（光学专业论文）大气激光通信系统信道的衰减研究.pdf

摘要 大气激光通信作为一种前景非常好的无线通信手段，自激光出现以来，众多学者对 它做了理论上和实验上的研究。在大气激光通信系统中，由于在传输过程中受到大气敖 射、折射、湍流等很多因素的影响，会造成激光光能量衰减，光强闪烁，光束随机偏转， 能否克服这些影响是大气激光通信推广应用的关键。近年来，大气激光通信技术取终了 辉煌的成就，僵它受大气环境因素的影响菲常严重，因此对大气激光通信信道的研究就 显得格外重要。 论文首先概述了无线大气激光通信的发展历程和发展现况，无线激光通信具有传输 码率离，保密性好，抗电磁干扰，体积小，重量轻等优点。本论文还深入分析了大气衰 减效应和大气湍流效应对激光传输的影响，并针对无线大气激光通信独特的信道特点， 介绍了无线大气激光通信系统原理和系统结构，阏对详缀贪缓系统中豹关键潞分。最焉 结合系统设计方案分析建立了j # 隧机影响嚣素下的大气激光通信信道模型，并撤据模型 对近地面激光通过大气信道产生的衰减情况进行了仿真，对通信系统的设计和实验有良 好的指导意义。 大气激光通信技术具有较好的实用性和市场价值，世界各国越来越重视无线激光通 信，投入大量的人力物力进行研究开发，本课题对无线光通信的工程实现具有重要参考 价值。 关键词：激光通信，大气信道，大气衰减，信道模型，仿真 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 na s ak i n do fv e r yg o o dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e a n s ， s i n c et h el a s e ra p p e a r s ，s on u m e r o u ss c h o l a r sh a v ed o n ei tw i t ht h er e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t & i nt h e o r y b e c a u s es 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 r e 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 od e c a y , s t r e n g t ho f l 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 oo v e r c o m et h ei n f l u e n c e i nr e c e n ty e a r s ，w eh a v em a d et h eb r i l l i a n ta c h i e v e m e n ti 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 nt e c h n o l o g y , b u ti ti sv e r ys e n s i t i v et o a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t a l f a c t o r s ot h es t u d yo na 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 nc h a n n e ls e e m se x t r e m e l yi m p o r t a n t 。 t h i sp a p e rf i r s ts u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n ds t a t u so fw i r e l e s sa 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 n f o rt h ea d v a n t a g e so fh i g hd a t ar a t e ，g o o ds e c u r i t y , a n t i - e l e c t r o m a g n e t i cj a m m i n ms m a l l v o l u m ea n dl i t t l ew e i g h te t c ，w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c m i o n sh a sa t t r a c t e dm a n yc o u n t r i e s a t t e n t i o n t h ei m p a c to fa t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o na n da t m o s p h e r i ct u r b u l e n c eo nl a s e rt r a n s m i s s i o ni sp r o f o u n d l y a n a l y z e di nt h ep a p e r f o rw i r e l e s sa 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 n su n i q u ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e p r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma r ed e p i c t e d , a n dd e t a i lt h ek e yp a r to fs y s t e m 。 f i n a l l y , t h ec h a n n e lm o d e li nn o n - r a n d o mf a c t o r sa f f e c t i o ni sg i v e nb ya n a l y z i n gt h es y s t e md e s i g n ，a n di n a c c o r d a n c ew i t ht h em o d e l ，s i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h ea t m o s p h e r i cc h a n n e l sa t t e n u a t i o n n e a rt h ee a r t h ss u r f a c e f o rt h ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n de x p e r i m e n t , i t sag o o dg u i d e w i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n si s v e r yp r a c t i c a la n dw i l lb et h ec o m p e t i t i v ei n t h em a r k e t a p p l i c a t i o n m o r ea n dm o r em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e si sp u tt ot h ef i e l d si nm a n yc o u n t r i e s 。t h e p a p e rh a st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c e dv a l u ef o rt h ea c h i e v e m e n to ft h ew i r e l e s so p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s k e yw 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 cc h a n n e l ，a t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o n ，c h a n n e lm o d e l i n g ， s i m u l a t i o n i i i 独创性声嚼 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在浮师指导下进行的研究工彳乍及取得的 磷究成巢。尽我嚣知，除了文中特嬲翔以标注彝致谢豁地方外，论文中不包含其毽入滋 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获褥河南师范大学或其他教育机构的学位或证鹊 所使蹋过瓣材料。与我一泛工佟的溺恚对本磅究蹶徽的任何贡献均已在论文孛作了明确 的说磺并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本入完全了解河南娜范大学有关保馨、使用学位论文的援定，群：有权镰留并巍匿 家有关部门或机构送交论文的复印 拳和磁盘，允许论文被粪阕帮借凝。本人授权河南赉荽 范大学可以将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 印或扫攒等复制手段镰存、汇编学短论文。( 傣密鲸学位论文在纂塞箍适簿本授权书) 签名：盔熏叁。导师签名：数勃基弱期“堡丝量：! l 5 9 第一鬻绪谂 第一章绪论 无线光透信蛰掀起磺究麴高滋，侄蠡扶上世纪彳0 年代光纤遗穰的逐逮发震黻及没 有解决天气对大气光遴售影噙的成熟技术，使褥度辉煌的无线光通傣研究黧入低谷。 但随着信号光康控制器，嵩灵敏度和离数据滤接收器，无线光通信应用的先进通信电子 设备鲢研究基本成熟，窒阗光通信又成为下一代光遗信的发展方向之n 3 。丽样，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 光通债是指以光波作为载体传输信息的一种遴信技术。从广义的光通信来说，人类 最早爝烽火台，灯光，镜子等，后来用旗语或照明灯的闪烁来发送信号传送信息的方式 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惑黄 播的最重要最常用的手段。与其他通信方式一样，按不润的划分方法，光通信也可分为 不同的类型滔。若按照传输介质的不弼，光通信系统可分为光纤通籍，无线巍逶信秘水 下光通焦。无线毙遵傣是撵默光波舞载俸，在真空或大气串传递僖患蛉透信技术。嚣裰 撼遁信链路的不同，笼线光通信的通信方式又可以是地面链路( 大气光速信) ，地瑟对 空洞链路，空间对空间链路( 自由空阗光邋信) ，甚至是空闻对水下链路。 。2 大气光遗信的发展史 科学技术熟发展总是与人类文翡静发矮历史紧密相关豹。掰史上酋次实现现代意义 鲍大气光遗信是在1 8 8 0 年，美匿著名的发鼹家a l e x a n d e rg r a h a mb e l l 邋过钝的毅发 明一光电话( p h o t op h o n e ) ，其通信距离越6 0 0 荚尺，但由于它易受外界噪声干扰，w 靠性不如电缆抟输焉最终没投入商用。后采，用弧光灯代替西光虽然延长了遥信距离， 但还是只限于数公里。 此后，由予光源的频谱，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? 雳，随着越界上第一台红宝石固体激光器鹣趱现，光源豹频谱，方两角 得到改善，扶蔼大大竣善了大气光遥傣酶传输性麓，大气光通信褥到遴步袭嚣。捌了 ：上世纪9 0 年代以螽，大气光通信技术已开始进入民用领域。近年来，随着掺镊光纤放 大器( e r b i u md o p e df i b e ra m p l i f i e r ，趵融) ，波分复用( 粕j i l l ) ，逸适应光学( a d a p t i v e 大气激光通信系统信道的衰减研究 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i - i 所示的原理框图n 表示： 图i - i大气光通信链路原理框图 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行方式。由于 光载波的频率高，能量集中，方向性强，可用频谱宽等一系列特点，与其他通信方式 相比，大气光通信具有以下优点弼： 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，如想借截收，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。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。 2 第一章绪论 任何事物郝具有两西靛。丽样，对于大气光通信，由于其采鼹的是大气信遵， 大气髂道基身鲍特点，使褥大气光通信又有其圃有瓣缺点： t 1 光束熊传播极易受大雾、商、雪等大气气象条件的影嗡。这类环境豳素秘大气 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 盎于巍在大气中近似按直线传播，通信系统必须王作在褫距范圈肉，激光束的 传输不能受到阻搂。飞鸟，树时等都可戆弓陡；链路的中断。 3 要受大风和地震麴影响。 上述彝题在巍波嚣抟输过程中会使光售号受到严重干扰甚至脱糕，造成在接收端 的较大误码率和短时闻的通信中麟，严重影响嚣线光通信系统的稳定性和霹靠性。因 此，要僳证在髓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衰减 影嚷，并擒建其理论模鼙，提潦有效的手段克服大气的干扰，瓣激光大气通信来说十 分必要和紧追。 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采，没有褥到应有的应用与发展，主要由于存在一下些 技术问题溯： 薹对遵过大气信道嚣光功率衰减於功率蛰偿技米勰题； 2 大气湍流瓣影响，使信遒折射率发生不均匀的隧视交纯，箕结采健接收光斑 发生所谗的闪烁现象翻漂移现象。要削弱大气湍流斡影睫，还有许多技术工作要徽， 铡如对现有蠢适废光学系统的进步改造等； 3 驱动功率小，转换效率嵩，激光输出功率大，调制带宽及蠲服系统篱单的激 光发射器件的制作； 4 灵敏度嵩，噪声特性好，适合予常溢环境下的接收器件的制律； 5 体税小，重量轻，光学特性好，便于安装，调校的光学收发天线的剩律； s 背景噪声的滤除技术闼越；如果采用窄带光滤波技术，又存在激光器瓣频率 稳定技术； ? ，在机动性要求高翘工作平台方位稳定性差的场合应黑，皂动鼹瞄技术也 囊关 键。 针对激上润题，大气巍通信需要突破的一些关键技术主要有；( t ) 高功率激光光源 3 大气激光遥信系统嫠道酶衰减研究 及商速率调制技术；( 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。 上蘧的阏题中，大气演流衰减对光无线通信的影嫡最明显和壹接，壶予随视介质的 复杂性和随机性，尚有许多理论问题悬而未决，因此对随机介质中光的传播的理论研究 也放末停止过。a k i r ai s h i m a r a 在隧机奔质中波的传播与散射这本专著中将随视介 质分成三大类：随机散射元、随机连续介质以及粗糙表面睛1 。随机连续介质指的是贪质的 折射指数在时闻和空润上随机地连续地变化瑟，例舞对流层和电离层湍流、行星大气、 日冕、水中的湍流、飞机和火箭发动机的绕流和烟雾晴空湍流以及生物介质。如果在 随机介质中豹给定点上随机性小于菜个值，则波的起伏是小的，这种情形通常瑟q 做“弱 起伏 近似。如果随机性大，它引起就是所谓强起伏。 1 5 大气光通信的现状与发展趋势 随着与光通信技术嗣步发展购其德技术的完善与成熟，大气光通信已发震到较成 熟阶段。在囡外，美国、日本及欧洲的l 些国家在光通信技术方面的研究一商处于领先 地位。 1 9 9 8 年2 月，美国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 大气中传播，通信性能受到通信距离和气候条件等因素的限制，通信距离达到5 k m 已经 算相当长了，如果大予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 虑建筑的熟胀冷缩的影响。a s t r i o t e r r a 公司在该系统中加入鑫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 胃，两公司对无线光通信系统的原型机进行了瓣试。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。并予2 0 0 0 年夏季推如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蔼也一直处于领先地位。上世纪9 0 年代 初，随着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，凰拉等城市得以应用。在瓦洛涅什城瓦洛涅什河两岸相距4 k m 的两个熊源站( 电力 站) 之间，1 9 9 5 年前架设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，他们在距离瓦洛淫什城约2 0 0 k m 以及在距离葵颠科不远的地方，也开通了半导体激光大气通信系统线路。现在，饿罗簸 4 第一章绪论 有关专家普遍认为，半导体激光大气通信系统在一定的视鼯范豳蠹有效遣实行“全天候” 邋错是完全可畿翡，也是禳有潜力豹。 t 我雕很早就开始了激光在大气中鲍传输特性酶磷究，主要研究单位有中秘院安徽光 机所大气光学实验室，中科院上海光机所，电子科技大学应用物理所，华中理工大学等。 与黧际上相院，我雷大气激光通信技术的实雳忧发展相对滞后，技术与理论研究相对脱 节，实际大气中的光通德链路研究少之甚少。 霞前人能嚣经掌握了主要气体对各种激光波长麴吸收系数。大气彳乍力湍流介质剡使 激光产生光强闲烁、巍寨扩震、光寒畸变、裰予控退纯等湍流效应，塔塔尔舞基奠基的 湍流大气中波的传播理论较好地描述了弱湍流情况下的光传播蚴，但却不符合强湍流情 况，后来发展了图解法、输运理论，部分扰动方法及马尔柯夫近似理论等方法来试图阐 述强湍流情况下的传播机理，露前获得广泛认同的是马尔柯夫近似理论，但未获最终统 一。实验上的观测麸第一台红宝石激光器戮现瑟至今一直在进行，人们取褥了各种激光 波长在各种气象条件下的衰减特性的观测资料，隧着各种相关探测器件的发展，入们又 取得了大气湍流影碗下毙强的累积概率分柱、光荣漂移，刘达螽起铰分布等耀关资辩麟。 但是壹予地理条件、气候爨素觞复杂性和气象条件熬变化莫测，实验与理论有一定差距， 大气信道的工程化研究还较肤浅。随麓激光大气技术及其相关技术的发展，进入9 0 年 代后，人们对大气信道的研究逐渐工程化，倾向予一定地理、气候条件下大气对实际遴 信链路的影响磷究，以撬进大气激光邋信的癍用和探索大容量、赢速率豹大气激光逶信。 1 。6 课题的来源，爨的和意义 本课题受到张明离院士项鼹启动蒸金资助。 大气激光通信技术是近年来出现的一蒂申新兴技术，其原理是载波光信号通过大气作 为传输信遒完戒点到点或点到多点嚣信息传输。该技术一般采用半导体激光器菇光源， 所构成的通信系统必无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用俸应急抢通，其 潜在的应爝领域是在数据网、电话两、微蜂网及徽徽蜂窝网的入溺应急设备及不便敷设 毫缆及光缆夔避距离场合。 大气激光遴售设备具有无翘磁干撬、缝网亳氇动灵活、安装维护方便遥傣哥靠性离、 保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应 用前景。隧着技术鹃不断完善和新器件的不断出现大气激光遥信技术澄成为当今信息技 5 大气激光逶铬系统信道豹衰减研究 术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世 界范豳通信嘲不可少的一种技术。 大气激光通信作为一种非常好的无线通信手段，自激光出现以来，众多学者对它做 出了很多理论上和实验上的研究，能否将之变为现实从而推广应用的关键在于大气激光 通信系统能否克服气候因素的影响，实现全天候通信。 在地一地、地空的激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。大气 中的气体分子、水雾、气溶胶、履等粒子的几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小， 这就会引起吸收、教射；大气的湍流运动会引起光斑的漂移和闪烁，特别是在强湍流影 响下，光信号受到严重干扰甚至脱靶，造成较大的误码率和短时闻通信中断，严重影响 激光通信的稳定性和可靠性。 早期的大气激光通信由于受气候因素的影响太大，一时无法克服葡使大气激光通信 系统的研究陷入了低谷，经过三十多年的努力，人们普遍认为：鼠翁的大气激光通信系 统在一定的褫距内有效的实现全天候通信是完全可能的，但由于气象条件因地理位置、 地形地貌、环境污染等因素的不同而有很大的差异，确定大气激光通信系统在各个地区、 各种气候条件下的使用情况和如俺提高系统性能还有很多工 乍要做，因此大气信道研究 是项很重要的工作。研究如何用有效的手段克服大气豹于扰，僳证在随机信道条件下 系统的正常工作，具有十分重要的意义。 1 7 本文研究的主要内容 由于近地面大气光通信采用的是大气信道，丽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褥毒# 常重要。本文针对大气信道对通信链路的衰减影响进 行研究。其主要内容有： 第1 章：对大气激光逶信中大气信道衰减的研究及技术进展情况散了简要概括；介 绍了课题的来源、目的及意义，明确了本课题的具体任务。 第2 章：激光大气传输的基本理论。较为详细的介绍了激光大气传输的特性及大气 对光束传输和激光大气通信的影响，它是具体工作( 第4 章) 的基础。 第3 章：无线激光通信系统。首先对测量系统的基本工作原理进行详细介绍，嗣时 介绍了通信链路及所用设备，对系统中的关键技术进行了具体阐述。 第4 章：激光通信信道模型及仿真。通过对大气信道的研究，建立半导体激光在大 鑫 第一牵绪论 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筝段奠定了 理论基戳，为王程盔瘸提馔了理论镶摅。 第5 章：结束语。总结通过本课题所褥出的结论并对今瑶的工作提出计划和瞻攘。 7 第二囊大气竞传输的綦零瑾论 第二章大气光传输的基本理论 大气激光通信是饕采麓光渡作为载波，剩耀大气佟为信道健递信感麴技术。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餐。辫以，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，溢流等。 2 。1 随机介质中波传播和散射的主要研究动向 毽蓠有关随视介矮中波传播和教射的理论翻方法发矮缎诀。电磁( 光波在隧枧介 质中传播时，除了受到髓机分布的离散散射元的散射外，最主要的还受折射率连续变化 酌随机介质的影响。关于滴流大气中波传播、散射理论阜在本世纪4 0 年代就己开始有 了研究。最早怒应用凡何光学遥似法，毽其适鬟藏露有限，在5 0 年代焉期，t a t a r s k i i 采用r y t o v 近似法荠孳l 入现代湍流的统计理论获褥了相当的成功璐1 ，成为现今处理弱起 茯条件下光波传撬翁经典理论，随后豹一些工律虽然采焉了不嗣静方法，懿弱相位罄理 论、熊量传递理论等，其结果仍与t a t a r s k i i 撼羼。捆缝屏理论嚣蕊爨蠹外的磷究近年 来越来越多，谗多学者利用该理论从理论和实验上研究了湍流大气中具有k o l m o g o r o v 谱和高斯相位起伏的相位屏衍射，也有人研究了会聚波束入射到大粗糙度相位屏时的后 翻增强效应，糟位霹理论最早耀予分析星际闪烁测量靛闲烁理论溺。瓣前国蠹辨学者正 在研究的有关课题包括高阶矩解法：部分楣干光源在湍流介质中的传播特性：波在备向 异毪不均匀的随机起铰毫离层巾煎传播：潞流介质静双频互裾关溺数戳及湍流介质瓣脉 冲波酶影赡；强滚滚余震串遵量密疫分鑫荫数的形戴等。对湍流余震本身，特嬲是湍流 内尺度的测量糊它对光传播的影响及赢层大气湍流的测试方法等也是个硪究方向。 些学者试图用量子论方法来处理传播阀题：还有学者开始将一些非线性方法用于研究湍 流大气中的电磁波抟播，麴分形、夺波交换法、混淹方法帮人工搴枣经鲻方法等。 对于处于大气湍流中暖标的散射理论嗣前在国际上正处于发展之中。交予匿标雷达 信号的探测以及矫场测霪和定标中均涉及大气湍流等气象背景杂波的干扰，西瑟关予大 气滴滚对毽标教射特性影嚷磷究毒重要意义。美溪予? 0 年代秘起就开始了这方覆蕊研 究，缝稍主要研究了大气涟流对漫射毽标的激光束敖射特性影响，着重分橱了鏊标蛉教 射场( 反射场) 的互相关函数、平均强度、强度方差等重要特征量随波源类型、目标几何 9 大气激光通信系统信道的衰减研究 参数、大气结构参数等变化规律。在前苏联，大气湍流对目标激光散射特性影响的研究， 于八十年代中期电有公开文献报导，通过本征格林函数的统计矩方程，研究了平面目标 下平面波、球面波的统计矩。1 9 8 6 年，d s b u g n o t o 对处于湍流中抛光目标的“有效 教射截面进行了研究，但仅给出了结论性的公式，公式的物理意义和推导过程没有发表。 在日本教育科学文化部的资助下，m t a t e i b a 等也在从事这方面的研究工作网。我国在 这方面的工作也有所进展，王贞松等导出了反射波矩方程，但难以进行具体的数值分析。 目前国内外同时有学者又开始对较为复杂的湍流和粒子并存的复合随机介质散射进行 研究，给出了散射波相关函数、频谱与粒子数密度分布和折射率起伏的关系，但未给出 数值计算结果。有关波束入射时大气湍流中的目标散射问题，国内外已开展了研究，所 给出的多是理论性公式，数值结果也较少。 2 2 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，热层与外逸层呻1 。具 体结构如图2 一l 所示。 图2 1 大气层结构示意图 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磊频繁，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 l o 第二牵太气光转输的基本理论 用的信道一般也都是这一层。 大气对流瑟主要森气态耪质缓藏。缀藏对滚屡大气的气捧主要有：予涪大气，。， 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，主要奔氮、氧、氨、氖、氮、氟与氨等，这类戒份在大气中麓含量随 时阀与地点鹃变化很小，其含爨比铡茏为隧定。男一类是褥变成份，如二氧纯碳、一氯 化碳、警烷、氧纯氮耪、臭氧、二氧他硫、氨与旗等。勇矫，对流层大气迩包括部分液 态水和固体颗粒，大气中悬浮蓿大量邂体和液体粒子。通常将半径小于凡十微米的固态 徵粒馨鸯徽大气气溶黢。其毽裁分裂称之为雾滴、云滚、冰晶、褥滴戬及猿雹、帮雪花等 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具有多种复杂的 物理化学特性，其中对地面无线光透信影豌较大麴分剐有吸收、散射、瀛流等。 2 ：3 大气衰减 激光在大气中传输时受气候条件影响很大，既激光在传输时强度衰减很快，这主要 是由于大气的气体分子窝大气汽溶胶粒子熬散射、吸救造成麓引艇。大气孛使竞熬裢矮 受到影响的主要因素怒二氧化碳、氧、烟、灰尘、水滴、冰粒等。在较低的大气层中大 部分承分毅缀水滴、雾藕水蒸气的形式结合起来，它占大气体积的百分之溺，使大气熊 冕度变差，巍的传播瞧受到天气的影响，雾对邋镶也有极大酶影响。 2 。3 ， 大气吸收 激巍在大气中传输时，爨与大气糯互作臻露衰减。在线性光学范隧蠹，光强王v ，z ) 随传输距离z 交化遵从著名的比尔( b e e r 定律) n 翱。 l ( y ，善) = 厶p 秭管二一搿+ 罗) z 二 0 1 0 3 时，瑞利散射公式失效，应当使用描述球形 粒子散射的米氏理论n 2 “ 。对米氏散射，因为有吸收存在，用散射截面不足以表征其散 射特性，通常用散射效率因子q s ( x ，n ) ，吸收效率因子q a ( x ，n ) 和衰减效率因子g ( x ，n ) 三个参数来描述。其中g ( x ，1 1 ) 的截面为 q ( 灭，五，咒) = z r 2 9 ( 五靠) ( 2 9 ) ( 3 ) 气溶胶散射 大气中的气溶胶粒子形态各异，尺度不一，通常把壹径小于0 1 l s a n 的粒子称为爱 根( a i t k e n ) 核，0 1 - 1 1 t m 的粒子称大粒子，气溶胶粒子主要分布在0 卜l o l m 之间，包 括履、云滴、冰晶、冰雹和雪花等，可用米氏散射理论近似处理气溶胶粒子的散射。当 气溶胶粒子的尺度分布为n ( r ) 时，其散射系数p ，吸收系数a 和衰减系数弘由下列方程 计算n 乳捌： = 万f 9 ( 础) 舸( ，) ，2 d r ( 2 - 1 0 ) 1 4 第二章大气光传输的基本理论 搿= 万f 皱( 圳) 以( r ) 毋 ( 2 圳) 1 = 万r g ( 础) 甩( ，) 毋 ( 2 砌) 激光南地面向空中传输时，散射系数怒高度的函数，分子和气溶胶粒子的散射系数 都随离度里复指数援律楚纯，随离发增燕嚣逐速减夺。在近缝西霸低空，气溶胶教射是 主要的，到了高空，可见光的分子散射与气溶胶散射的影响可相比拟。 2 ，4 湍流大气中光波的传播理论 2 。4 。1 折射率结构常数和起伏谱 ( 1 ) 折射率结构常数 结构函数酌概念首先壶秘尔葵哥洛夫弓l 入，并用于描述气蒙参数的随机特性。折射 霉结构常数是大气光学中的一个重要的参数，它描述y 大气撬射率起伏豹强凄，可以蘑 它来表示湍流的强弱脚k2 2 1 。近二十年来，研究工作者对折射率结构常数的性质表现出 极大嚣兴趣，提出理论模型来研究其特性，并通过潮量一整气蒙参数或测量阗烁率，试 餮缨致地了解大气漶流的影噙。下蘑针对均键翻各趣羼性酌随枫介矮采讨论。 折射率结构常数的理论模型有许多种，迄今引用较多的是哈夫纳澍( h u f n a g e l ) 于 1 9 7 4 年提密的模型汝3 2 = 2 2 x l 酽3 ：o e 。+ 1 0 - 臻e 1 5 ( 2 - t 3 ) 袒郄夫酬( z y e f 导爨了不冀离度区域中2 酶表达式，塔塔尔焱基于? 0 年投也导遗了 种拼射率结构常数模型等等。鼹前还没有统一的关于湍流强弱的划分办法。d a v i s 啦吼潮 曾提出一种划分，折合刹e 2 的数值以供参考： 强湍流： 2 2 5 1 0 以3 中等清流：6 4 x 1 0 _ 7 q 2 2 。5 x l o - 站( 2 - 1 4 ) 弱湍流： e 2 6 4 x 1 0 - 在实际应用中，光波如果是在大气中同高度水平传输时，通常我们可以认为e 2 为 常数，以麓纯溺题弱讨论。 ( 2 撬射窭起伏谱 b o o k e r g o r d o n 激 大气激光通信系统信道的衰减研究 砒) 州) e x p h ) 1 5 ) 吮c 乞，i 专2 3 了i 了吃c ，黝p c 一以白c o s 口，吃2 s i i l 口d 甜彤奶 。2 一，6 ， 一( 啊2 ) ，3f ，11 怕7 一网i j 砒) = ( 均2 ) 唧) 讹) = 丽( n 1 2 ) 1 3e x p ( 一譬 ( 2 - 1 8 ) 1 6 第二蕈大气摊传獭嗣撩零| 藿豫 在这个区域中湍流的动能超过粘滞耗教能，因而湍溅本质上是各向同性的，其谱可 戮写熊： 番o ( k ) - - o 。0 3 3 c 。2 k 芗 ( 2 1 9 ) 式中惫= 芋，等露等t 耗散区( 潴祸尺度 潞流肉尺度) 在这个区域中耗散雏越过动麓，东( 奄) g 。 v o n - k a r m a n 谱 磊t 露，趣q 3 3 g 2 ( 嘉2 + 毒丁i 哪等) ( 2 诩) 式中，= 半，是= 竽，￥。娃一k a r m a n 折射率起伏谱是修改的晒l g 踞洲谱，使其在 毛上连续。 t a t a r s k i i 谱 小= 0 0 3 3 口凳等嘲( 一割( 2 - 2 1 ) 热= 警一芋。 a n d r e w s 的沂然h i 强谱 蛾( 露) 一o 0 3 3 ( 7 2忙飞( 专梦 拱 热铲粥毗，a ：= 0 2 5 4 , 镌= 等，如= 等。 2 。4 。2 隧枧余袋巾的m a x w e il 方程 1 ) 标量波动方程 霰设随机介矮麴介泡嚣数繇只是空闻的螽数，与时湖无关 鬈= ) = n 2 ( 刁 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) l ? 人气激光通信系统信道的褒羰磷究 随秽【介厥的m a x w e i l 万褪”“4 为 v ( ；= i c o p o h ( r )， v 野；) ：一泐氏( ) 签( ；) 2 2 4 式中鹃为真空中酌磁导率，岛为真空中豁介电常数，露。竺孥，岔筠真空中静光速， 嚣；) 翻嚣；) 分别为毫场和磁场的矢量挺度，n 荛髓枧介囊中的超谈薪掰率。 假定时阎关系为哪姒) ，将这甄个方程联立，可以褥剿 v v 嚣( ；) 一缈2 鹃鬈( ；) 露；) = o ( 2 2 5 ) 又有v v 蚕( ；) = 一v 2 嚣( ；) 每v v 霆( ；) 以及v - 鬈( ；雾# 强= 0 ，所黻我秘褥到 v 嘲饼妇( ；胭降刮裟g ( 2 - 2 6 ) 式孛，v 2 = 孑g q 2 + 万0 2 + 等，魏秀最小的湍流尺度国滚流的蠹足搜毛决定，宦远大于波长， 于是上式中麴第三项可戳忽酶，上式简讫成罄憝 v 2 e ( r ) + k 2 n 2 嚣力竺e ，( 2 - 2 7 ) 上式表达式为湍流大气中光传播的标量波动方程。 2 ) 抛物形方程 骰设光波沿z 轴传播，麓，表示接羧瑟上的横向距离，r 鬻? + 岁：) 羔，这样可辍把 土式方程写成v 2 嚣 ；，z ) + 2 n z e ( r ，z ) = o ，在沿z 轴传播的电磁波我们可以用下式来表 示 嚣 ，z ) 嚣p 融e k ： 一(2-28) 粒式代入波动方程中，禚蠲参湫沁) 卜害严+ 2 潦署严搿渺褥到 i 警+ 等+ 害+ 2 汝警榭( ，) u = 。 2 9 ) 虽有弼燃1 + a n ，z 2 ：1 + a n 2 + 2 a n 煳2 a n + l 。干暴 第二牵大气巍传输静蒸本莲论 v 1 2 u + 鸳+ 2 i k o u + 2 蠡2 2 k n u ： ( 2 3 0 ) 上式中v 土2 = 面0 2 嘉，因势秽是z 瀚缓变函数，它只在随概分质的尺度豹距离上才发 生变讫，困诧只要湍流尺度遴远大于波长，就有 矧 峰o u | ( 2 - 3 1 ) 从面可鼓褥封擞物线方程硝 腩掣帅( 如+ 2 k 。a n u ( 蠢z ) 攀。 沿3 2 ， 2 4 。3 广义惠更斯菲涅尔原理 j 湍流大气 。尹 ， 。tr0000 2 。3 9 00 v o 芦嚣f r 一- 2 一 轰瓣孚嚣臻牧手嚣 圈2 - 3 湍流大气中光波的传播承意图 在源平面上，任意一点坐标用( x ，y ) 来表示，记为；( x ，y ，0 ) ，r 为源平面上距中心的 横商距离r 2 = + 夕2 。接收平面上任意一点( f ，y ，z ) 横向距离用r 表示，且 ，= + 罗麓，源平瑟与接收乎瑟瑟躐离为芝，接收平瑟上的毫场裰据惠更斯一基尔霍夫原 理可以表示兔： u ( ；，z ) * 舻2 幻( ；，z ) 嘶o ) ( 2 - 3 3 ) 式中u ( 蠢o ) 为源平蘧上鲍电场，格林涵数g ( ；，| 岩) 为 g ( ；，；，z ) ；一z i 霈k ze x p l i k z + 堕2 z | ； 2 + 够；，；) 式中蠢刁代表球耍波在湍流大气中传播对酶醚祝复指数辐链，于是测照签熬隧数解褥 l 擎 大气激光通信系统信道的衰减研究 至i 适合于随机介质的广义惠更斯一菲涅尔原理捣3 3 钆3 5 3 u ( z ) = 一豪扩护2 力( 动) 唧附一；m 巧) ( 2 - 3 5 ) 广义费更斯一菲涅尔原理不仅适合于弱湍流，也适合于强湍流。 2 0 第三章无线大气激光通信系统 第三章无线大气激光通信系统 3 1 系统结构及原理 无线大气激光通信系统就是两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射 被调铡豹激光脉冲信号，接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。图3 一l 是通信系统示意图： 图 无线大激光通信系统示意图 无线大气激光通信系统的接瑟形式有堍缆接隧式和光纤接髓式。电缆接隧式的系统 将电信号巍接通过同轴电缆接入光端机，将此信号进行整形、放大后调制激光器。光纤 接溜式的系统将光纤传过来的光信号转换成电信号，然后和前西一样将电信号整形、放 大后调制激光器。我们以光纤接口式的逶信系统为例介绍其工作原理，光纤接口式系统 的系统框图如图3 2 所示。 群磁l | 删融i，l l l 嬲 l i 激光嚣组伴 i 信墨处理模块 i ： 毒 濑光驱动器蝴嘲 l i 毒 信号处理梗块激觉器组件 专i毒 光密转接器趟侔泵统 i i t + 。搴。 。 毒一一 光纤适配嚣，1 巴纤适配器 图3 - 2 光线大气激光通信系统框图。 从圈中可以看出，发射端将接收到的光纤光信号转变成电信号，接着对电信号进行 整形、放大处理，然后将该电信号作为调制信号对半导体激光器进行谖制，调制蘑的激 2 l 凡气激光通信系统价递的建减研究 光通过光学发射人线发剁到人7 t 中。接收端通过楼1 救光天线接收从发射端传送过来的咒 信号，通过兜l b 探测器将光竹号转换成电信q ，接着又对电信号进jr 整形放大处理， 然后义用该电信号调制半导体激光器将信号送八光纤中。其实整个系统完成的是传输信 息戟体的转，殳，我们小妨把它当成一种媒体转换器，和光纤收发器类似，只不过光纤收 发器是有线的光通信，而现在是无线的光通信。就竹个的激光姐信机而言，由于是双工 系统，所咀系统的每一端既包括了激光发射装霄卫有激咒接收装置。圉33 、图3 - 4 分 别足馓咒通信机的实例州与内部构造图： 图3 - 3 收发分离的通信机示意图 圈34 收发一体的通信机示意图 薅三章无线大气激光通僖系统 3 。2 系统关键部分介绍 3 2 1 激光器 激光器是光通信的关键部件，早鹈豹无线大气激光逶翁系统使用的是二氧纯碳激光 器、l 秘一n e 激光器、y a g 激光器、礁分子激光器，襁是这蝗激光器价格昂贵、体积盘大， 难以适应现在激烈、多变煞通信市场熬竞争。徨是随羞激光器技术麴进步，体积夺、成 本低、寿命长的半导体激光器被广泛使用。考虑到便于传输的需要，豳前无线大气激光 遴嵇常露黪激光波段愚8 3 0 8 6 0 n m 、9 8 0 一- - 1 0 6 0 n m 耨15 5 0 1 6 0 0 n m 渊。 3 ；2 2 调割器稠调制方式 调制就是把信号迭加到载波上。调制嚣是一静电光转换器，它使输波光粜憋某个参 数隧电信号的变纯，完成光韵谲制过程。调制方式有内调制霜外调制两种。把被信息僖 号调制了的电信号直接加到光源上，使光源发出隧电信号变化的光信号称为内调制。内 谲制一般爱于葫率较小鹣半骞体激巍器，这瓣方式不莰调制效率离嚣且系统麓单。把调 制元件( 光电晶体) 放到光源之外，使被信息信号调制了的电信号加到调制晶体上，当 毙束通过磊髂嚣，箕光寐孛鹣菜个参数隧邀信号变化两变钝，获丽成为载有铸患的巍信 号称为外调制。下面介缀杰、辨调制不同调制参量鹣不同调制形式。 蠢调制： ( 1 ) 脉冲调幅：使激光脉冲的幅度( 强弱) 按照信号的变化规律来改变。 脒冲调宽：使激光脓狰酶宽度隧信萼翳强弱交讫露变健，信号越强，赫肄鲶宽度 越犬。 ( 3 ) 脉冲谲频：激光脉冲随篱号麴强弱丽改变其疏密程度，信号越强，激光脉冲就越 密。这辩调整| 方式对于半导体激光器来说较易实现，通信质量较好，受于扰影赡小，接 收艨进彳亍解调瞧缀方镬，采嗣饕通的积分嗽路即可完成。外调制也琶摄振幄调制、频率 调制、脉码调制、偏振调制等，主要是电信号通过电光晶体对激光的参量进行调制，在 这不孬累述。 3 。2 。3 光接受系统 光接收是把从远窭传来魄愁被调制的光信号遴过光学接收透镜汇聚，滤波器滤波， 光窀探测嚣进行光电转换，对电信号进行整形放大妁过程。接收透镜采瘸搬剃路望远镜 大气激光通信系统信道的衰减研究 系统，对接收到的光进行汇聚。接收方式有直接检测接收和外差检测接收。直接检测接