自由空間激光通信策略下的電力系統應急通信

簡燕紅　董璇

摘 要

電力裝置通信中斷情況下，為實現快速恢復通信和電力裝置搶修等目的，本文結合實際業務需求，針對自由空間激光電力系統應急通信模塊，對其具體構成、技術優點、電力系統應急通信模塊傳送帶寬、裝置構成、傳送鏈路余量、傳送鏈路衰減以及波長選取等進行綜合分析，證明自由空間激光通信在電力裝置應急通信的實際應用價值。

【關鍵詞】電力裝置 自由空間 激光 應急通信 鏈路衰減

1 引言

某電力企業為實現自然災害條件下的抗災搶險需要，構建了一整套應急通信指揮平臺，為在災害狀況下完成光纖鏈路搶險，構建指揮中心以及當場的可視化指揮通信提供了一種不被信息協議所制約的自由空間激光通信裝置作為應急傳送方案。

2 自由空間激光通信裝置構成

自由空間激光通信裝置主要包含供電子模塊，光發射子平臺，光接收子平臺，恒溫除霜子平臺以及智能化追蹤子平臺構建。如圖1所示。

基于自由空間激光通信策略的特點，能夠充分發揮裝置的技術優點并且加以應對。

2.1 傳送鏈路的余量

和微波類似，光線在空氣中進行傳輸也會削減，但兩個部分的衰減特點卻存在差別。光被天氣的作用相對于微波而言要強烈，例如雨，雪，霧和空氣中的粉塵均對光形成很大的作用。為保證自由空間激光通信裝置能夠正常運轉，則在該系統進行籌備之初需要完成鏈路部分的預計和測算，保障自由空間激光通信裝置具有很大的鏈路儲備，并且減少天氣變換對自由空間激光通信裝置帶來的作用。

針對自由空間激光通信鏈路進行預測和計算時，首要考量鏈路部分的幾何缺失。幾何缺失部分的測算主要依據以下標準：自由空間激光通信裝置能夠獲取的光纖的能量和散發角度以及傳輸長度之間形成反比例關聯，并且和接收鏡的孔徑之間呈正相關。主要包含以下幾個量的測算：

（1）裝置固有損耗為透鏡損耗，濾波裝置損耗以及裝置內部幾何損耗的整體。其形成原因在于由于穿過透鏡之后匯聚的光線不能夠完全進入到激光探測裝置中，因而該損耗和激光探測裝置之間的面積相關。

（2）光斑部分，接收部分的一端的光斑部分和發射子模塊的發散角度之間的大小為正比例，并且完成光斑面積測算。

發散角度越小，光斑的面積就越小，光的能量則越基準，因而發散角度成為判斷自由空間激光通信裝置的重要參數。在具備四組發射子平臺的光斑模型中，陰影部分為光線重合模塊，即光強最優區域。但發散角度也不是越小越優。在整個電力系統應急通信運轉之時，基于建筑體受到的熱載部分不均勻以及風速狀況。所裝設的自由空間激光通信裝置發生微小的移動，若發散角度太小，則自由空間激光通信裝置則發生擺動，移除光斑覆蓋區間，并且形成裝置的瞬斷狀態。

2.2 傳送鏈路衰減

自由空間激光通信應急裝置的實際運用中除去幾何能耗之外，鏈路上的雨，雪以及霧和閃電等部分均會產生光能量損耗，因而完成自由空間激光通信應急裝置設計，需要考量該因素的能耗。

閃光帶來的損耗主要是基于光線的照射，使得地面空氣被升溫使得上升氣流帶來氣團移動；而雨，雪，霧帶來的衰減則是由于光線被雨水作用之后帶來光纖的折射，使得激光被遮擋在接受裝置之外，形成通信中斷。

2.3 波長選取

當前市面上的自由空間激光通信應急裝置主要選取光波長在785-885納米和1650納米兩類，和光纖傳播狀況存在差別的是，885納米和1650納米的激光在大氣之中的衰減特點基本類似。因而在自由空間激光通信應急裝置中，大氣中的光纖衰減和波長關聯，譬如氣體分子產生的瑞利散射作用，形成光衰減的主要作用因子是霧氣帶來的共振散射。

2.4 本章總結

本章主要給出自由空間激光通信裝置構成，包含傳送鏈路的余量部分，傳送鏈路衰減部分以及波長選取部分。

3 自由空間激光通信應急裝置驗證

3.1 實驗設定

在自由空間激光通信應急裝置中，最主要可以在最優區間內構建無線通信信道，并且需要信道持續可靠并且不被擾動，因而基于光衰減帶來的瞬斷，帶寬并不作為主要衡量指標。為保障自由空間激光通信應急裝置在應急通信應用的可行性，因而本文構建了一個單獨的通信應急指揮體系。

3.2 自由空間激光通信應急裝置構成

整個自由空間激光通信應急裝置主要包含FSO裝置，SDH光纖傳送裝置以及可視化指揮通信平臺幾個模塊。其中，當SDH裝置的光纖銜接斷開時，選取FSO裝置用作中繼部分，完成現有的SDH模塊承載聯通，并且復原信息錄入部分，并在業務層級選取高清化的視頻指揮體系完成自由空間激光通信應急裝置傳送容量和信息的可靠性校驗。

3.3 自由空間激光通信應急裝置驗證

在自由空間激光通信應急裝置驗證中，本文綜合當地氣候特征，在雨季實驗過程，在裝置之間增加兩毫米的透明玻璃完成傳送，并且完成潑水方案擬合雨水狀態。測算時，整個通信應急系統終止了15秒，停止大雨校驗時，通信立刻恢復。因而在雨雪狀態下，需要選取有效方案預防雨水滴落在FSO裝置上。此外，自由空間激光通信應急裝置在1千米內狀況較好，晴天能夠延伸到3千米左右。

整個校驗實驗中，通信應急裝置選取適應性較強的885納米FSO裝置，該裝置包含25mW的激光裝置和冗余防護程度優秀的APD探測裝置。研究表明，通信應急裝置選取激光方式，指向效能好，并且能夠達到四千米區間內完成165Mb/s信息有效傳送，并不被磁場擾動，不產生電磁輻射。

3.4 本章總結

本章主要實現自由空間激光通信應急裝置驗證，首先完成實驗設定，進而給出自由空間激光通信應急裝置構成，并分析了通信應急裝置驗證。

4 本文總結

FSO自由空間激光通信裝置作為軍事向民事轉換的先進通信策略，自由空間激光策略在應急通信平臺設計中備受重視。本文首先給出自由空間激光通信裝置構成，包含傳送鏈路的余量部分，傳送鏈路衰減部分以及波長選取部分。進而實現自由空間激光通信應急裝置驗證，首先完成實驗設定，進而給出自由空間激光通信應急裝置構成，并分析了通信應急裝置驗證。

參考文獻

[1]柯熙政，張雅.FSO系統中部分相干陣列光束的傳輸特性研究[J].激光與光電子學進展，2016，6（02）：35-41.

[2]楊宇飛，顏昌翔，胡春暉，等.相干激光通信光學系統偏振像差研究[J].光學學報，2016，8（02）：35-51.

作者單位

1.國網廈門供電公司 福建省廈門市 361000

2.南瑞集團公司 江蘇省南京市 211000