密立根油滴实验的无线激光通信传输演示

杨 虹，黄文奇，赵 晖，尹 耀，王振飞

（北京信息科技大学，北京 100101）

密立根油滴实验的无线激光通信传输演示

杨 虹，黄文奇，赵 晖，尹 耀，王振飞

（北京信息科技大学，北京 100101）

阐述了无线激光通信的基本原理，将无线激光通信技术与密立根油滴实验仪结合，实现油滴视频信号的的无线传输。研究表明原始信号和解调信号的波形和显示图像非常一致，用无线激光传输油滴的视频图像信号质量可靠。该实验系统可推广到其他微观测量实验中，用于物理实验演示，增强实验演示效果。

激光通信；密立根油滴实验；视频信号

无线激光通信是以激光为载体，在真空或大气中传递信息的通信技术。具有保密性好、抗电磁干扰，传输容量大等优点。是最近20年来发展的一种新型通信手段，尤其适用于星见通信和深空探测等领域［1－3］。

无线激光通信作为光通信系统的一个重要分支，是现代科学尤其是光学和固体物理学应用发展的结晶，也是大学物理实验中光学、电学和传感器等实验的典型综合应用实例。在密立根油滴实验中，将CCD采集的信号调制到激光上，无线发射到接收器，再通过解调电路将信号还原到显示器上。整个过程既可以用来演示无线光通信的基本技术原理，又能帮助同学们加深物理理论和实验知识的理解，丰富实验教学内容，激发同学们的兴趣和求知欲。

1 系统原理

在现有的屏显密立根油滴实验仪中，油滴的运动状态是通过测量显微镜和CCD元件［4］采集得到，并通过视频电缆将图像信号显示在监视器上的。在此过程中，信号的传输方式为“有线”。而通过激光通信的方式，可以将信号的传输方式变成“无线”，其具体的系统原理见图1。

图1 系统原理图

2 系统构成

整个系统主要由观测显微镜、CCD元件、光发射模块、光接收模块和显示设备组成。

2.1 光发射模块

在光发射模块中，采集到的模拟视频信号经过隔离放大和抗混叠滤波后，进行A/D转换，再通过视频压缩编码单元压缩成标准的数字视频流［5］。经过调制电路对激光器进行电流直接调制，接着传输到激光头，实现激光发射。图2为光发射模块流程图。

图2 光发射模块

2.2 光接收模块

在光接收模块中，激光信号经过光学滤波到达光电二极管。由光电二极管输出的微弱电信号经过前置放大和整形电路后输出差分信号传送给解码器，输出的解码信号经过D/A转换成模拟信号，再经过滤波和放大后输出到显示设备［6］。图3是光接收模块流程图。

图3 光接收模块

3 实验与结果分析

实验中，选用波长为635nm，功率为1mW的红光激光器作为载波，将测量显微镜和CCD元件采集到的油滴运动状态信号作为信号源加载到激光调制发射器上，激光以光束的形式经大气信道传输到激光接收解调器上，经过一系列信号处理后由显示器将原始信号显示出来。图4（A）是调制器的输入信号，也即原始信号，图4（B）经过无线传输后解调器的输出信号。从图4可见，输入输出信号波形整体上相吻合，只是在细节上有些失真，如图中圆圈描绘处。

图4 信号波形对比

图5（a）是原始信号直接输入到显示设备的图像，图5（b）是经无线传输后输入到显示设备的图像。从图5可以看出，经无线传输后的信号图像与原始信号图像在对比度，亮度等方面都非常吻合，只是在局部有一些横纹出现，并不影响图像观测，并且显示设备能够连续、清晰和稳定的显示动态图像。在控制油滴的运动状态时，无线光通信经过大气信道产生的延时基本可以忽略不计。

图5 显示器图像对比

4 结 论

本实验系统将无线激光通信技术与密立根油滴实验仪结合，实现油滴视频信号的无线传输。通过比较原始信号和解调信号的波形和显示图像，发现无线激光传输油滴的视频图像信号质量可靠，局部存在一些失真但并不影响图像观测，且显示设备能够连续、清晰和稳定的显示动态图像。该演示装置还可以用于其他需要微观测量的物理实验中，如牛顿环，杨氏模量测量等等，不仅可以用来演示无线光通信的基本技术原理，又能帮助同学们加深物理理论和实验知识的理解，丰富实验教学内容，激发同学们的兴趣和求知欲。

［1］刘杰，陈涛，王建立，等.无线激光通信在高速视频传输中的应用［J］.中国光学与应用光学，2010，3（3）：290-294.

［2］彭小娟，陈晓天，刘世安.数字图像无线光通信系统原理与设计［J］.广东工业大学学报，2003，20（4）：68-72.

［3］王海军.基于自由空间激光通信技术的视频传输系统［D］.南京：南京大学硕士学位论文，2004.

［4］朱宏娜，常相辉，吴晓立，等.CCD技术在大学物理实验教学中的应用［J］.实验科学与技术，2010，8（4）：6-7.

［5］李国军，敬守钊，黄自力，等.无线激光通信光发射模块的研究［J］.电子设计工程，2010，19（5）：169-173.

［6］田佳峻，姚勇，赵新辉，等.自由空间光通信的抗干扰接收系统［J］.红外与激光工程，2009，38（1）：96-100.

Demonstration of Wireless Laser Transmission of Millkan Oil Drop Experiment

YANG Hong，HUANG Wen-qi，ZHAOHui，YIN Yao，WANG Zhen-fei

（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101）

The basic principle of laser communication is presented in the paper，the videOsignal of oil is wirelessly transmitted by the milikan oil drop instrument combination with laser communication technology.The study show that the waveforms and videOimages of demodulated signals are consistent with that of original signal，the transmission quality of laser communication is reliable.This system alsOcan be used in other micro-scale measuremental experiments tOenhance their demonstrating effect.

laser communication；millikan oil drop experiment；videOsignal

O4-33

A

1007-2934（2011）06-0043-03

2011-09-09