（通信与信息系统专业论文）南海海域大气光通信信道模型研究与仿真.pdf

卜 l f l f 1 1 11 1 11 1 11 11 11 1 1i iiii 17 9 8 9 3 6 海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 论文作者签名： 日期：卅口年，月j e l 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权海南大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。本人在导师指导下完成的论文成果，知识产权归属海南大学。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名：玉) 蛳 导师签名： 日期：弘f c 7 年厂月j 日日期：卅口年歹月1 日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交 “c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。回童迨塞 提交扁滞后：口半年：口一年：口二年发布。 _ _ _ _ _ _ _ - - - - - _ _ _ _ _ _ _ 一r r - 做作者签名：j 脚啦 日期：卅矿年pj 白 导师签名： 日期：弘矽年罗月日 l - 一一一 a b s t r a c t a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nar e s e a r c hf o c u si nt h ef i e l do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，i ti sad i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt r a n s m i t t e db yl a s e ro ro p t i c a lp l u si n t h ea t m o s p h e r e i ti sa l s oc a l l e d “w i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a n de n jo y sag o o d r e p u t a t i o n 、i t h v i r t u a lf i b e r a t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o nb o t hh a sm i c r o w a r ea n d l a s e rc o m m u n i c a t i o n s a d v a n t a g e s f u r t h e rm o r e i ti s s t r u c t u r e dw i t hs o m ei r l i m i t a b i e c h a r a c t e r ss u c ha su n l i m i t e db a n d w i d t h , n o f r e q u e n c ya d m i s s i o n , l o wc o s t ，s t r o n g a n t i - j a m m i n g ，g o o dt r a n s m i s s i o ns e c r e c y , e a s ea n ds p e e do fd e p l o y m e n ta n ds oo n b e c a u s e s u c hal o to ff a c t o r sa sa t m o s p h e r i cs c a t t e r i n g ，r e f r a c t i n g ，t u r b u l e n c e ，e t c i nt h ec o u r s eo f t r a n s m i t t i n gi nt h ea t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i l lc a u s et h ee n e r g yo fl a s e rt o d e c a y s t r e n g t ho fl a s e rt of l u c t u a t e ，t h er a n d o md e f l e c t i o no ft h el i g h tb e a m i ti sak e yt o o v e r c o m et h ei n f l u e n c e s ot h es t u d yo na t m o s p h e r i cl a s e rc o m m u n i c a t i o nc h a n n e ls e e m s e x t r e m e l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rh a sn a r r a t e da n da n a l y z e dt h ee f f e c to fa t m o s p h e r i cr a n d o mc h a n n e l t o w i r e l e s sl a s e rc o m m u n i c a t i o na n dl 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 o n dt ow i r e l e s so p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，i na d d i t i o nw ed e t a i l e da n a l y s i so fv a r i o u sf a c t o r so nt h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) t h e nt h e p a p e rp r o v i d et h ec h a n n e lm o d e lb a s e do ni ta n dc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , a n d c o m b i n e dw i t ht h es o u t hc h i n as e at os i m u l a t et h ea t m o s p h e r i cp r o p e r t i e s o nn l eb a s i so f t h e s ef i g u r e s ，w ec a no b s e r v et h ec h a n g ea n dd i s t r i b u t i o no fl a s e r e n e r g yg o e st h r o u g h a f f e c t e db ya t m o s p h e r i c ，s p a c el o s s ，a n do t h e re x t e m a le n v i r o n m e n tw i t ha l lk i n d so f f i g u r e t h r o u g hi n d e p t ha n a l y z e do fv a r i o u se x t e r n a lf a c t o r so nt h e a t m o s p h e r i co p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w eb r o u g h tf o r w a r daf e wo fm e t h o d st or e d u c ei n f l u e n c eo fa i r b o u n d a r yl a y e rf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mt ol a y ag o o dt h e o r e t i c a lb a s i s k e y w o r d s ：l a s e rc o m m u n i c a t i o n a t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o na t m o s p h e r i ct u r b u l e n c eb e r 海南人学硕十学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 引言l 1 2 大气光通信的国内外现状1 1 3 技术比较2 1 4 本文的选题背景及研究主题3 2 大气信道分析5 2 1 大气的组成及对光通信的影响5 2 2 大气衰减5 2 2 1 大气分子的吸收6 2 2 2 人气分子的散射7 2 2 3 大气气溶胶的衰减7 2 3 大气湍流8 2 3 1 湍流犬气功率谱密度分析1 0 2 3 2 人气中的折射率结构常数c 。2 模型1 l 2 3 3 光强闪烁1 2 2 3 4 光束漂移1 3 2 4 本章小结15 3 光端机因素l6 3 1 光传输方程1 6 3 2 光传播的几何损耗1 7 3 3 接收机的性能分析1 8 3 4 本章小结2l 4 仿真2 2 4 1 大气衰减模型2 2 4 1 1 衰减系数分析2 2 4 1 2 仿真分析2 2 4 2 大气湍流模型2 4 4 2 1 模型的建立2 4 4 2 2 模型仿真2 6 5 抑制大气影响需要的改善措施2 7 5 1 选择工作光波长2 7 5 2 自适应光学系统2 7 5 3a t p 技术2 7 i i i 海南火学硕十学位论文 目录 5 4 多光束发射2 8 结论2 9 参考文献3 0 作者在读期间科研成果简介3 3 后记3 4 i v 海南大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 在信息技术快速发展的今天，通信的发展日益趋向更高的速率与可靠性，更大的容 量，更长的距离，光通信正是在这种条件下顺势而生。激光自发明以来经历了四十多年 来的发展，我们的通信时代也进入了一个全新的时代。激光通信对整个通信的发展起了 举足轻重的作用，它给整个通信领域带来了革命，大大地推动了通信行业的发展，这些 全凭着它自身良好的方向性、单色性和相干性等优势。 大气光通信技术采用红外激光穿越大气或高空以实现语音、图像、多媒体等数据的 高速双向无线传输，是一种以激光作为信息载体，不使用线缆等有线信道的传输方式【l 】。 国际上又称之为“自由空间激光通信”( f r e es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ) 、“无纤激光 通信或“无线激光网络”，是目前备受瞩目的一种激光通信方式。根据信道特征特我 们可将无线激光通信分为三种：无线大气光通信，无线空间通信，无线水下通信【1 】【2 l 。 常见的无线空间通信技术主要是应用在军事及卫星通信方面，8 0 年代初期很多国家 在此领域就有许多成功的应用实例。其中包括卫星之间、卫星对地面、地对地之间等多 元化的通信等。而军事水下通信主要是用于潜艇之间以及舰船与潜艇之间的通信，它们 依赖着蓝绿激光在海水中传播的良好特点使得其生存能力有了质的提高，蓝绿激光在海 水中传播时不仅方向好，而且穿透力强、衰减小、安全隐蔽。 与无线空间激光通信和无线水下激光通信相比，无线大气激光通信在这三种通信技 术中是唯一的一种同时在军用和民用都拥有很广的使用前景的技术。早期的大气激光通 信受限于传输速率及传输距离等技术问题无法突破而告终【3 】。2 0 世纪9 0 年代后期随着 一些技术的发展及器件的完善，无线大气光通信重新浮出了水面，成为信息技术的一大 研究热门。这些技术包括连续大功率半导体激光器、高灵敏度的光电探测器、易携带轻 便的设备、易于安装对准的光学收发天线、自动跟瞄器、光学窄带滤波技术、光源稳频 技术、宽带内信号压缩编码技术、自适应光学信息处理变焦技术等。大气光通信己成了 构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通 信相提并论。 一一一一一一 一一一 1 2 大气光通信的国内外现状 近几年来，随着掺饵光纤放大器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r s ，e d f a ) 、波分复用 ( w d m a ) 、自适应光学( a d a p t i v eo p t i c s ，a o ) 等技术的发展，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的提高，适用面也越来越大。 目前，国内外都在可见光及激光大气湍流效应方面投入了大量的研究。美国、德国、 r 本以及韩国在研究与实际应用上都处于领先水平，其中以美国尤为突出：1 9 9 7 年，欧 空局的s l i e x 系统研究取得了罩程碑式的成果，它的激光通信设备通过了复杂环境下 海南大学硕士学位论文 1 绪论 的多种严格测试【4 1 。1 9 9 8 年2 月，美国朗讯公司制造了一套1 0 g b i t s 的无线光通信实验 系统，a s t r ot e r r a 公司在该系统中加入自动跟踪系统后于同年八月对该无线光通信系统 进行了测试，可以在2 5 k m 内实现2 5 g b i t s 的链路传输。美国的t e r a b e a m 公司在2 0 0 0 年悉尼奥运会期间，在水上中心与演播中心之间成功地建立了一条八波道的无线数据光 通信链路，运行期间效果良好，没出现中断的情况，并在西雅图四季饭店成功地利用 f s o 设备向客户提供1 0 0 m b i t s 的数据连接。2 0 0 4 年弗罗里达中心大学的l c a n d r e w s 和r l p h i l i i p s 等开发了大气湍流激光模拟软件包a l t m ，使用经实验验证的数学模型 模拟计算高斯光束通过湍流大气后的光束特征和激光大气湍流效应。2 0 0 6 年9 月1 9 日， 日本的o i c e t s 与地面站之间上行链路经实验测试通信速率为2 0 4 8 m b p s ，误码率达到 1 0 一( 2 - p p mi 周n ) t 7 1 。2 0 0 7 年，美国j o h n sh o p k i n s 大学其将空中平台安装在离地面高 2 1 0 0 3 0 0 0 英尺处的气球上，并成功地进行了空地激光通信实验，最高通信速率接近 4 0 g b p s ，长时间平均误码率达到1 0 。6 。由此可见，国外的无线激光通信产品及技术的发 展中已经非常成熟，并逐渐地投入了实际应用之中。 尽管我国无线激光通信的研究起步相对晚了点，但发展也相当地迅速。有着丰富的 激光调制解调经验的上海光学精密机械研究所，已经率先研制出了一种可以实现2 公里 之内的通信速率可达1 5 5 m b i t s 的大气传输光通信系统。此外，目前国内如电子科技大 学、哈尔滨工业大学、北京大学、华中科技大学等高校也都在进行着大气光通信系统的 研发工作。由此可见，我国在无线激光通信研究方面也有一定的基础与研究设计能力， 并有相当一部分投入到了实际工程之中。2 0 0 0 年我们研制出了速率1 5 5 m b i t s ，通信距 离4 k m 的军用大气激光通信系统。该系统为双向数字通信，可以实现h d b 3 及a m i 码 两种接口接入功能。并在2 0 0 4 年成都军区信息化建设成果展示活动中得到了充分的体 现。2 0 0 3 年1 月上海光机所信息光学实验室研制成功了无线激光通信系统。该系统具有 双向高速传输和自动跟踪功能，兼有体积小重量轻的特点。其在2 k m 之内实现6 2 2 m b i t s 的传输，响应时间o 2 s ，自动跟踪系统的跟踪精度o 1 m r a d 。虽然我们在大气激光通信的 研究方面也有很大的进展，但其实用化的进程却远落后于欧美等国。相信随着国内无线 光通信研究的不断深入，以及市场的形成与不断扩大，国内的技术水平会迎头赶上领头 羊，达到领先水平。 一一一一 1 3 技术比较 大气光通信技术是一种新的宽带无线接入技术，是无线通信技术和光通信技术相结 合的产物。相比于卫星通信等其他接入方式，大气光通信主要有以下特点： 1 无须频率执照许可 大气光通信工作频段在3 2 6 3 6 5 t h z ，不占用拥挤的无线电频率资源，不会与其 他传输之间发生干扰，同时设备间也无射频信号干扰，故无需申请频率使用许可证。 海南大学硕士学位论文 1 绪论 2 频带宽，速率高 可提供与光纤系统相似的传送带宽，已商用的f s o 系统，容量从2 m b p s 2 5 g b p s 或更高，目前国内外采用的1 5 5 0 n m ( 约1 9 3 5 x 1 0 5 的频率) 波长的激光，其传输速度 可达1 0 g b i t s ，即可完成1 2 万个话路，传输距离可达5 k m 【9 j 。 3 安全保密性强 激光采用直线定向传播方式使得它的发射光束窄，激光光束的发散角通常都在 毫弧度，甚至微弧度量级，因此很难探到链路的具体位置，更不存在窃听的可能性， 安全保密性好。再者，激光的波束非常地定向，直接对准接收机，即使被截取，也 会因链路中断而被用户发现瞵j 。 4 灵活便捷，快速链路部署 无线大气光通信设备相对于微波通信来说，具有体积小、重量轻的特点，通常 体积在几十厘米左右，重量在几公斤左右，便于携带。大气光通信组网、部署速度 快，只需将设备安装在通信节点上，再将光发射天线和接收天线对准即可，只需一 天甚至更短的时间即能安装调试成功，无需铺设光缆和电缆。尤其适合作为临时构 造大容量的通信链路光纤通信的应急故障后备、及特殊地形和复杂地貌等有线方式 难以实现的组网【l o 】。新节点的添加也很方便，只需稍作接口的变动即可，无须改变 网络，易于扩容升级。 5 透明的传输协议 以光为传输媒介，任何传输协议都可以轻易地叠加上去，现在通信网络常用的 s d h 、a t m 、i p 等都能支持；对语音、图像、数据等业务都可做到透明传送。 6 成本低廉 由于无需昂贵的管道工程铺设和维护，不用任何设计、也省去了工程和线路费 等附加费用，使得其工程投资成本约为光纤传输系统的五分之一左右。 大气光通信作为一项新兴技术，也存着一些显而易见的应用限制。其中最大的 弱点是传输距离，尽管激光的定向性很好，波束比较窄，但波束随着传输距离的增 加慢慢地变宽，超过一定距离后难以被正确接收。另外，大气光通信对外界环境非 一 常敏感，建筑的晃动、飞鸟的阻挡都会影响到系统的可靠性。而且两个通信节点之 间必须没有障碍，否则得建立新的中继站以重新实现连接。 1 4 本文的选题背景及研究主题 随着社会信息化的不断发展及各种宽带业务需求同益增加，人们对网络、带宽需求 也随之增加。南海海域岛屿众多、地型复杂，如果通过海底光缆通信，不仅工程施工难 度比较大，花费的时白j 长，成本高而且后期维护也不方便。虽然如微波之类的无线通信 技术也可以解决岛屿之间的通信，但是它们还得向无线电管理委员会申请频率执照，不 仅要占用较长的申请时间，而且还得承担高额的频率占用费，既耗时又不经济。而大气 海南人学硕士学位论文1 绪论 光通信是以激光为载体、以大气为媒质来进行光信号的传输，只要收发两个端机之间存 在无障碍的视距路径以及足够大的光发射功率，就可以在短时间内把宽带接到各个角 落。南海海域位于南方，四季晴朗，常年无下雪、冰雹等对光通信信道衰减比较大的大 气因素，所以更有利于大气光通信的推广与应用。随着技术的不断进步以及器件的日益 完善，大气光通信技术已成为当今信息行业的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤 通信、微波通信相媲美。 据统计，海南周围地带近几年光通信系统的可用度都接近1 】，完全可以采用大气 光通信系统。其中可用度是指空间光光通信系统在一年中可使用时间的总和与一年时间 的比值，一般用来评价空间光通信系统能否使用以及使用的服务质量好坏的一项重要指 标。由此可见大气光通信完全可以很好地为南海海域提供通信服务。 大气光通信作为一种新的无线通信手段，众多学者从激光一出现就开始做了大量的 理论上和实验上的研究。在大气光通信系统中，大气光信道对外界环境非常敏感，大气 的吸收、散射、折射、湍流等因素很容易给其带来影响，导致激光能量的衰减、光强闪 烁、光束随机偏移等现象。如何克服这些影响因素成了大气光通信研究与推广的一个难 点。鉴于大气信道研究的重要性，我们根据无线大气光通信的信道特点及信道组成，对 影响信道的各种因素进行分析，并着重从大气信道衰减与湍流效应两大方面进行研究， 从而在通信理论的基础上对大气信道进行建模。同时我们将结合南海海域的大气特性来 仿真并优化信道模型，为大气光通信的实际应用服务，从而更好地使南海海域范围内的 海岛能够提供通信服务，加快其信息化建设的步伐。 4 海南大学硕士学位论文 2 大气信道分析 2 大气信道分析 2 1 大气的组成及对光通信的影响 地球大气是由多种气体、水蒸气、悬浮于空中的固体颗粒及液体粒子( 气溶胶微粒) 等组合而成。主要的气体分子有n ，、o ，、c o ：、h ：o 、c o 、o ：以及一些惰性气体 a r 、n e 、k r 、x e 、r n 。大气中的气溶胶微粒成分复杂，形态各异，尺度分布很广，约 o 0 3 2 0 0 0 um 之间，一般分为固态粒子和液态粒子。主要的固态粒子有烟雾、尘埃、 风沙及各种工业污染物，液态粒子按其形态可分为云滴、雾滴、雨滴、冰晶、雪花、冰 雹等。低层大气的气体成份可分为三类：一类为基本不变成份，主要包括n 2 、0 2 、心 以及微量的惰性气体，它们在大气成份中的比例一般比较固定；第二类为可变成份，其 比例随时间、地点而变化，其中水蒸汽的变化幅度最大，0 3 、c 0 2 所占比例很小，但它 们对光波的传输都有着的重要影响；第三类为一些变化很快的气体成份，如一些硫、碳、 氮的化合物1 2 】。通常情况下，我们将除水蒸汽以外的纯净大气称为干洁大气，又名干 空气。大气中的这些成分都对激光信号的传输有一定的影响作用如吸收、散射，从而导 致光信号能量的衰减。同时，由于温度差异、风等原因，大气处于不稳定、不均匀的状 态，大气湍流效应使得光束横截面上能量分布起伏不定、光斑的闪烁、扩展和漂移等。 因此大气对光传输的影响主要可以归结为大气的衰减效应和大气湍流效应。前两项主要 因大气的吸收、散射引起，造成光传输的功率损耗；而后者主要引起光强闪烁、漂移及 相位的起伏等现象【1 3 】。 2 2 大气衰减 由于大气中存在着各种气体和微粒，如灰尘、烟雾等，以及下雨、下雪等气象变化， 激光束在大气中传输时，部分光辐射能量会被吸收转换成如热能等其它形式的能量，部 分光辐射能量则被散射而偏离原来的传播方向。吸收和散射的总效应使传输的光辐射强 度衰减，这就是所谓的大气衰减【1 4 】。 由于激光具有极好的单色性，所以假定在光传输路径上大气均匀或分层均匀情况 下，其传输特性可用比尔朗伯特( b e e r l a m b e r t ) 定律描述： nt t = 丝= e x p - i ( a ) 毋】 ( 2 1 ) p t 毛 对于水平均匀光程： t = 丝= e x p - f l l 】 ( 2 2 ) p t 式中，t 为传输距离l 的大气透过率( ) ；p ，为接收入的光功率，p 。为发射的光功率， 卢为大气衰减系数( 1 k m ) ，式( 2 2 ) 表明光强度随传输距离的增加呈指数规律衰减。 ， 海南大学硕士学位论文2 大气信道分析 因为衰减系数卢描述了吸收和散射两种独立物理过程对传输光功率的影响，所以卢可表 示为： 卢= 仃。+ k m + 巧。+ 包 ( 2 3 ) 式中，仃。为分子散射系数；吒为分子的吸收系数；仃。为大气气溶胶散射系数；k o 为大 气气溶胶吸收系数。所以对大气信道的衰减研究可转化为对上面四个基本衰减系数的研 究。在实际工程应用中，一般用( 1 k m ) 或( d b 胁) 作为衰减系数的单位，两者之间呈比 例关系： ，( a 8 砌) = 4 3 4 3 卢( 1 砌)( 2 4 ) 2 2 1 大气分子的吸收 当激光通过大气时，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，所以需消耗一部分能量来克服大气分子内部的阻力，表现为大气分子的吸收。 由此可见，大气吸收就是将辐射能量转换成大气中分子的运动。分子对光波的吸收谱线 的自然宽度很小，但由于分子间的碰撞和分子热运动的多普勒效应会使谱线增宽至原有 线宽的数倍，要大出好几个量级。 分子的吸收特性强烈地依赖于光波的频率，当入射光的频率与大气分子固有频率相 等时，会产生共振吸收，吸收将出现极大值。构成大气的分子中虽然大气中n 2 、0 2 分 子含量最多，但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出比 较大的吸收。大气光通信所采用的激光波长多为近红外，在近地面的大气光通信中，对 近红外激光产生吸收的分子中以水蒸汽、二氧化碳和臭氧为主，n 2 、0 2 的吸收一般不作 考虑。而且大气中0 3 含量不仅很少又集中在2 0 3 0 k m 高度上【l 卯。总的来说，大气对某 些特定的波长呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过，同时对近红外某波段表现为 弱吸收。通常将透过率较高、吸收较弱的光波段称为“大气窗口”，最常用的有 2 0 u r n 2 4 u m 、3 4 u m - 4 1 u m 、8 u m 1 3 u m 窗口。目前常用的都是这些窗口之内的激光 波长，对大气分子吸收的影响可有效地克服。可见在设计光通信系统时，在高透过波段 上做好工作波长的选择是十分重要的。表2 1 给出了可见光和近红外区主要吸收谱线 【16 1 。图2 1 给出了在晴好天气条件下，不同波长所对应的大气透过率【1 7 1 。 表2 1 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( u r n ) h 2 0 0 7 20 8 20 9 31 1 31 3 81 4 61 8 72 6 6 3 1 5 6 2 6 1 1 71 2 6 1 3 5 1 4 3 c 0 2 1 41 62 0 54 35 29 41 0 4 0 2 4 79 6 海南大学硕士学位论文 2 大气信道分析 ! - 一兰一i 一堡一+ 一翌+ ! 一 墨 o 7 2 o 9 43 竣长o 嘲 图2 1 大气透过率及大气窗口 2 2 2 大气分子的散射 大气分子的吸收和散射使得透射光强在通过大气之后变弱，而光波的电场使大气分 子产生极化，形成振动的偶极子，从而发出次波。由于大气中存着着局部的密度与平均 密度统计性的偏离密度起伏，使得大气的光学均匀性及次波的相干性受到破坏，从而 导致一部分光向其他方向辐射传播。纯散射只是改变能量的分配方向，而没有造成能量 的损失。 由于大气分子的直径极小，总是远小于入射光的波长，在这一条件的散射称为分子 散射。分子散射遵从瑞利散射定理，因而也叫瑞利散射【1 8 】。散射光的强度与波长的四 次幂成反比，其散射系数为： 成= 可3 2 r c 3 ( n - 1 ) ( 2 5 ) 在干燥清新的空气中，瑞利散射系数为1 9 】： 口，竹= 1 0 9 x 1 0 - 3 a 0 5( 2 6 ) 其中a 为入射光的波长，n 为单位体积( 立方厘米) 内的分子数，r l 为媒质的折射 率。由于与波长的四次幂成反比，散射随波长的增长而减弱。所以在近红外的情况下， 大气气体分子造成的瑞利散射很小，可以忽略不计。 2 2 3 大气气溶胶的衰减 大气中除大气分子外，还含有大量的粒度在o 0 3 u m 2 0 0 0 u m 之间的固态和液态微 粒，主要为尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及各种工业污染物等，通常称它们为大气气溶 胶f 2 0 】。此外，大气中还经常出现一些飘落物，如雨、雪等。同理，气溶胶对光波的衰 减也可分吸收和散射两部分，但由于散射粒子的直径尺寸相当于或大于近红外光的波 长，即产生米氏( m i e ) 散射。米氏散射衰减系数主要受散射粒子的尺寸、密度分布以 海南大学硕士学位论文 2 大气信道分析 及折射率特性影响【2 1 1 。在大气水平均匀条件下，可只考虑气溶胶衰减。这时可以用能 见度的经验公式来表示大气的衰减系数，此时( 2 2 ) 式近似为： 五= e x p ( 一成a 三) ( 2 7 ) 式中，l 为两点间的水平传输距离。尾。是波长倒数的函数，可写成如下形式： 尾a = a a , 1 ( 2 8 ) 根据气象上对能见度的定义，经换算成。可表示为： 见 = ( 3 9 1 2 v ) x ( 5 5 0 h m a , ) 9 ( 2 9 ) 式中，v 为能见度( k m ) ；a 为传输波长( 1 1 1 1 1 ) ；q 为与能见度有关的参数。能见 度在白天是指以水平天空为背景下人眼能看见得最远距离，在夜间指能看见中等强度 的末聚集光源的距离，它是大气对可见光衰减作用的一种度量。有资料表吲2 3 1 ， f 1 6 ( v 5 0 k m ) q = 1 3( 6 k m 5 0 ko 0 1 4 1 2 k1 9 6 综上所述，我们可以看到形成大气衰减的因素是多种多样的，产生的影响程度也 有很大的差异，并且同种因素在不同条件下产生的影响也有很大的差别。当激光工作 在“大气窗口”内时，大气分子的吸收和散射产生的衰减取得最小值( 主要在晴朗天 气起作用) ；飘落物产生的衰减居中；雾，特别是浓雾产生的衰减最严重。大气衰减因 自然环境而生，具有多变性和不可控制性，因此我们对信道的研究任务任重而道远。 2 3 大气湍流 自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰， 没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章1 2 副。例如，我们可以 用带颜色的染料在管子中的流动来进行观察，当流体速度慢的时候，流体处于层流状 8 海南大学硕士学位论文2 大气信道分析 态，此时流线光滑而清晰；随着流体速度的不断增加，当流速达到一定值时，流线就 不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，这种运动状态叫做湍流。在大 气光学领域，湍流是指大气中因温度、湿度和压强在小范围和短时间内随机变化而带 来的折射率的不规则变化1 2 刚。湍流效应使光束质量受到严重影响，出现光束截面内的 光强闪烁、光束漂移和扩展等现象。一个典型的大气湍流信道示意图如图2 2 所示。 。 传输中 光波聚焦 。 的光波失真透镜 探测器 图2 2 大气湍流信道示意图 大气湍流运动的结果是使得大气的运动速度、温度、折射率在时间和空间上随机 起伏。其中折射率起伏直接影响激光的传输特性。大气湍流理论表明，大气速度、温 度、折射率的统计特性服从“2 3 次方定律”，即： d 。( r ) 2 c 2 。r 删( t o ，厶) ( 2 1 1 ) 式中d 。( r ) 是两个观测点间折射率增量的系综平均，c 2 。依赖湍流能量耗散率，称为折 射率结构常数，它是一个用于度量光学湍流强度的物理量，单位为m 剧3 。结构函数的 这种形式仅在r 值位于湍流内尺度厶和湍流外尺度厶之间时才成立。当湍流尺度小于与 之对应的内尺度，0 时，粘滞效应变得很重要；而湍流场外尺度厶被认为是各向同性时 湍涡的最大尺度。在近地面大气湍流内尺度厶是毫米量级。大气湍流外尺度厶是米量 级，依赖于流动的几何特征，一般认为是数十米到数百米的范围。 激光束是一种有限扩展的光束。大气湍流对光束的影响程度同光束直径d 与湍流 尺度l 有密切关系【2 7 】。 d l 时，当光束直径远远小于湍流尺度时，湍流主要作用是使光束产生随机 偏折，在远处接收平面上，光束中心的投影点以某个位置为中心，随机跳动，此现象 称为光束漂移。具体情形见图2 3 所示。 图2 3 光束直径远远小于湍流尺度时的光束偏移 9 l 一 海南大学硕士学位论文2 大气信道分析 d 三时，光湍流尺度约等于光束直径时，湍流主要使光束截面发生随机偏转， 从而形成达到角起伏，使接收端的焦平面上出现像点抖动。 大气湍流出现更多的情况是d 三时，即光束直径远大于湍流尺度，这时截面 内包含许多湍流旋涡，各自对照射其上的那一部分光束起散射和衍射作用，使光束的 强度和相位在空间和时间上出现随机起伏，从而引起接收端的光强起伏，同时衰减总