大气激光通信系统(FSO)是利用光波在空气中传输光信号的通信方式,具有大容量、低成本、机动灵活和保密性好等特点,是目前中短距宽带应用的新兴解决方案,尤其在“最后一公里”接入中具有突出的优势。由于FSO是一种视距技术,且传输信道为大气层,因此大气效应和建筑物摆动的影响较为明显。大气信道带来功率损耗和随机性,导致传输距离短,难以实现全天侯通信; 建筑物摆动则增加了光束对接的难度,降低了通信可靠性。本课题研究的目的是寻求可行的低成本方案解决这些关键问题,本文主要是本课题的前期工作和基本系统构建,设计一个具备基本组成部分的系统,为进一步的深入研究奠定基础。本文首先构建了一个FSO系统总体方案,包括光学天线、收发电路和对准、捕获与跟踪(PAT)子系统。根据FSO系统的特点采用了一些新器件,如垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光斑位置探测器件(PSD),以及由压电陶瓷微位移柱驱动的快速倾斜镜(FSM)等。光学天线是FSO系统的重要组成部分,本文设计了收发分离的折射式光学天线,并用光学设计软件ZEMAX进行模拟和评价。此天线的主要优点是:消除了背向散射影响,减小了光能损失,同时不增加对准和跟踪机构的设计难度。发射天线包括准直镜和扩束镜两部分,出射光束发散角压缩到1mrad(全角); 接收天线采用非成像光学设计,将接收光锥置于望远系统的出瞳位置,保证了大视场光束的准确接收,从而提高了系统抗干扰能力。在收发模块的设计中,本课题采用了低阈值电流的VCSEL,并采用专用集成芯片实现激光器的调制以及APD信号提取与放大,简化设计,提高了系统的稳定性。同时分析了APD信噪比与最佳倍增增益的关系,以及环境温度与APD增益的关系,并在此基础上设计了温度采集电路和可调的APD偏置电压电路。针对建筑物摆动带来的光束偏移,本文设计了PAT子系统的实现方案,给出了流程图,并详细分析了预对准、粗调、精调和跟踪的实现方法。其中位置误差信号通过PSD获得,伺服系统包括云台和FSM。同时还设计了PSD处理电路和FSM的内部结构。另外,本文还讨论了FSO系统的评价方法,包括功率估算及两个评价函数:链路功率冗余对通信距离的函数,以及大气衰减指数对通信距离的函数。根据本课题的设计参数具体计算了功率冗余,并根据这两个函数对系统设计给出评价。