專利名稱：激光大氣傳輸方法
技術領域：
本發明涉及光的控制技術，具體地指激光大氣傳輸方法。
激光技術的應用前景隨著科學技術的發展，它將會在軍事、機械加工、精密測量、醫療衛生方面顯示著更加廣闊的前景，不但如此，激光在通訊技術、電視技術中的應用也將越來越顯示出其優越性，在上述的各種應用中，尤在通訊、電視、測距等應用方面，都需要激光在大氣中進行全天候的遠距離傳輸，而激光通過大氣時，其強度將按公式I1＝I0exp(-α0l)的規律進行吸收衰減，式中I1和I0分別是傳輸距離l之后和原始的激光強度，α0是大氣吸收系數，需要指出的是，大氣吸收系數α0在不同的氣候下，其數值不同；另一方面，激光通過大氣同時也受到大氣中的顆粒散射而使強度降底，其強度衰減規律也是遵循上述公式，只是把大氣吸收系數α0換成散射系數αp，激光在上述的傳輸過程中，其衰減是顯而易見的，尤其在雨天、霧天、蒸汽、塵埃、煙霧的情況下，激光的衰減更為嚴重，現有的激光技術之所以還不能在遠距離通訊、電視技術中推廣的原因之一就是采用了單光束(數據光束)的激光傳輸方法。
本發明的目的是針對上述單光束激光在較為惡劣的大氣中傳輸過程中存在隨著距離的增加而衰減增加的缺點，提出一種激光大氣傳輸方法。
為了實現上述目的，本發明所采用的方法作如下描述該方法使用套筒式激光光束傳輸方法，外筒激光束為保護激光光束，內筒激光束為數據激光光束，保護激光光束將數據激光光束包絡在內，外筒的保護激光光束的強度大于內筒的數據激光光束的強度，保護激光光束吸收其光束通道中的煙或霧粒子、塵埃粒子，數據激光光束為一被載波調制的激光束，數據激光光束的傳輸方向與外筒的保護激光光束的傳輸方向相同并保持相平行。
由于本發明使用了由保護激光光束和數據激光光束構成的套筒式激光傳輸方法，先由保護激光光束將數據激光光束要通過的通道中的煙霧、塵埃粒子吸收，使該通道變為一個“清潔”的通道，從而使數據激光光束能在塵霧及雨天等較為惡劣的環境下傳輸，增加了數據激光光束的有效傳輸距離。
本發明的方法將通過下面的附圖和實施例作進一步的詳細說明
圖1為本發明的套筒式激光光束示意圖。
圖2為圖1的端面(光斑)示意圖。
圖3為本發明的多路數據激光端面(光斑)示意圖之一。
圖4為本發明的多路數據激光端面(光斑)示意圖之二。
圖5為本發明的保護激光光束為另種形狀光端面(光斑)示意圖。
圖6為實現本發明發射激光光束而使用的光學系統原理示意圖。
圖7為實現本發明接收激光光束而使用的光學系統原理示意圖。
激光光束在大氣中的衰減主要有大氣吸收衰減和大氣氣溶膠散射衰減，其衰減規律由前述的公式I1＝I0exp(-α0l)、I1＝I0exp(-αpl)給出，隨著傳輸距離l、吸收系數以及散射系數的增加，激光的強度而衰減降低，主要是由霧中的水氣、大氣中的塵埃顆粒以及二氧化碳所引起，激光光束在大氣中的衰減，使激光的應用在一定程度上受到限制，正如前述的，尤其在通訊、電視、測距等一些遠距離應用中受到限制，而上述的應用通常都必須在白晝黑夜，霧天、雨天的全天候的環境中應用，例如，現有的激光通訊都在2-10公里的移動通信基站之間的范圍內，而且是在無霧天、雨天的情況下，不能在全天候使用，在這些應用中，均采用了單光束的數據激光光束作為信息的載體。
請參閱圖1，本發明所采用的方法是使用套筒式激光光束傳輸方法，外筒激光束為保護激光光束1，內筒激光束為數據激光光束2，保護激光光束1將數據激光光束2包絡在內，外筒的保護激光光束1的強度大于內筒的數據激光光束2的強度，保護激光光束1吸收其光束通道中的煙或霧粒子、塵埃粒子以及二氧化碳粒子，為數據激光光束開通了一條“清潔”的通道，數據激光光束2為一被載波調制的激光束，數據激光光束2的傳輸方向與外筒的保護激光光束1的傳輸方向相同并保持相平行，圖2示意了這樣的套筒式激光光束的光斑示意圖。保護激光光束1的發射波長可以采用與數據激光光束2相同的波長，二者也可以是不相同的波長。二種發射的激光光束波長可根據需要而選用不同的波長。
外層的保護激光光束1通常先于數據激光光束2發射，光束1可以經過調制，變為有一定間隔的光束，也可以為一連續的光束，而內層的數據激光光束2則為一經過調制的光束，使光束2按照某種外來信號發生變化，可以是按調制信號的變化規律改變激光的振幅，也可以按外加信號變化規律改變激光的頻率和相位，由何種信號調制可視不同的應用而定。
從圖3和圖4中可以看出，在外層的保護激光光束1中，可包含有多路數據激光光束，其內可以有二路、三路、四路……獨立的數據光束，各數據光束均被調制作為不同的信號載體，每一路數據光束均相互平行，且各光束的直徑均小于外層的保護激光光束。
圖5示意了外層保護激光光束1的另種形狀，光束1的形狀可以為圓柱形，也可以為其它形狀，如橢圓柱形、長方柱形光束。
為了能體現本發明方法的實施，請參閱圖6所示，發射激光光束的光學系統主要包括發射外層保護激光光束1的強激光器3、棱鏡4、棱鏡5以及發射數據激光光束2的激光器6，當激光器3發出的光束通過棱鏡4和5后變為一空心的保護激光光束1(實際上該光束通過棱鏡4后就為空心光束)，激光器6發出的光束通過棱鏡5后變為一數據激光光束2，數據激光光束2與保護激光光束1共同射向目標，棱鏡4和5均設計成除了中間為透射而其余部分為全反射的棱鏡，激光器6發射的數據激光光束2穿過棱鏡5。
請再參閱圖7所示，接收激光光束所用的光學系統主要包括一反射鏡7和一接收盤8，反射鏡7和接收盤8共軸，且均留有透孔光欄，反射鏡7將外層的保護激光光束1反射，數據激光光束2則通過反射鏡7和接收盤8的中心透孔光欄被相應的接收器所接收。
當然，實現套筒式激光光束傳輸方法所用的光學發射系統和光學接收系統還有很多種，在此就不一一列舉。
本發明通過實驗后得出如下的數據一個10-30毫瓦的激光器發出單一的數據激光束在無霧、煙的氣候下可傳輸2公里左右、在煙、霧天僅傳輸為100米；而當外層有保護激光光束后，數據激光光束在無霧、煙的氣候下可傳輸約10公里左右，在煙、霧天傳輸可達2公里左右。從上述的數字可以分析得到，無保護激光光束時，煙、霧天的數據激光光束的傳輸距離的效率僅有5％；當外層有保護激光光束時，煙、霧天的數據激光光束的傳輸距離的效率可達20％；而在正常的氣候下，加上保護激光光束后，數據激光光束的傳輸距離可由2公里提高到10公里。
權利要求
1.一種激光大氣傳輸方法，其特征在于該方法使用套筒式激光光束傳輸方法，外筒激光束為保護激光光束，內筒激光束為數據激光光束，保護激光光束將數據激光光束包絡在內，外筒的保護激光光束的強度大于內筒的數據激光光束的強度，保護激光光束吸收光束通道中的煙或霧粒子、塵埃粒子，數據激光光束為一被載波調制的激光束，數據激光光束的傳輸方向與外筒的保護激光光束的傳輸方向相同并保持相平行。
2.如權利要求1所述的激光大氣傳輸方法，其特征在于所說的保護激光光束的發射波長可以采用與數據激光光束相同的波長，二者也可以是不相同的波長。
3.如權利要求1所述的激光大氣傳輸方法，其特征在于所說的保護激光光束可以經過調制為有一定間隔的光束，也可以為一連續的光束。
4.如權利要求1所述的激光大氣傳輸方法，其特征在于所說的數據激光光束可以是按調制信號的變化規律改變激光的振幅，也可以按外加信號變化規律改變激光的頻率和相位。
5.如權利要求1-4任一項所述的激光大氣傳輸方法，其特征在于所述的保護激光光束中，可包含有多路數據激光光束。
全文摘要
本發明為一種激光大氣傳輸方法,該方法采用保護激光光束和數據激光光束,保護光束將數據光束包絡在內,保護光束的強度大于數據光束的強度,保護光束吸收光束通道中的煙或霧粒子、塵埃粒子,使光束中間變為一個“清潔”的通道,數據光束為一被載波調制的激光束,數據光束的傳輸方向與保護光束的傳輸方向相同并保持相平行。從而使數據光束能在塵霧及雨天等較為惡劣的環境下傳輸,增加了數據光束的有效傳輸距離。
文檔編號H04B10/10GK1199962SQ9810365
公開日1998年11月25日 申請日期1998年1月15日 優先權日1998年1月15日
發明者謝建平, 曾令遠, 孫·約翰, 戚世孝 申請人:和能控股有限公司