激光大气通信技术在两台计算机之间通信的应用

[摘 要]激光是一种新型光源，具有单色性好、方向性强、光功率集中、相干性强、难以窃听、成本低、安装快等特点。激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。激光通信经历了大气通信和光纤通信。激光大气通信也即激光无线通信，在二十世纪七、八十年代迅猛发展， 但由于激光大气通信容易受大气湍流、大气中的微粒吸收或散射等等的影响，一度使得激光大气通信的研究陷入了停滞。但随着光通信器件制造技术的飞速发展，激光通信技术在大气中的应用又加蓬勃发展。该激光大气通信系统采用点对点校验通讯，不存在其它的数据接收端，保密性极高。利用激光大气通信技术很容易实现“最后一公里”的通信，例如解决两个无通讯设施的岛礁之间的临时通讯，实现山上和山下的无约束传输等等。

[关键词]激光大气通信；图像压缩；离散余弦变换；光电/电光转换；串口通信；

中图分类号：T7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0224-01

1 该激光大气通信系统设计基本思路：

先从键盘输入要发送的文字或通过调用摄像头采集图像或选中要发送的文件，然后将采集到的图像或文字信息或文件进行数字化，发送端将信号叠加在激光器的输出载波上，接收端通过光敏三极管将接收到的光信号转换为电信号，编写的相应的应有程序将接收到的信息进行整合，最后还原出原图像或文字信息。

采集图片信息，通过自编的图片处理程序将采集到的信息进行数据压缩和编码，驱动激光器发送数据；利用激光接收电路将接收到的光信号转化成电信号，图片接收程序对其进行相应的解码和解压，便得到采集到的图片。

2 该激光大气通信系统的组成

该系统由硬件和软件两部分组成。软件部分是利用Qt进行图形用户界面的编程。Qt是一个跨平台的C++应用程序开发框架。广泛用于开发GUI程序，这种情况下又被称为部件工具箱。也可用于开发非GUI程序，比如控制台工具和服务器。

硬件部分由两台计算机、USB转TTL器件，激光发射机、光电三极管组成 。两台计算机中，一台用作信源、一台用作信宿。

如图所示，图1、图2分别为该激光大气通信系统的发射系统和接受系统的基本框图。

3 该激光大气通信系统的各个部分的功能

软件部分：

Qt：调用微软的库函数，如：调用获取摄像头的库函数、调用串口通信的库函数等等，对用摄像头获取的图片进行压缩编码。由于获取的图片是彩色图像，故先将其变为灰度图像，即图像数据压缩为原来的三分之一；然后再对灰度图像进行离散余弦变换，进一步的压缩，压缩为灰度图像的九分之一，即最后总共压缩为原来的二十七分之一。然后将数据传到串口中，等待通信。在信宿计算机中，Qt主要负责将信号解压，还原。

硬件部分：

信源计算机：获取从键盘输入要发送的文字或通过调用摄像头采集的图像信号。

USB转TTL部件：进行电平转换，同时便于将信号发射出去。

激光发射器：有效地将电信号转变为光信号，数字0使三极管截止，激光器不亮；数字1使三极管导通，激光器亮；从而“灭”代表信号0，“亮”代表信号1；进而有效地将信号发射出去。

光电三极管：作为接收器，将光信号转变为相应的电信号。

滤波电路：阻低通高，一般为4.7uF的电容。

信宿计算机：将接收到的图片或文字数字信号，进行解压、恢复、显示。

4 该激光大气通信系统的特点

4.1 创新点

1、不间断校验通讯

2系统回路简单，容易实现

3、图片采集处理程序

4、激光发送接收装置

一般的激光通信系统：发送部分主要有激光器、光调制器和光学发射天线。接受部分主要有光学接受天线、光学滤波器、光探测器。要传送的信息送到与激光器相连的光调制器中，光调制器将信息调制在激光上，通过光学发射天线发送出去。在接收端，光学接受天线将激光信号接受下来，并送至光探测器，光探测器将激光信号变为电信号，经放大、解调后变为原来的信息。而该系统不需要光调制器、光学发射天线、光学接受天线、光探测器等等，大大节省了成本；同时，该系统的图片采集处理程序设计比较巧妙，执行效率比较高；该系统还运用了CRC循环冗余检验技术，可以达到不间断校验通讯的目的，更加保证了通讯的安全性。

4.2 技术关键

1、CRC循环冗余校验

2、图片采集及处理的软件设计与编程

3、激光发射驱动电路设计

4、电平转换电路设计

5、光电转换电路设计

6、信息解码及图片恢复程序设计

5 该激光大气通信系统的科学性先进性

科学性：

1、循环冗余检查（CRC）：一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。这种技术常在计算机网络中应用。

2、图片采集处理：图片处理程序调用摄像头来采集图片信息，再对图片信息进行压缩编码处理，后将信息编码分段传送，利用波特率控制传送的速率，在端口处将其发送。

3、电平转换电路将不同电气特性的接口连接起来。

4、激光发射电路静态点在微导通状态，以减小因管子导通电压引起的延时。

先进性：

1、该激光大气通信系统装置结构轻便，设备经济，比一般的激光大气通信系统更加精简、方便、实惠，并且性能更加可靠。

2、该激光大气通信系统采用CRC循环冗余检验技术，不间断校验通讯，因此，正确率比一般的激光大气通信系统的正确率更高，保密性更强，可以运用在需要严格保密环境中的信息传输。

6 激光大气通信的发展前景

1、未来的通信技术将会越来越多的用到卫星技术，仅仅依靠光纤网络技术难以实现通信技术的发展目标。因此，激光通信技术将成为通信领域发展的必要技术之一。

2、激光大气通信能跨越障碍，解决跨山沟、海峡、河流、湖泊等复杂地貌带来的挖沟布线难题；

3、激光大气通信将在应急或临时通信传输方面先出巨大优势。如在救灾、大型集会活动、野外的临时工作场所或地震等突发事件方面，作为一种临时的通信连接等等。

4、激光通信技术在未来的发展中，将会影响通信领域的发展，使通信领域诞生出更多的新技术，提升通信领域发展实力的同时，保证通信领域的发展拥有技术保障。所以，激光通信技术将会带动通信领域新一轮的技术革新。

参考文献

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