（光学工程专业论文）大气随机信道对无线激光通信的影响.pdf

酉亩童逼太兰亟殛窕生堂僮i 金奎蔓匹 摘要 随着科学技术的发展与适合空间光通信应用的先进通信电子设备的 研究技术基本成熟，无线激光通信又成为下一代光通信的发展方向之 一。近地面无线光通信用于宽带接入，是解决最后“一英里”问题的有 效方法；而在卫星通信系统中，卫星光通信被认为是解决卫星通信高码 率“瓶颈”问题的唯一途径。由于大气激光通信采用的是大气随机信道， 所以研究大气随机信道本身的特性对通信系统性能的影响非常重要。本 文在搜集与查阅大量的相关文献资料，学习大气激光通信的相关原理 后，研究了大气随机信道对无线激光通信的影响，对应大气激光通信的 光信号的发射与接收。另外，本文还对大气折射对空地卫星光通信的影 响做了研究，提出了利用修正光源的发射角来消除大气折射所引起的光 束与卫星之间偏移的思想。这对实际的卫星通信系统具有重要的理论与 实际意义。最后，通过实验对半导体激光通过大气传输的远场图样进行 实时观测与记录，利用大气激光通信的简化模型对半导体激光通过大气 传输的远场光斑做了m a t l a b 仿真，并在此基础上与实际的实验结果进 行比较，利用实验结果对模型进行修正。还通过实验对典型天气条件下 的大气衰减做了测量，从感性上认识大气衰减对无线激光通信的影响。 关键词：半导体激光；大气光通信；湍流；仿真 西亩窑运太堂亟殛宝生堂焦迨塞蔓坚夏 a b s t r a c t a 1 0 n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ya n d t h ea g eo f r e s e a r c ho fa d v a n t e dc o m m u n i e a t ee l e c t t o n i cf a c i l i t va d a p tt o s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o l l w i r e l e s s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a g a i nt u r n i n t oo n eo fd e v e l o p e da s p e c to ft h en e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s so p t ic a lc o m m u n i c a t i o nn e a rt ot h ee a r t hu s i n gt om e e t b r o a db a n d 。i ti sa v a i l a b l em e t h o dt os e t t l et h e “1 a s tm i le ” a n dt h a ts a t e l l i t el a s e rc o m m u n i c a t i o ni sc o n s i d e r e dt h es i n g l e w a yt os o l v et h eb o t t l e - n e c ki nt h es y s t e mo fs p a c ec o m m u n ic a t i o n b u ti np r a c t i c a l ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c o fa t m o s p h e r i cr a n d o mc h a n n e l t h is p a p e ri n t r e d u c et h ee f f e c t o fa t m o s p h e r i cr a n d o mc h a n n e lt ow i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o na n d l i g h tt r a n s m i ta n dr e c e i v ec o r r e s p e n dt ow i r e l e s so p t i c a l c o m m u n ic a t i o na f t e rc o l l e c ta n dr e f e rt oa b u n d a n c el i t e r a t u r e i n f o r m a t i o n ，l e a r n i n gc o r r e l a t e dp r in c i p l eo fa t m o s p h e r i cl a s e r c o m m u n i c a t i o l l i na d d i t i o n ，w er e s e a r c ha t m o s p h e r i cr e f r a e t i o n i n f l u e n c et os p a c e e a r t hs a t e l l i t ec o m m u n ic a t i o n a n dp u tf o r w a r d t h a ta m e n d i n ge m is s i o na n g l ec a ne l i m i n a t ee x c u r s i o nb e t w e e nb e a m a n ds a t e l l i t e t h isi d e ah a se m p h a s i st h e o r e t i ca n dp r a c t i c a l s i g n i f ie a n e et op r a c t i c a ls y s t e m a tt a s t ，r e a lt i m eo h s e r v a t i o n a n dn o t eo ff a rf i e l dp a t t e r no fs e m i c o n d u c t o rl a s e rt h r o u g h i n g a t m o s p h e r i ct r a n s m i tb ye x p e r i m e n t s i m u l a t i n gt h ep r e d i g e s t m o d e lu s i n gm a t l a ba n dc o m p a r e dt h er e s u l tt oe x p e r i m e n t a lo n e s a m e n d i n gt h em o d e lb y e x p e r i m e n t a lr e s u l t a 1 s ow emeasure a t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o ni nt y p ic a lw e a t h e ra n du n d e r s r a n di t e f f e c tt ow i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb ys e n s i b i l i t y k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rl a s e r ：a t m o s p h e r i co p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t u r b u l e n c e ；s i m u l a t i o n 第1 章总论 无线光通信曾掀起研究的热潮，但自从7 0 年代光纤通信的迅速发 展以及没有解决天气对大气光通信影响的成熟技术，使得一度辉煌的无 线光通信研究陷入低谷。但随着信号光束控制器、高灵敏度和高数据率 接收器和适合无线光通信应用的先进通信电子设备的研究基本成熟，空 间光通信又成为下一代光通信的发展方向之一。同样，我国通信事业的 迅速发展也对空间光通信提出了更高的要求。 1 1 光通信概述 光通信是指以光波作为载体传输信患的一种通信技术。从广义的光 通信来说，人类最早用烽火台、灯光、镜子等，后来用旗语或照明灯的 闪烁来发送信号传递信息的方式均可认为是光通信。随着社会的进步与 科学的发展，光通信已发展成为当今社会信息传播的最重要最常用的手 段。与其他通信方式一样，按不同的划分方法，光通信也可分为不同的 类型。若按照传输介质的不同，光通信系统可以分为光纤通信、无线光 通信和水下光通信。无线光通信是指以光波为载体，在真空或大气中传 递信息的通信技术。而根据通信链路的不同，无线光通信的通信方式又 可以是地面链路( 大气光通信) 、地面对空间链路、空问对空间链路( 自 由空间光通信) ，甚至是空间对水下链路。 光通信 蓁莘萎薹薯 地面链路( 大气光通信) 地面对空间链路 空间对空间链路( 自由空间光通信) 空间对水下链路 1 2 大气光通信的发展史 科学技术的发展总是与人类文明的发展历史紧密相关的。历史上首 次实现现代意义的大气光通信是在1 8 8 0 年，美国著名的发明家 a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 通过他的新发明一光电话( p h o t o p h o n e ) ，其通信 距离是6 0 0 英尺。但由于它易受外界噪声干扰，可靠性不如电缆传输而 酉壶毫逼太堂亟砸羟生皇僮途室墓；夏 最终没投入商用。后来，用弧光灯代替日光虽然延长了通信距离，但还 是只限于数公里。 此后，由于光源的频谱、方向性等技术满足不了要求，大气光通信 的发展较为缓慢。到了1 9 6 0 年7 月，随着世界上第一台红宝石固态激 光器的出现，光源的频谱、方向角得到改善，从而大大改善了大气光通 信的传输性能，大气光通信得到迸一步发展。到了9 0 年代以后，大气 光通信技术已开始进入民用领域。近年来，随着掺铒光纤放大器( e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，e d f a ) 、波分复用( w d m ) 、自适应光学( a d a p t i v e o p t i c s ，a o ) 等技术的不断发展，大气光通信在传输距离、传输容量、可 靠性等方面都有了很大改善，适用面也越来越广。 一般的大气光通信链路均可用图卜l 所示的原理框图表示： 大 图卜l大气光通信链路原理框闺 1 3大气光通信的优点与缺陷 大气激光通信是采用频率极高的光波作为信息的传输载体的一种通 信方式，由于光载波的频率高、能量集中、方向性强、可用频谱宽等 系列特点，与其他通信方式相比，大气光通信具有以下优点： 1 、通信容量大，可以用于宽带接入解决最后一英里的瓶颈问题。 2 、保密性好，可用于需要严格保密的场合，尤其用于军事领域；因为 它的发散角小，波束很窄，一般是不可见的，很难在空中发现一条业 务链路。同时，这些波束又非常定向，是对准某一接收机的，如想截 酉亩窒逗太堂亟壁盎生堂焦途奎蔓! 夏 接，就需要用另一部接收机在视距内对准发射机，还需要知道如何接 收信号，这是很难做到的。因此，大气光通信比通常的无线系统安全 得多。 3 、抗电磁干扰。由于光波频率比电磁波频率高几个数量级，电磁波很 难对光波传输形成干扰。 4 、协议的透明性。以光为传输机制，任何传输协议均可容易的迭加上 去，电路和数据业务都可透明传输。 5 、重量轻，体积小，功耗低，组网方便灵活，维护价格低廉，适用于不宜 采用无线电通信的地方及地形地貌不适合铺设光纤的地区。 6 、无需申请频带许可、无线路租用费用。 7 、实际应用中线路建立快捷，特别适合于快速抢通。如一些临时性场所： 展览厅、短期租用的商务办公室或临时野外工作环境。 任何事物都有其两面性，同样，对于大气光通信，由于其采用的是 大气信道，大气信道自身的特点，使得大气光通信又有其固有的缺点： 1 、光束的传输极易受大雾等大气气象条件的影响，这类环境因素和大 气湍流效应可能会改变光束的传输路径、降低数据通信的可靠性，以 及系统的稳定性。 2 、由于光在大气中近似按直线传播，通信系统必须工作在视距范围内， 激光束的传输不能收到阻挡。飞鸟、树叶等都可能引起链路的中断。 3 、要受大风和地震的影响。 上述问题在光波的传输过程中会使光信号受到严重干扰甚至脱靶， 造成在接收端的较大误码率和短时间的通信中断，严重影响无线光通信 系统的稳定性和可靠性。因此，要保证在随机信道条件下系统的正常工 作，研究大气随机信道对激光传输的影响，并构建其理论模型，提出有效 的手段克服大气的干扰，对激光大气通信来说十分必要和紧迫。 1 4 大气光通信存在的主要技术问题 大气光通信在一段时间以来，没有得到应有的应用与发展，主要由 于存在以下一些技术问题： 1 、对通过大气信道后光功率衰减大的功率补偿技术问题； 2 、大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，其结果使 接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响， 有许多技术工作要做： 3 、驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽宽及伺服系 酉直童运太堂亟受窒生坐僮盈室墓! 夏 统简单的激光发射器件的制作； 4 、灵敏度高、噪声特性好，适合于常温环境下工作的接收器件的制作； 5 、体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的 制作； 6 、背景噪声的滤除技术问题；如果采用窄带光滤波技术，又存在激光 器的频率稳定技术； 7 、在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用，自动跟瞄技 术也很关键。 针对以上问题，大气光通信需要突破的一些关键技术主要有：( 1 ) 高 功率激光光源及高速率调制技术；( 2 ) 大气信道处理技术：( 3 ) 高灵敏度 抗干扰的光信号接收技术。即可归纳为：解决全天候、高机动性和高灵 活性稳定可靠工作问题。 1 。5 大气光通信的现状与发展趋势 随着与光通信技术同步发展的其他技术的完善与成熟，大气光通 信已发展到较成熟阶段。在国外，美国，日本及欧洲的一些国家在光通 信技术方面的研究一直处于领先地位。 1 9 9 8 年2 月，朗讯公司制造了一套l o g b p s 的无线光通信实验系统， 由于在大气中传输，通信性能受通信距离和气候条件等因素的限制。考 虑大气的吸收与散射。通信距离达到5 k m 已经算相当长了，如果大于 5 k m ，就要提高探测器的灵敏度，保持光束的准直性，同时要考虑建筑的 热胀冷缩的影响。a s t r o t e r r a 公司在该系统中加入自动跟踪系统以修 正建筑物的影响，采用内置相机获得方向的变化量、反馈给电子执行单 元，以保持光束的准直性。1 9 9 8 年8 月，两公司对无线光通信系统的原 型机进行了测试。链路距离2 5 k m ，数据率2 5 g b p s 是无线光通信系统 的最高纪录。并于2 0 0 0 年夏季推出4 波长波分复用l o g b p s ，传输距离 大于5 k m 的商用系统。 另外，俄罗斯在无线光通信技术研究方面也一直处于领先地位。9 0 年代初，随着其大功率半导体激光器件的研制成功，开始了激光大气通 信系统技术的实用化研究。随后不久便相继推出了l o k m 以内的半导体 激光大气通信系统并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市得以应用。在瓦 洛涅什城瓦涅什河两岸相距离4 k m 的两个能源站( 电力站) 之间，1 9 9 5 年前架设起了半导体激光大气通信系统，该系统可同时传输8 路数字电 话。十年来，尤其是近五年以来，该系统运行稳定可靠。另外，他们在 酉亩窒通太堂亟妥塞生堂僮迨塞苤i 夏 距离瓦洛涅什城约2 0 0 k m 以及在距莫斯科不远的地方，也开通了半导体 激光大气通信系统线路。现在，俄罗斯有关专家普遍认为，半导体激光 大气通信系统在一定的视距内有效地实现“全天候”通信是完全可能的， 也是很有潜力的。 在国内，研究大气激光通信的最具代表性的单位有电子科技大学、 3 4 所、华为、成都光电技术研究所和上海光机所等。其中电子科技大 学先后成功的研制了6 0 路、9 0 路无线光通信系统和款待数字激光通信 演示系统。9 6 0 路激光通信系统解决了通信的接口技术问题，成功的进 行了黄河两岸接通的外场试验。近两年，他们又研制出了o 8 删和1 5 5 g n 两个波长、码速率达到1 5 5 m o p s 的近地面大气激光双工通信系统。 随着通信需求和设各技术的进步，各国纷纷把光纤通信的成熟技术 和器件引入无线光通信领域，相应的工作波段也向l5 5 0 n m 波段发展， 并且波分复用技术也已经开始应用于无线光通信。而在近地面无线光通 信的应用中，它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场。其次， 无线电系统和光无线系统在许多方面可互为补充，光无线系统能提供小 区域的高速连接，而无线电系统能提供大区域内低速通信。另外，微波 系统还可作为光无线系统的备用设备以克服空间光通信受天气因素影 响大的缺点。当天气情况过于恶劣以至无法通信时，自动启动微波通信 系统，大大提高了无线光通信系统的可靠性。 1 6 本文研究的主要内容，目的及意义 由于近地面大气光通信采用的是大气信道，而大气信道又具有随机 性，所以大气对近地面无线光通信的影响就显得非常重要。本文针对大 气信道对通信链路的影响进行研究。其主要内容有： 1 、大气信道的自身特性( 大气湍流理论) ； 2 、大气信道对通信链路的主要影响( 大气衰减与大气湍流效应) ； 3 、近地面无线光通信系统中针对大气信道的多孔径发射与接收技术； 4 、大气折射对空地卫星光通信链路的影响： 5 、半导体激光通过大气随机信道的远场光斑图样的二维显示的仿真； 6 、实验结果分析。 酉直童通太堂亟盈宝生堂僮迨室星i 夏 另外，本文还对系统的简化模型进行了计算机仿真，并与实验结果进行 比较。 针对以上内容的研究，本课题具有以下目的和意义： l 、通过对大气信道的研究，建立半导体激光在大气中传输的工程简化 模型，为以后研究大气光通信、提出有效克服大气干扰手段奠定了理 论基础，为工程应用提供了理论依据。 2 、通过对激光远场光斑的模拟，对实际大气光通信系统的设计具有一 定的借鉴意义。 3 、最后我们通过实验从感性上认识了大气对激光通信的影响，从量的 角度了解大气对通信系统的影响。这对我们以后进步研究大气光通 信提供了一定的数据参考价值与实践基础。 第2 章大气随机信道对大气激光通信的影响 大气激光通信是一种采用光波作为载波，利用大气作为信道传递信 息的技术。当光波在大气中传输时，大气对光信号产生的影响成为研究 的主要内容。所以，大气的组成及其特性对于研究大气光通信有其重要 作用。当激光在大气中传输时，大气对光束的影响主要有折射，吸收， 散射，湍流等。其中，大气湍流对系统的性能影响最为显著。大气对空 地卫星光通信的影响我们将在第四章重点讨论。 2 1近地面大气的组成及其特性 大气是地球的一层气体屏障，从地表一直延伸到上千公里的高空， 消失在星际物质中。它在地球的上空是成层分布的，根据温度，压强和 电离状态等在垂直方向的分布特征可将其分为五层。其从下到上依次 为：对流层，平流层，中间层，热层与外逸层。 对流层是邻接地面的大气层，它的高度随纬度而不同，低纬为1 7 k m 左右，中纬为l l k m 左右，而在高纬度只有8 k m 左右。对流层大气占大 气总质量的四分之三。对流层中最明显的特点是温度随高度的增加而递 减，即垂直方向的气流运动剧烈而频繁，而水平方向可忽略不计。一切 的风雨雪等天气现象都发生在对流层。近地面无线激光通信所采用的信 道一般也都是这一层。 大气对流层主要由气态物质组成。组成对流层大气的气体主要有： 干沽大气，c a ，水汽等。其中干洁大气是指不包含水汽与气溶胶等粒 子的大气，由两类成份混合组成。一类是常定成份，主要有氮、氧、氩、 氖、氦、氪与氙等，这类成份在大气中的含量随时间与地点的变化很小， 其含量比例尤为固定。另一类是可变成份，如二氧化碳、氧化碳、甲 烷、氧化氮物、臭氧、二氧化硫、氨与碘等。另外，对流层大气也包括 部分液态水和固体颗粒，大气中悬浮着大量固体和液体粒子。通常将半 径小于几十微米的固态微粒叫做大气气溶胶。其他则分别称之为雾滴、 云滴、冰晶、雨滴以及冰雹、和雪花等固态降水粒子。大气中的气态物 质、气溶胶与固态降水粒子等各种粒子局用多种复杂的物理化学特性， 其中对地面无线光通信影响较大的分别有吸收、散射、湍流等。 酉宙窒遭太宝亟壁塞垒堂僮诠銮箜! 夏 2 2 大气衰减( 朗伯定律) 由于大气中存在着各种气体分予和微粒，如尘埃、烟雾等，以及刮 风下雨下雪等气象变化，使部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的 能量( 如热能等) ，部分能量被散射而偏离原来的传播方向( 即辐射能 在空间重新分配) 。吸收和散射的总效果是使传输光辐射强度衰减。 激光在大气中传播时，由于大气作用产生的能量衰减主要来自于大 气分子的吸收与散射及大气气溶胶的散射。由朗伯定律，其能量衰减可 用表达式表示为”，： 瓦= i in ：e x p ( 一风l ) ( 2 - 1 ) i 。一通过大气前的光强； i 一通过大气后的光强； 兀一波长为九的光在大气中传输r 的透过率： 厉一波长为 的光的衰减系数； l 一传输距离。 尻描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响， 可表示为h 1 ： 风= k 。十口。+ 包+ 盯。 ( 2 2 ) k m 和分别为大气分子的吸收和放射系数；k ：，和仃。分别为大气气 溶胶的吸收和散射系数。 在不同气象条件下，空气中的微粒会对激光的传播形成不同的衰减。 表2 一l 为o p t i c a la c c e s s 给出的各种典型天气下大气衰减系数。 表2 - 1 典型天气下的大气衰减系数 天气 口衰减( d b ) 小雨3 小到中雨 5 中到大雨4 雪薄雾 1 0 暴雨中雪轻雾1 7 大暴雨暴雪浓雾3 0 当传播光信号的大气气象条件为晴朗、霾、雾时，在大气水平均匀条 酉亩套通太芏亟受究生堂僮途奎 蓥! 夏 件下，只考虑气溶胶的衰减，式( 2 2 ) 可写成工程上的经验公式。”： 耻等总厂 。， 其中v 为能见距离( k m ) ，z 为波长( u m ) ；q 为与波长和能见距离 相关的常数。对于可见光，a o 5 5 a 1 ，则有声。= 3 9 w v ( k r a ) 。 2 ，2 1 大气分子的吸收 ( 矿 5 0 k m ) ( 6 k m v 5 0 七m ) 。 f y 6 k i n ) 当光波在大气中传输时，大气分子在光波电场的作用下产生极化， 并以入射光的频率做受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗 能量，表现为大气吸收。当入射光的频率等于大气分子的固有频率时发 生共振吸收，大气分子吸收出现最大值。所以大气分子的吸收特性强烈 依赖于光波的频率，而且不同大气分子对光波的吸收也不一样。在近地 面的大气激光通信系统中，激光波长一般在近红外区，在此范围内，h 。o 和c o ：分子是最主要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的重要因素。由 它们的吸收谱线知，对一些特定波长的光波，它们表现出极为强烈的吸 收，光波几乎无法通过。而对某些区段( 大气窗口) 呈现弱吸收。常见 的通信窗口在0 8 a n 1 6 朋和8 , t u n 1 3 朋波段附近。在低衰减的大气 窗口中，对应于现有的激光器、光电检测器和光放大器技术，大气光通 信所采用的光源波长通常有0 8t a n 、1 0 6 册、1 5 5 a n 和1 0 0 6 a n 等。 由于半导体激光器具有高码率调制、窄线宽、高可靠性、高效率、体积 小、重量轻等特性在大气光通信系统中得到广泛应用。另外，由于利用 半导体泵浦的n d ：y a g 固体激光器可得到倍频光，光束发散角较小，在 一些长距离大气光通信系统中得到应用，当速率不高，输出功率要求较 大时可以采用对应波长为l o 0 6 , u r n 的c o ，激光器。 表2 - 2 给出了可见光和近红外区主要吸收谱线”3 。图2 1 给出了在晴 好天气条件下，不周波长所对应的大气透射率，其中纵坐标为透过率 的百分比。 矿跖 6 3 5 l l 吼 ，。，l = q光外 红 近于对 耍直奎运盔堂亟亟客生主僮淦空 釜! ! 里 表2 - 2 可见光和近红外区主要吸收谱线 吸收分子 主要吸收谱线中心波长( 胛) h 。0 0 8 20 9 30 9 41 131 3 81 4 6 1 8 72 6 63 1 56 2 61 1 71 2 6 1 3 51 4 3 c 0 2 1 41 62 0 54 35 29 41 0 4 0 2 4 79 6 们m 门 价 妒叭 p i 波长a n 图2 - 1晴好天气条件下，不同波长所对应的大气透率 2 2 2 大气分子散射 0 大气分子散射引起的光信号能量衰减是确定信号畸变的主要原因。 当光波在大气中传输时，大气分子使光波的传播方向改变都导致光在各 个方向的散射。在通信窗口，波长总远大于大气分子线度，根据散射理 论，此时的散射为瑞利散射。由瑞利散射定律吲： o = 0 8 2 7 x n a 3 4 ( 2 - 4 ) o 。一瑞利散射系数( a m 1 ) ：n 一单位体积中的分子数( a m 。) ； a 一分子的散射截面积( a m 2 ) ； 一光波波长( c m ) 。 由上式知，分子瑞利散射系数与波长的四次方成反比，即波长越长， 散射越弱；波长越短，散射越强烈。 酉亩奎逼盍堂亟亟宝生堂僮j 盒室箜! ! 垂 2 2 3 大气气溶胶的衰减 当光波在大气中传输时，除了大气分子的吸收与散射弓 起衰减外， 大气气溶胶也会由于吸收与散射引起光功率的衰减。其中大气气溶胶的 吸收相对于散射来说较小，可以忽略。气溶胶的直径一般在几十微米左 右，比大气光通信所采用波长长。由光的散射定律，当光的波长相当于 或小于散射离子尺寸时，产生米耶散射。米耶散射主要依赖于散射粒子 的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。 米耶散射的经验公式”“： o o = n n 0 , r 2 ( 2 - 5 ) 以一米耶散射系数( a m 。) ；n 一单位体积中的粒子数( c m 。) ； r 一粒子半径( a m ) ；目。一散射效率。 散射效率是指粒子散射的能量与入射到集合截面上的能量之比。 当气溶胶粒子半径在r 。和r ：之间连续分布时，米耶散射系数为： 吒= 厅i n ( r h ，2 毋 ( 2 - 6 ) n ( r ) 一气溶胶粒径分布。 米耶散射是非对称散射，其酊向散射能量较后向散射大。 2 3 大气湍流效应 2 3 1 大气湍流的物理意义及其特性 湍流是指在粘性流体中，当流体的流速达到一定值时，流体的运动 轨迹不再光滑，整个流体开始做不规则的随机运动。由于实际中大气温 度是随机变量，大气一直处于运动( 湍流) 状态，大气信道就是一种处于 湍流状态的气体。在工程应用中，由于湍流是随机过程，所以必须用 统计量进行描述，对其进行完备的统计分析。 k o l m o g o r o v 在对大气湍流做出一系列研究后，给出了湍流的统计结构 函数： 酉直窑通盍堂亟主塑究生芏僮迨塞蔓! ；耍 d ，= q 2 r 27 3 屯 ， 厶 ( 2 7 ) c ，2 是速度结构常数，r 表示湍流空间中两点的间距，? 。，l 。分别为湍 流的内尺度和外尺度。 o b y x o b 利用大气折射率模型“j ： n = 1 + 7 7 6 ( 1 + 7 5 2 1 0 。矿) ( p t ) x l o ? 将肪砌d g o 加v 理论应用于折射理论，得到折射率起伏湍流模型 分之二定律： ( 2 - 8 ) 即三 f 0 ， 5 砌时，在不同风速条件下折射率结构常 数与h 的关系。其数量极为1 0 “7 m 。”。在这种情况下，c 。2 是风速v 和离 地面高度h 的联合函数。当风速v 5 ，c 。2 均随h 的增高而减小。但当 v 5 时，c 。2 的曲线比较复杂。首先c 。2 随h 的增大而减小，然后又随h 的 增大而增大，且在h = l o k m 时为极值，随后再随h 的增大而减小。 在工程计算中，我们通常要用到功率谱密度这一物理量。对于用折 射率结构常数来表征的湍流，a n 毋e w s 给出以下模型船1 ： 丸c 七，= 旦塑呈；学l + c 砉 一c ： 吾 ”6 c z t s ， 其中，c i = 1 0 8 2 ，c 2 = 0 2 5 4 ，k ，= 3 3 l o ，k o = 2 z l o 。此模型不易用于分析 研究，所以实际中很少应用。 一岛哥cq岂a”guju暑一si)ncu葺兽gujuj拓 酉亩窒通太堂亟堑宝生兰焦j 盒塞 塑! ! 基 因为谱不会随着k 趋近于零而变为任意大，v o nk a r m a n 给出在 c l = c 2 = o ，且k ，= = 2 z l o 时，a n d r e w s 的简化模型“ 纯c 七，= 器e x p c t 2 ，t ，2 ， c z 一，t ， 而当k o = ，o = 0 时，a n d r e w s 简化为k o l m o g o r o v i 普”1 ： 丸( 七) = 0 0 3 3 c , , 2 k 7 3 ( 2 15 ) 2 3 2 大气湍流的工程描述 上节讨论的是大气湍流的物理特性，在工程上，湍流对光波传输影 响的剧烈程度通常用r y i ：o v 变量度量”1 ： o 。毡1 2 3 c 2 k7 “l “6( 2 - 1 6 ) e 2 - 一折射率结构常数： k - - - 波数( 2 ) ： l 一光波的传播距离。 当o ，2 l 时为强湍流。 大气湍流漩涡尺寸范围从f 0 一kf 0 为湍流漩涡的内尺度，l n 为外尺度。 在近地面附近，f n 通常是毫米量级，l 。则是观察点离地面高度。 当激光在湍流的大气中传播时，大气湍流将使光波参量在传输过程 中随机改变，光束质量受到严重影响，出现以下大气湍流效应o ”： ( 1 ) 光束截面内的强度闪烁： ( 2 ) 光束的弯曲和漂移( 方向抖动) ： ( 3 ) 光束的展宽； ( 4 ) 其他大气效应。 耍直窑湮盍堂亟班宝生兰僮迨裒蔓! i 耍 2 3 3 光强闪烁( 大气闪烁) 2 3 3 。1理论分析 光强闪烁是指通过大气信道后，光束强度忽大忽小，光斑忽明忽暗， 它是由于空气折射率的随机细微变化引起波前失真，造成接收相位的随 机变化而造成的。当光束直径d 。大于湍流直径，时，光束直径内包含许 多个湍流漩涡，每个漩涡各自对光束独立的散射和衍射，从而造成光束 强度在时间和空间上的随机起伏，光强忽大忽小一一即光强闪烁。由于 大气信道是随机的，所以接收光强也是一个随机变量，其大小可以用统 计平均值来描述。在工程与应用中，通常用光强的概率密度函数来表述。 根据理论与实验分析近似得出对应于接收面上的某一点，在弱湍流区， 光强，的概率密度为对数正态分布“1 ： 哪，= 丽1e 坤怯2 a 2 恤，扣2 式中对数正态调制因子方差仃；= i n 。 在强湍流区，光强，的概率密度为对数正态调制负指数分布“3 ： 哪，= 去州击洳z + 抄悟 式中 盯；= 1 圭 ) ，z 为传输距离a 大气闪烁( 光强起伏) 的大小可用对数振幅方差盯；( 或归一化强度 方差一) 表示。 在弱湍流情况下肚3 ： 盯；= o 2 5 2ot “0 3 1 c 。2 k 7 “l “ ( 平面波)( 2 1 9 ) 盯：= o 0 9 5 4o ，2 = o 1 2 5 c k “l “6( 球面波)( 2 - 2 0 ) 酉亩窑通盍堂亟盈宜塞堂僮i 金室蔓! i 基 在强湍流情况下“1 ： 盯z 2 = 1 + 0 8 6 ( o - 2 ) j 盯f 2 = 1 + 2 8 ( o2 ) 1 “ 其中，盯，2 = e x p 4 a - 2 x 一l 。 ( 平面波) ( 球面波) ( 2 - 2 1 ) ( 2 2 2 ) 图2 - 5 弱湍流时光强分布图2 - 6 强湍流时光强分布 对应于式( 2 - 1 7 ) ，图2 5 为弱湍流时，当仃取不同值 ( 盯，= o 1 ，0 3 ，0 5 ，1 ) 时，接收归一化光强i ( ，。) 的概率分布。随着盯的 增大，i 的分布范围越广，与对数正态分布的近似效果越差。当盯 0 5 时，p ( i ) 与对数f 态分布有很好的近似。另外，由表达式可求得：当 i = e x p ( 一；仃：) 时，p ( i ) 取最大值。 2 。 对应于式( 2 - 1 8 ) ，图2 - 6 为在强湍流、通信距离为2 4 0 0 m 时，不 同盯，( o 1 ，o 3 ，0 5 ，1 ) 时所对应的光强i 的概率分布。在这种情况下， p ( i ) 随波长的增大而呈负指数减小。，越大，p ( i ) 衰减越慢。 对应于式( 2 一1 9 ) 和式( 2 - 2 0 ) ，图2 7 表示在通信距离为2 4 0 0 m 时，弱湍流( c 。2 = 9 1 0 1 1 7 m 1 “) 情况下，平面波与球面波的大气闪烁大小玎： 与波长兄的关系。其中实线为平面波的闪烁随波长的变化曲线，虚线为 球面波随波长的变化曲线。此时，闪烁大小随波长的增加而减小，且平 面波闪烁大于球面波。 对应于式( 2 - 2 1 ) 和式( 2 - 2 2 ) 图2 8 表示在通信距离为2 4 0 0 m 时， 耍亩窑逗盔堂亟妥宝垒堂篷诠奎蔓! ! 戛 强湍流( c 。9 x 1 0 。ij 1 1 。”) 情况下，平面波与球面波的大气闪烁大小d ；与 波长五的关系。其中实线为平面波的闪烁随波长的变化曲线，虚线为球 面波随波长的变化曲线。此时，闪烁大小随波长的增加而增加，而球面 波闪烁大于平面波。 图2 7 弱湍流时大气闪烁 随波长的变化随波长的变化 2 3 3 2 模型仿真 通过上述的理论分析，我们可以对接收光强及其概率分布进行仿 真。其仿真原理是：假设光波振幅可以表示为彳= a oe x p ( z ) ，且z 服从正 态分布，利用计算机产生一个正态分布随机数，利用公式。州，= a2 即可 求得光强，的大小，并可分析其概率分布。 假设a 。= 1 ，对数振幅为z 且服从对数正态分布。有“1 ，= a 2 = ( ) 2( 2 - 2 3 ) 图2 9 、图2 1 0 和图2 一1 1 是令e ( ，) = l ，在e ( z ) = 0 时，不同的对 数振幅方差( 盯；) 所对应的接收光强及其概率分布的仿真。从图中我们 可以看出，仿真结果与理论分析基本吻合。接收光强服从对数正态分布 适用于d ： 0 3 时，接收光强近似为负指数分布， uctf)。口j盖e60j 刚2 1 气。0 1 归一化光强 图2 - 9 归一化光强与其概率分布的仿真( o z = 0 1 ) 归一化光强 图2 - 1 0 归一化光强与其概率分布的仿真( o - x = o 2 ) 酉亩窒逢盍堂亟噩宝生堂僮途玄塑! 夏 刚2 1 气2 0 3 图2 1 1 归一化光强与其概率分布的仿真( c r ? 。0 3 ) 大气闪烁对于通信系统的显著影响就是引起误码率的上升。由于在 大气激光通信系统中，大气闪烁是一个随机过程，要考虑误码率与大气 闪烁的关系，在接收端我们可以将大气闪烁作为附加在接收机上的噪声 电流考虑。具体的讨论我们放在下一章。 2 3 4 光束弯曲和漂移 当传播的光束直径d 。小于湍流直径，时，光束直径被包含在一个湍 流漩涡内，湍流的作用主要使光束整体发生随机偏折。所以在接收平面 上，光束中心( 光斑) 以某个统计平均位置为中心，发生快速随机性跳动 即光束弯曲，数值上可用漂移量表示。所以，我们通常只研究光束 飘移。 光束漂移是指将光束视为整体，其平均方向的随机变化，也就是光 束束心的抖动。同理，光束漂移也可用其概率分布来描述。由随机行走 规律理论分析得轴向束心抖动概率为“1 ： r，11 p ( x ) ：下：| _ 蝉i ( 2 - 2 4 ) 2 舸，22 吒i 酉亩窑退太茎亟班宜垒堂僮诠室蔓! q 重 吣，2 南 一等 z s ， 其中，( 而，( y ) 是轴向位移均值：q ，q 为标均偏差。上式表明 束心的一维抖动满足高斯分布。而总的光束抖动概率分布为“1 ： 吣= 去e x p 茜一警 z e ， 式中：p 。表示近地面的折射率随地高度存在梯度，在考虑y 方向束 心抖动时，由于大气折射率在y 方向的变化导致柬心的飘移，所以， ( _ y ) = p ，产0 。 在均匀各项同性湍流大气中传播的光束，即仃。2 = o y - = 盯。2 ，其中， 2 = ( 成2 ) 是光束抖动方差。激光束心位于距平均原点p 。( o ，p 。) 的概 率密度为。1 ： ) _ f ”雕排参唧 _ 瓮m 引 c z z ， 式中，b o ( x ) 是修正贝塞尔函数。 对应的光斑漂移的大小用其方差盯。2 衣不- - ，若c ：沿传播路径均匀分 布。 对于准直光束“3 ： 2 。= 0 9 7 c 2 ( 2 d ) 3 2 3 ( 2 2 8 ) 对于聚焦光束“1 ： 畦= 1 1 0 e ( 2 d ) “”：3 ( 2 2 9 ) 酉直童通盎堂亟班宝生堂僮淦室整! ! 夏 2 3 5 光束展宽 光束展宽是指接收到的光斑半径或面积的变化，是由衍射和湍流漩 涡的扩展引起的。当光束直径d 。大于湍流漩涡直径，时，引起湍流漩涡 的扩展，造成中心轴的接收光强有一常量衰减，光斑半径增大。所以， 激光束的湍流展宽是与激光通过湍流大气传输后光束强度降低相关联 的一种湍流效应。 假设激光器发出的是高斯光束，其光腰半径，中心轴光强为i ” 不考虑湍流效应，则传输z 后，中心轴光强与光斑半径分别为。川： 他纠= 例e 冲吲 。 旷h 别” s ， 由于大气湍流效应所导致光束展宽后的光斑半径为： ：- ，2 “3 8 c , , 2 1 0 - 1 1 3 z3 ) “2 ( 2 - 3 2 ) 从上式可以看出，扩展后的光斑半径由两部分组成，即，和由大气 湍流造成的展宽部分c o , ，2 = 4 3 8 c 2 f 0 。“，f 0 为湍流的内尺度，一般为m m 量级。对于典型的g 2 a 1 0 “聊“3 到1 0 “m “3 ，光斑展宽部分0 9 ，2 的量级 在o 1 m m 到1 0 m m ，对应中心轴光强的衰减最大达到3 d b 。 图2 - 1 2 是传输距离z = 1 2 k m 时在不同的湍流强度q2 下，c o , ：2 - q 湍 流内尺度l o 的关系。从式( 2 - 2 8 ) 和图2 - 12 种我们可以看出，在传输距 离一定时，大气湍流导致的光束展宽大小，：与湍流的强度和内尺度密切 相关。当湍流强度c 2 一定时，6 0 ，：随着湍流内尺度f 0 的增大而减小；而 酉亩套通盍兰亟瑟究生堂僮诠室 蔓丝夏 当湍流内尺度f 0 一定时，湍流强度g 2 越大，：也越大。 重 量 g 3 咚 拓 硅 景 g 罐 而 鲑 鳇 r 十 湍流内尺度i 口( r a m ) 图2 1 2 光束展宽与湍流内尺度的关系 2 3 6 其他大气效应 大气对近地面无线激光通信的其他影响包括大气的光折射效应、大 气散射影起的背景噪声加强、像点抖动及相位面的扰动、光斑分裂( 强 湍流) 、到达角的起伏等其他一系列湍流效应。 由于湍流尺寸l 在l 。和l 。连续分布，光束直径在传播过程中又不断 变化，上述湍流效应总是同时发生。而理论和试验均表明，以上湍流效 应都有饱和效应，即当其增达到一定值时就不再增加，而略有减小呈现 饱和。 酉密窑湮塞堂亟盈盎生兰僮途塞蔓；! 垂 第3 章光信号的发射与接收 综合考虑大气激光通信系统的复杂性与可靠性，大气激光通信一般 均采用强度调制直接检测( i m d d ) 。其中发射机主要由激光器及它的 驱动电路和保护电路组成。而接收机主要包含检测器( p i n 或a p d ) ，由 于在热噪声限制系统中p i n 比a p d 有更好的接收特性，在近地面大气光 通信中我们一般选用p i n 作为光电检测器，把输入信号转换为电信号； 由于接收信号可能非常微弱且有失真，所以转换后的电信号在判决前， 必须经过放大和均衡，最后由同步时钟脉冲进行抽样于判决门限比较， 恢复发射机发送的比特信息。 3 1 大气光通信中的光发射 在大气光通信系统中，由于大气温度与压强的变化，将导致折射率 的随机变化，从而造成大气湍流效应。大气湍流效应最显著的结果是弓i 起接收光强的闪烁，激光强度的忽大忽小即噪声。当噪声的影响超出一