会反射和散射光线，从而形成光学多路径。
问：实际影响是什么？
答：光信号衰减取决于障碍物的数量和类型。此外，衰减也是用于链路的光波长的函数。一些关系并不明显：较大的雨滴比较小的水滴和雾更不成问题。
已经有许多详细的研究，包括理论的和基于现场测量的，关于这些因素引起的注意力。例如，在浓雾条件下，当能见度小于 50 米时，衰减可以超过 350 dB/km [注意“能见度”意味着只有 2% 的光到达接收器]。
在大雾期间，所有波长（通常使用 850、950 和 1550 nm）的衰减密切跟踪并遵循相同的模式，这意味着特定衰减与工作波长的选择无关（图 2）。
图 2：在大雾条件下，所有标准 FSO 激光波长的衰减与距离退化的关系大致相同。（图片：Arvix）
相比之下，当能见度范围较高时（例如 6 公里），与 850 纳米和 950 纳米相比，1550 纳米的特定衰减要小得多（图 3）。
图 3：在较轻的雾气条件下，标准 FSO 激光波长的衰减与距离退化有很大不同。（图片：Arvix）
问：衰减和损伤问题还有更多吗？
A：是的，绝对更多。这是一个多方面的话题，需要考虑的因素很多，研究和数据全面，不可能简单总结。该参考文献讨论更多的细节问题。
问：克服这些障碍和信号衰减源的方法有哪些？
答：与大多数工程问题一样，有多种选择。显而易见的方法是增加源功率，但这在许多情况下并不是一个实用的解决方案。不仅增加激光功率更加困难且成本更高（例如存在热问题），而且一旦在各种波长下超过特定的激光输出水平，FSO 系统对人眼在各种情况下都不再“安全”。监管任务。因此，在许多情况下，这是一个可接受的解决方案。
问：那么，可以做什么？
答：解决方案通常涉及空间和频率（波长）分集以及通过各种纠错码 (ECC) 进行的复杂数据编码。所有这些技术对最终用户都是透明的。一些系统还包括动态光束对准以保持正确的瞄准。
问：这里的空间多样性是什么意思？
A：这是路径多样性的一种形式。提供这一点的最简单方法是在接收器上使用多透镜排列（通常有四到六个透镜排列在一个圆圈内，间隔约 20-30 厘米。这增加了接收光束路径在某种程度上独立的机会彼此之间，因此在路径中提供冗余并减少具有高衰减的一个（或多个）路径的影响。
这样做的“成本”是更大的外壳、更多的镜头、多个光学传感器以及某种将传感器输出进行电气组合的方式；一些设计改为使用反射镜布置将修正后的光束进行光学组合，并将它们引导至单个光学传感器。
问：这是唯一的空间多样性方法吗？
答：不可以。一些更昂贵和更复杂的设计改为使用多个并行工作的光源（激光），这些光源也被安排以创建多个光路。这些信号然后通过一个或多个透镜装置在修正时组合。这种方法成本更高，因为光源比光学传感器更昂贵。
问：波长分集怎么样？
答：波长分集与射频系统中使用的频率分集相同，不同之处在于设计人员以波长为单位而不是光学世界中的频率来考虑和工作。这样做只是一个简单的、众所周知的数值转换问题，因为波长 λ × 频率 = c（光速）（图 4）。
图 4：RF 工程师从频率和波长两个方面进行工作和思考，而光学工程师几乎只使用波长；它们通过一个简单的公式联系起来，使用真空或空气中的光速 (c)。（图片：科学笔记）
为了提供波长多样性，使用多个具有不同波长的激光源。一个典型的系统将使用两个、三个甚至四个不同的波长。由于雨、雾、灰尘等衰减因素是波长的函数，因此使用这种分集会增加接收器的信号强度和 SNR。
衰减源、它们详细的光学和物理机制以及它们的严重性是一个主要主题，已被广泛研究、分析、测量和记录。
问：您如何决定使用哪种缓解方法？
答：这是通过对许多相关因素（例如距离、允许的最大功率和接收器灵敏度）进行建模来完成的。此外，必须考虑当地条件，包括预期的大气条件（干燥与潮湿）、预期的风和湍流、空气清洁度或污垢，以及与这些环境问题相关的任何数据。
本部分研究了与实际地面 FSO 链路相关的问题。最后一部分着眼于一系列商用系统，包括用于克服振动问题的动态梁对齐。