第9章近地激光通信(30-39)

1、总体对数振幅变化 束腰角度W0（m）图9.14 在夜间湍流纵向模型环境下人造卫星的对数振幅欺负总体变化图。图中连续曲线：上行线路起伏情况简易模型。图中点：通过独立相位屏光束传播法得到的仿真图。实际上，光束偏离影响十分严重，卫星会接收一束强度波动的随机光信号。采用数字仿真的方法，根据光束在中等强度的湍流中传输的理论结果可以得出光强闪烁引起的光束离轴率增大。该饱和效应对于光束束腰角较大的情况也适用。符号V表示传输路径中横向风速，泰勒假设允许从空间相关函数来计算时间相关函数，通过在式中用做替换进行计算，dz表示z方向从发射端到相距L的卫星端，得到球面波对数振幅起伏的空间协方差函数，替代值为。所计算的

2、对数振幅起伏时间协方差函数决定于波前强度起伏，而对数振幅起伏决定于光束偏离，总体对数振幅起伏的时间协方差函数可以得到如下： （9.10）从上述等式可以得出，与时间相关的对数振幅起伏谱可以计算为： （9.11）大气对传播光束的影响仅考虑光束偏离效应。然而，在正常的OGS（光导引系统）操作模式下，他的PAT系统对湍流效应引起的到达角起伏进行实时补偿。引起起伏（强湍流涡旋）的原因是产生光束偏离效应和部分光束偏离希望获得补偿效应一致。这必将出现使开环值的有效值减小，其中开环值可以通过9.3式将，且用D取代 ，通过光束偏离时间谱修正减小对数振幅起伏： （9.12）有助于得到总体对数振幅起伏。详细信息可以

3、参考参考文献18。9.4.1.2 多光束上行链路模型多光束（M-beam）上行链路模型的概念是将多光束考虑为由多个点光源形成的扩展光源20。在单光束模型中，每束光束和可以考虑为统计概率是独立的。假设所有光束是完全相同的，则轴上总体对数振幅起伏函数的空间协方差函数表达式可以给出： （9.13）式中：表示一球面波从地面到卫星间传输的对数振幅起伏的空间协方差函数；表示以平面波从卫星到地面传输的对数振幅起伏的空间协方差函数；表示第k个光源的位置矢量；对于光束偏离，假设对于所有i光束的高斯随机变量的两正交分量（）指向随机（下行链路到达角加倍）。 可推出强度表达式公式： （9.14）这里C是波动角的协方差

4、矩阵。总体衰减率决定于轴上光束闪烁和光束离轴产生的衰减率，即，概率分布函数表示为：（9.15）图9.15 横坐标表示40mm束腰直径在夜间大气湍流模型条件下过量损耗概率在图9.15中在束腰孔径为40mm情况下对1,2,3,4光束的衰减率进行了预测估计。光束在OGS（各光束间距1m直角分布）系统中光束间的距离，可以发现轴上平均光强闪烁效应基本可以忽略。然而，还存在与光束飘移有关的平均闪烁，导致当光束数量增加时过量损耗概率减低。该效应对强衰减十分显著。该方法适用于弱/中等强度折射湍流中。9.5 实验方法为可从光通信实验中获得参数信息，需要建立整体测试流程，要有严格的实验方法作为理论模型的反馈信息。

5、光通信终端需达到高速率测量和记录数据的要求，接收功率起伏（闪烁）和图像运动（到达角起伏，仅存在于下行链路）。测试数据获得光谱和统计分析给出了所需的时间谱和衰减概率以及持续时间。然而，我们不能只注意模型的输出端，还要注意模型的输入端、实验条件，这是理论的有效性程度和实验结果对比的关键因素。确定通信链路理论模型，需要三种类型的输入信息：1. 终端特性：总传输功率（PT），传输波长（），传输偏振态，传输扩散（或光束直径W0），传输终端接收孔径（或光学衰减）；2. 链路特性：下行链路/上行链路，链路距离（z），海拔（对于大气环节），自由空间损耗（衍射）；3. 大气条件：系数，消光，风速。图9.16 泰

6、德山气象观测站协调激光通信实验和大气效应评估为便于实施实验，限定和建立了终端特性和链路特性。主要的不确定性能够在大气条件对实验结果和模型输出进行比较。参考上一节中的模型描述，模型有两个大气湍流参数的输入信息，Cn2（z），应用泰勒理论，->vt，用来确定空间对数振幅起伏协方差函数和风速（沿湍流路径的横向风速的均值），以获得收集功率的时间协方差函数和收集功率对数振幅起伏。在OGS系统中，进行设备间协调可以重新获得光通信实验系统中必要的大气参数信息。泰德山气象观测站采用三个望远镜协作来建立光通信链路，同时测量湍流条件。设备如图9.16所示。9.5.1湍流参数测量对所提供的参数Cn2（z）进行

7、选择：1. 观测站将第二个望远镜（该OGS中1.5mTCS）应用于光通信试验中，采用一般闪烁测量和测距（SCIDAR）工具对湍流参数进行测量。测量参数可直接输入到理论模型中，为客户提供平价预测模型性能的最优方法。2. 在实验条件为白天时（SCIDAR不可用），必须使用Cn2参数理论模型，用于观测站进行参数校正。观测站调整Cn2理论模型将有比较好的效果。从激光链路测量进行重要参数计算，其余（更稳定的）参数根据系统平均值而建立起来。图9.17 光通信实验中Cn2（h）参数测量平均值图9.17所示为Cn2（h）参数的基本模型，根据OGS站情况得到。地面层的峰值很明显（观测站的高度为2400m）。Cn

8、2参数的平均值表示为实现和虚线标准偏差的平均值。图像质量基本参数，如等晕角度等均可由Cn2（h）计算得到。9.5.2 风速测量1. 风速参数可以通过一般SCIDAR仪器测量。对模型很重要的平均横向风速可以通过互相关的瞳孔闪烁体的分布的SCIDAR数据衰减计算得到。2. 取代白天实验，靠近站点的气象机构的数据都可以使用，特别是气球风参数的测量。气象机构发起的测试气球可以为评价链路性能提供重要信息。通常气球从海平面到约30公里的高度，跨越了整个大气湍流层。在其他气象参数中，风速和方向可以根据气球的位置信息计算出。由于大气湍流效应中的风引起光波强度和时间频率的波前的波动。从理论模型的观点来看，所需的

9、参数是泰勒的假说中的风速, 时间相干性的大气湍流的紊乱或大气湍流的时间变化特征。从垂直风剖面,V0可以直接被确定。气象研究院所发射的气球的时间需要考虑，不同时间的气球数据，就像一些假设下的从稳定时间有风在待链路性能的评价，随着对风的时间能力的假设，不得不对不同的气球的数据的数据链路行能进行分析。在有效性的数据中，地面接收站之间的距离站点和气球发射的地方也扮演了一个重要角色，对高层的影响也可以假定他们和地面一样不受影响。边界层的风并不是强烈的依赖与表面，通常，高层的贡献就是激光在风中的速度V0.9.5.3 消弧衰减和传输系数必须为所有已完成的在同一地点同时从实验测量的数据决定。另外，在OGS的例

10、子中，第三望远镜（即80厘米IAC80）已用于在夜间实验分析的OGS通过湍流大气传出光束（上行），验证静态链接传播模型。这种望远镜也可用于测量运动消弧。9.6实验结果 试验的计划和步骤必须制定出来。以便从飞机上的终端设备与地面站之间的光通信测试中取得最大的回报。同时必须制定具有运算和仪器特定参数的大气湍流的测试。本部分的试验的结果与OGS和ARTEMIS的试验相符。 9.6.1 下行统计结果下行分析的整体结果：大部分试验的强度分布符合正太分布，残差整体上符合正太分布。取得的不同的试验结果（主要的闪烁参数，褪色和喘振的可能性和平均的持续时间，对数振幅 功率谱密度【PSD】，概率密度函数）用于比较

11、分析，以找到不同参数和湍流测量结果间的关系。在图9.18中，是闪烁参数与褪色的可能性进行比较。图9.19，是比较闪烁与喘振，进行了相同的比较。图片中包括了对数正太分布（实线表示）。用作参照的褪色与喘振的水平在本分析中是0.5dB。图9.18 下行链路闪烁指数对应0.5dB衰减率图9.19 下行链路闪烁指数对应0.5dB震荡率至于衰减率，所得结果为预期的对数正态分布，可总结为对数正态分布。至于震荡参数，在高闪烁指数情况下可得到较小的偏差。在图9.20给出衰减率与震荡率的对应图。根据计算所得的服从对数正态分布的数据，可得到线性关系，很容易得出对数振幅服从正态分布于。图9.20 0.5dB的衰减率对

12、应0.5dB的震荡率虽然已经得出光束闪烁和衰减率和震荡率的关系，但此关系不能推倒出衰减和震荡的平均持续时间。在上行链路中同样可以得到类似的结论。同时，通过IACSCIDAR对链路通信结果与大气湍流测试进行了对比分析。主要的湍流参数已经通过Cn2模型测试计算得到：等平面角，此外，西班牙国家气象学院测得的气象数据提供了风速，整合了剩余的气象学参数得到风向模型。和横向平均风速（m/s）用于泰勒假设，进行相应的分析。最近得到的轨迹残余误差（载波跟踪回路之后的剩余图像运动）如图9.21所示（仅一个实验，图中显示，偏离本轨迹）。风速与平均强度和残余误差显示在X和Y轴，进行误差分析，具有重大意义。通过对理论

13、模型的假设和实验结果的对比分析，得到合理近似的夜间环境下下行链路的测量误差。根据衰减率得出的衰减深度较小，在两种情况下观察得到衰减的平均持续时间的近似趋势。得到四个小比例图标。图9.21 X和Y坐标轴内V0的相对残余跟踪误差测量结果 根据测量Cn2估算结果 根据夜间Cn2模型估算结果 根据测量方差估算结果图9.22 衰减率对比。（a）图为实验测量结果。（b）图为利用实测的Cn2数据模型进行推导估算。（c）图为利用IAC天文台的夜间Cn2模型估算结果。（d）图为根据所测量对数振幅方差估算结果。9.6.2 下行通信实验结果在所有成功建立的双向通信链路实验中，在任何条件下下行链路可以实现BER测量技

14、术（之前的实验失败，已经得到了技术解决）。ARTEMIS CS是对伪随机序列传输进行配置，以2PPM格式进行发射，传输速率为2.048Mbps。BER和BEC（位错误数）会在OGS过程中以1.8s时间为间隔的20s门限时间内进行记录。表9.7总结了通过OGS子系统（CSS）记录的所有成功通信条件下的BER测量结果。通过上行链路通信实验，得到的演示结果很简化， 根本原因主要是由于OGS系统较差的调制质量即传输信号质量差（表格9.7）。不得不指出在有些实验中，存在通信链路质量很好时期，在通信过程中不存在数据错位的现象。此时BER<1.000e-8，这是理论ARTEMIS子链路质量限制。图9.

15、23和图9.24给出了两种链路通信过程中的BER时间的典型推导相关情况。图9.23是一种稳定的状态；图9.24是一种链路通信过程的振动状态，误差从优质链路通信（<1.000e-8）变为3.000e-5.9.6.3 上行链路通信统计结果开始进行SILEX项目之前，已得到地空激光通信限制性结果。项目中上行链路通信实验首次为该领域提供出可参考的统计数据。如前所述，在建立束腰效应的理论模型和进行多束性能预测方面付出了很大的努力。作为OGS设计系统的一部分，输出系统最多用到四组不相干的光束（见前一节），以达到减小照度起伏，从而减小ARTEMIS接收器的闪烁效应、衰减率、震荡率。所得结果表明，发射孔径直径（束散宽度）大小与使用多发射孔径对闪烁，衰减率和震荡率和震荡率平均持续时间的效果