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目 录

1绪论 6

1.1激光检测通信的背景 6

1.2激光通信的特点与优势 6

1.3国内外发展现状 7

2激光通信系统原理及系统组成 10

2.1激光通信系统的原理 10

2.2激光检测 11

2.3激光通信系统 12

2.4计算机与单片机主机端的连接 14

2.5激光发射器 14

2.6激光接收器 15

2.7调制与解调 15

3.系统的硬件及电路设计 16

3.1 单片机芯片选择 16

3.2接口电路 18

3.3 驱动电路 19

3.4 激光发射器 20

3.5 光电传感器 21

3.6 放大器 22

3.7 A/D转换 23

3.8 LCD显示设备 24

3.10 可靠性设计 25

4程序设计及结果 25

4.1 语言选择 25

4.2主程序流程图 25

4.3 程序初始化 26

4.4 通信结果 27

5结论 27

参考文献 28

致谢 29

1绪论

1.1激光检测通信的背景

激光检测通信是一种新型与新兴的通信方式，通过激光信号来传输数据，相较于传统的通信方式有许多优势，其发展空间和潜力引起了人们的兴趣和重视。在未来有希望用激光通信替代传统的通信方式，使以后的通信可以到达更快、更稳定、更经济和轻便的水平。因此对激光检测通信的研究对未来通信技术的发展和进步具有重大的意义。

1.2激光通信的特点与优势

激光通信是一种以激光作为信号的载体，通过激光来发送信号，达到通信目的的无线通信系统。激光是一种亮度强、方向性较好、单色性好、相干性较强的新形光源。

激光通信的组成部分主要有发送设备和接收设备两个部分组成。发送端将需要传送的原本信息经过特定方式的调制之后，将信息调制整合到激光中，以激光作为信号的载体，再由激光发送至接收端。接收端接收到发送端发送的激光信号之后，将收到的激光信号转化为对应的电压信号，再把信号经过信号放大器进行调整，将激光信号解调为所传送的信息。

由于激光检测通信是由激光作为信号的载体实现两端之间的无线通信，激光作为信号的载体相对其他载体有许多不同之处，所以激光通信将对于传统通信具有以下优势：

1.通信容量大：从理论上来说，激光通信相较于传统的电信号通信来说，可以达到更高的数据传输速度。光波作为信号的载体可以实现较高的传导速率，数据码率可以高达10Gbit/s。

2.保密性强：激光通信可以采用不可见光，使信号的隐藏性更好，不容易泄漏，这个特性可以用于某些需要保密的特殊场合。

3.结构便捷，设备经济：激光的方向性强，激光束发散角度小，因此发射和接收设备可以有占地空间小，质量小等优点，而其他通信方式往往需要很大的质量。

4.通信距离远：由于激光的传播性极强，而且激光发射设备与接收设备之间不需要任何连接，因此相对于传统通信方式，节省了通信线的成本和繁琐性，可以完成远距离环境下的无线通信。例如将激光通信应用于宇宙空间与地球表面的通信，甚至是在空间中实现激光通信。

但激光检测通信也具有一些缺点和劣势：1.受到空气条件影响：激光在空气中传播时，空气的质量会对激光产生一定程度的影响。极端气候情况下，通信会受到影响甚至中断，云、雨、雾、雪等天气会使激光严重衰减。大气中的各种空气成分和水蒸汽分子等大气分子会吸收一定程度光信号，导致通信距上限离受限制。由地球表层的空气产生对流引起的大气湍流会使激光产生激光束扩散、激光束偏移、激光束闪烁和成象抖动等不良影响。然而不同波长的激光在大气中传播时有着不同的特性，例如某些特定波长的激光就具抗干扰性强，能穿透雾气等特点，因此可以根据不同波长的激光在不同的环境中的特性，选择不同波长的激光进行通信，以减小受干扰的程度，提高通信的质量。2.难以瞄准：由于激光束方向性极强，发散角度较小，所以激光通信对于发射和接收设备的瞄准要求相对较高。必须保证设备的稳定性和精度，才能确保发射的激光能被接收到，因此导致难以维护、操作复杂等缺点。3.链路范围受限：由于激光的直线传播的特性，因此要求发送端和接收端之间要确定排除遮挡物，否则会阻碍信号影响传输。但可以通过激光中继站在一定程度上改变链路。

1.3国内外发展现状

1.3.1国外发展现状：

随着时代的发展，人们对通信技术的要求和需要的标准越来越高，以及最近几年来大功率半导体激光器等相关性的技术发展、进步和完善，自由空间激光通信的研究和应用开始受到了人们的重视。在国外，比较典范的就是美国英国等经济和科技发达的国家已经开始研究和制作试用FSO（Free-SpaceOptical Columniation)自由空间光通信系统。截止目前为止，国外已经有许多家电信运营商，例如Terabeam公司和Airfiber公司，开始将自由空间光通信系统投入到商业服务网络进行测试和使用。Terabeam公司在悉尼奥运会上使用自由空间光通信系统设备成功地进行了图像的传送，并成功实现了使用自由空间光通信设施向旅店里的客户供应了速率在 10OMb/s的数据传输。而Airfiber则将美国波士顿地域的FSO通讯网络和光纤网络通过光节点构建了网络连接，在该地域构建成型了光通信网络。

激光通信在宇宙空间领域也有良好的发展前景和适用性。美国是第一个开展研究并投入试用空间激光通信技术的国家。美国航天局曾经研制了卫星的激光通信系统，并且完成了激光通信系统的演示。目前，美国航天局正进行着对激光通信演示系统的研究，该系统主要是为了实现航天飞行器与地面通信设备的连接通信的演示。此外，还有很多其他国家已经开始将激光通信投入到航空领域进行研究，为了能实现宇宙空间与地表的通信或空间之间的通信。激光通信在航空航天等领域也拥有巨大的发展潜力。图1.1展示了空间激光通迅系统的基本构成。

图1.1 空间激光通信设备演示

美国宇航局目前正在监督一个创造世界上第一台自由空间激光器通信系统的项目，迄今为止已证明，该系统的可操作范围是近地距离的十倍。NASA曾在2012年计划发射一个可以在月球大气以及尘埃环境下飞行的探测器（LADDE），实现月球激光通信演示（LLCD)，它将演示用高速激光从月球轨道和一个在地球上的可移动的地面终端的通信。为了能在大约在400000公里的距离下支持622Mbps的下行速率的连接，这个系统将使用高峰值功率掺杂光纤发射器，一个混合指向和跟踪系统，高效率调制和编码技术，超导光子计数探测器，和一个可扩展的光学收集器架构。它也可以在上行数据速率达到20Mbps，加上一个高度精确的连续双向飞行时间具有潜力的测量能力以厘米级精度进行测距移动的航天器。图1.2为月球激光通信演示计划的计划图

图1.2 LLCD计划示意图

激光通信的调制过程是激光通信的核心部分。一些发达国家对激光通信对激光通信的调制方式已有一定程度上的研究。例如，美国宇航局曾经使用过开关键控调制和脉冲位置调制等调制方式。开关键控对激光器光源的稳定性要求较低，而差分脉冲位置调制的对稳定性的要求较高但可以达到量子极限。日本曾经在以前的研究中，采用过曼切斯特码脉冲调制。英国的谢非尔德大学曾经对无线通信的调制技术进行了深度的探究与测试，并完成了脉冲位置调制解调的硬件电路。

1.3.2国内发展现状：

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