长距离紫外光通信系统

江沛，刘学，孙晖（中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004）



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长距离紫外光通信系统

江沛，刘学，孙晖
（中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004）

摘要：通过采用新型光源调制技术、反射式天线和滤光技术、接收光整体滤波技术、高灵敏度光电探测技术和高速信号处理技术，实现了长距离数据和语音传输。系统传输数据误码率小，话音清晰可辨，其全天候长距离非视距通信的特点使其具备一定的民用和军用价值。

关键词：紫外光；日盲区；光电倍增管；滤光片

0　引言

紫外光散射通信技术基于波长200～280nm的紫外光作为载体，以大气为通信介质，利用其散射特性来传输信息。紫外光通信具有保密性强、非视距通信以及抗干扰能力强等优点［1-3］。

虽然近年来国内相关单位都开展了紫外光方面的研究，但是这些研究成果都是仅限于试验室平台搭建的信号传输样机或是测试仪器，不能进行长距离散射通信。在国外，紫外光通信研究处于一个相对领先水平，但最大散射通信距离仅为100m，无法满足长距离的紫外光通信应用［4，5］。本设计通过采用紫外光源快速调制技术、紫外微弱信号探测技术、组合滤光系统和电压信号处理技术，研制出了实用化的紫外通信系统，可进行全天候、长距离散射通信。

1　系统简介

图1　系统功能框图

系统由通信端机和紫外收发一体天线组成，功能框图如图1所示。本系统传输的业务为数据和话音。通信端机主要完成语音和数据的信号处理，与天线系统建立通信链路。系统通信端机原理和技术相对简单，研制难点和关键是紫外光收发天线，紫外天线的性能和技术指标直接决定了系统是否能够满足长距离、保密性强、全天候通信的要求。因此紫外天线必须满足两项基本要求：①发射端紫外光源出光功率大，出光光谱特性好；②接收端光电探测器灵敏度高，能接收到足够光强度紫外信息光，并能克服各种环境噪声的干扰，譬如雨、雪、太阳光和电磁等。

2　紫外光收发天线设计

紫外发射系统主要完成紫外信息光的发射，由紫外光源、反射式天线、紫外窗口滤波器以及加热系统组成；紫外接收天线主要由光学接收天线、光电倍增管探测电路和信号处理电路等组成，主要完成紫外光信号的接收。

2.1紫外光源和加热系统

2002年，美国启动了国家紫外半导体器件计划，研制紫外半导体光源和紫外探测器用于紫外光通信。该项目在2008年左右取得了突破，研制出在深紫外段工作的半导体LED，但是单个255nm紫外LED光源的功率仍低于1mW，效率不足5%。随着近几年紫外LED的价格不断降低，大规模紫外LED阵列已出现，最大单颗紫外LED阵列可集成64颗LED芯片，但其总功率仍不超过30mW。考虑到国内器件成熟度、通信距离、通信速率以及经济性等方面的因素，本文选择低压汞灯作为紫外光源。低压汞灯不仅发射功率大 （可达到百瓦量级），而且具有很好的光谱分布特性，其能量集中在260nm波段。

市面上普通的低压汞灯虽然出光波长及发射光功率都满足系统的使用要求，但其存在启动迟滞现象，通信速率低，为了满足调制速率的要求，汞灯必须采用预电离技术。该技术关键是在气体放电灯上增加辅助阳极，构成预电离紫外灯，如图2所示。采用预电离光阴极可提供紫外光源阴极和阳极导通时所必须的载流子，这样启动时间可缩短至几十微秒量级。因为紫外光源为气体汞灯，环境温度低于-10℃时无法启动，在紫外光源处需增加温度加热控制系统，提高系统环境适应性。

图2　预电离紫外光阴极结构

实际通信试验验证：采用预电离紫外光阴极的低压汞灯的调制频率可提高到40kHz以上，而普通紫外低压汞灯的调制频率低于10kHz，调制带宽提高了近4倍。

2.2反射式天线和发射窗口滤波器

紫外光反射式天线采用铝合金开模铸造而成，反射面为抛物面，紫外光源安装于抛物面焦点附近，保证紫外光以较小束散角发射方向性好，如图3所示。反射面镀上氧化抛光铝膜，对260nm波段紫外光有非常强的反射效果。

图3　反射式天线和窗口滤波器

紫外光源辐射光谱大部分集中在日盲区 （波长253.7nm），但在日盲区以外（365nm、404nm、435nm、546nm、577nm和579nm）仍存在很强的辐射，直接采用该光源将导致紫外光通信系统的保密特性丧失。如果采用常规的光学滤波手段会吸收大量的发射信号，影响发光效率。同时普通光学滤波器容易潮解，随着时间的推移透过率会逐渐下降，影响系统工作寿命。本文研制新型的专门服务于紫外光源的发射窗口滤波器：以大口径方形高纯石英为基片，采用光学HfO2镀膜，膜层厚度120层。其可保证254nm处紫外辐射高透过率≥70%，其它特征谱线透过率≤1%，满足保密性要求同时提高了人眼安全性。

2.3光学接收天线

接收天线需要背景光（波长290nm以上）透过率低于10-9的光学滤波器，才可以全天候工作。将光路和光学滤波融为一体的新型组合式滤波技术，有效提高了系统信噪比，其最大技术特点是改变紫外接收机光学探测系统和光学滤波器件分立的结构，使光路中各光学部件均可实现对日盲区以外的背景滤光，共同构成组合式滤光系统，如图4所示。

整体滤波方案包括选择性窗口透镜、多层式反射式滤光片和透射式滤光片三个部分。通过提高每一类滤波方法的技术指标，使得总的滤波效果有很大提高：整体截止深度高达OD10，背景光透过率低于1× 10-9，紫外波段光透过率大于50%。

2.4紫外光探测电路

考虑传输速率及非直视传输方式的特点，本系统选用响应速度快、增益倍率高的光电倍增管。改进型日盲紫外倍增管，日盲特性好，在近紫外段（350nm）的光谱灵敏度是普通Te-Cs阴极光电倍增管的10%。

图4　光学接收天线

光电倍增管探测到紫外信息光后输出一个微小电流信号，使用跨阻运放来实现电流/电压转换，如图5所示。

图5　电流-电压转换电路原理图

光电倍增管输出的电流全部进入反相放大器的输入端，理想状态下所有电流都将会流过反馈电阻（Rf），然后流出前置放大器的输出端，因此，输出电压Vo可以用式（1）表示：

考虑到前置放大器的输入偏置电流（Ios）会叠加进输入电流中，则输出电压变为：Vo=-Rf（Ip+Ios）。为减小Ios带来的影响，前置放大器选用偏置电流低、温漂小的运放。由于探测电流Ip低于100pA，还需要考虑电路板的制作材料，本项目选用特富龙、聚苯乙烯材料以进一步降低Ios。将反馈电阻用接地的金属板进行屏蔽，用同轴电缆进行电压信号传输，能显著减小Cf，提高频率响应特性，减少外部噪声的干扰。前置放大电路如图6所示。

2.5高速信号处理电路

高速信号处理电路主要功能是对放大后的信号进行滤波、整形等处理，恢复出原始电信号。由于滤光系统不能将背景光完全滤除，有一部分背景光会射入紫外探测器，使其产生噪声电流。另外，紫外探测器自身也会产生一定的暗电流及热噪声，因此信号处理模块必须有较好的滤波、整形功能将探测器噪声滤除，还原出原始电信号。

图6　前置放大电路

系统电路基于高速DSP芯片，模拟信号采样速率为5MHz，采样精度为18位。以美国TI公司处理速度达到300MHz的TMS320VC6713B高速浮点数字信号处理器（DSP）为核心，能够实现实时运行信号预处理、信道编解码 （数据校验）和PSK调制/解调等多种功能。

3　结束语

本文解决了大功率紫外光源调制、紫外光微弱信号探测、背景光滤光以及噪声滤波等技术难点，使得紫外光通信系统能够进行远距离传输语音和数据。经过试验检验证明，本设备传输的语音清晰，数据误码率低，具有低窃听率、抗干扰性强、全方位性和全天候工作等特点。

参考文献：

［1］倪国强，钟生东，刘榴娣，等.自由大气紫外光学通信的研究［J］.光学技术，2000（4）：297-303.

［2］许桂华.紫外光通信［J］.现代通信，2000（4）：6-7.

［3］苟加志，肖沙里.紫外光技术及其在自由空间光通信中的应用［J］.重庆工商大学学报（自然科学版），2008，25（6）：603-606.

［4］GARY A Shaw，ANDREW M Siegel，MELISSA L.Nischan．Demonstration System and AppIications for Compact wircless Ultraviolet Communications［J］.Proceedings of SPIE，2003，507l：241-252．

［5］SHAW G A，NISCHAN M L，IYENGAR M，et al.NLOS UV communication for distributed sensor systems［J］.Proc.SPIE，2000，4126：83-89．

中图分类号：TN919.12

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0044-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.013

收稿日期：2014-11-24。

作者简介：江沛（1982-），男，工程师，主要从事光通信研发工作。

Long distance ultraviolet light communication systerm

JIANG Pei，LIU Xue，SUN Hui
（The 34 Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China）

Abstract：Through the adoption of new type of light source modulation technology，reflective antenna and filter technology，receiving light overall filtering technology，high sensitivity photoelectric detection technique and high speed signal processing technology，the paper implements the data and voice transmission over long distances.System data transmission error rate is small，voice is clear，the characteristic of its all-weather long-distance non line-of-sight communications make it has a certain civil and military value.

Key words：ultraviolet ligh，solar-blind，photomultiplier，optical filter