激光大气信道

1、激光大气信道相关总结1、大气对信道传输的影响激光在大气中传输主要受到两个方面因素的影响：衰减效应、湍流效应。其中，衰减效应主要影响激光信号的功率，使到达接收端光信号的功率降低，作用方式包括：吸收、散射、折射、反射等。湍流效应主要由大气的不规则随机运动引起，影响光信号的质量，对光信号的相位、强度分布以及光斑的位置等都有较大影响，主要表现形式包括：光束漂移、扩展、闪烁以及到达角起伏等。1.1衰减效应对激光通信的影响衰减效应主要由大气分子、气溶胶以及空气中的微小颗粒物产生，包括吸收、散射、反射、折射的等，是大气的固有属性，可采取相应的措施进行有效的规避或补偿。(1)吸收作用机理：激光穿过大气时，大气

2、中的分子在光波电场的作用下被极化，并以入射光的频率做受迫振动，使部分辐射的光能转换成气体分子的内能，消耗了光波的能量，形成吸收效应。(经相关研究表明，气溶胶粒子由于直径较大，对光的吸收作用不明显)作用特点：使激光功率衰减，但不改变光束的质量。决定因素：分子对光波能量的吸收由分子结构、浓度和吸收光频率所决定，不同的气体分子对不同频率的光吸收的能力不同，具有一定选择性。衰减规律：P%x=P(入0)exp?-k入xx-传输距离；大气窗口：大气对某些波段光波的吸收较弱，透过率较高，称这些透过率较高的波段为大气窗口。由于大气是不同分子的复杂混合体，且气体分子的浓度还随着海拔的变化而变化，并考虑散射等因素

3、影响，通过统计分析，地球大气的透过率如下：60402()D0.V41.13L3S1,902.7436.015.0|()800.72图1-1不同波长激光在大气信道中传输的透过率（2）大气散射散射是光在传播过程中遇到微小粒子，使其传播方向发生改变的现象，是电磁波在大气微粒作用下的衍射效应造成（只有当微粒的直径小于或相当于辐射波长时才会发生明显的作用）。其结果会使光在原传播方向上的能量减小，影响光斑形状和光强分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。大气散射的效果主要表现为两个方面：减小在传播方向上的光能量、改变光斑内的强度分布，使光斑内部有明暗之分。瑞利散射：产生条件：散射微粒直径远

4、小于波长时产生，也称作气体分子散射（10-8cm量级）。对波长小于40nm的光波作用明显作用比较明显。（大气分子（0.1nm）；可见光（400760nm；近红外短波（7801100nm；近红外长波（11002526nm）主要作用粒子：大气分子。特点：散射粒子较小，散射光分布较均匀，对波长小于40nm的光波才作用明显比较明显。随着散射分子半径增大，散射增强；随着波长的增大，散射减弱。由此可以推论，可见光比红外光散射强烈，蓝光比红外光散射强烈（形成蓝色天空）。经验公式：?=0.827X?X?3/?A-散射元横截面积（？?？N单位体积内分子数（？?）入一一光波波长（叩）T一一表示热力学温度图1-2散

5、射强度与波长的关系米氏散射：产生条件：当空气中粒子的直径大于入射光的波长或者和光的波长可以比拟的时产生，粒子对入射光散射后的散射光分布比较复杂且不对称，瑞利散射不再适用作用粒子：云、雾、雨、雪等气溶胶粒子以及雾霾等微小粒子。特点：散射光角度分布较为复杂，并且随着粒子直径的增加，散射光集中的角度也越来越窄。（对光信号的影响也相对更大）散射系数经验公式:?=?7?为设？?？?)r粒子半径?单位体积内的粒子数?-散射效率(粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比)无选择性散射：产生条件：当大气中粒子的直径远大于波长时发生的散射。作用粒子：尺寸较大的气溶胶粒子、微粒、尘埃。作用特点：散射强度与波

6、长无关，不具有波长选择性，使原传播方向上的光信号能量严重衰减。(3)大气折射产生原因：由于大气的不均匀特性，导致空气折射率随空间发生变化，使激光传输路径发生偏折的现象。影响因素：大气温度、压强折射率公式：n=1+77.6(1+7,52X10-3?2)(p/T)X10-6p大气压强(mbar)；T温度；k-一入射光波长；(p和T是随高度变化的物理量)(4)反射主要发生在云层顶部，取决于云量，而且各波段均受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的强度。(5)大气窗口通过以上分析可知，就辐射光强度而言，过不考虑激光本身的发散，光经过大气传输过程中，影响激光强度的因素主要包括：吸收、散射、反射，其中吸

7、收和散射与信号光长具有非常密切的联系，在实际中常用大气透过率来直观描述激光穿过大气的能力，反应出光强受大气的影响程度。其中，透过率较高的波段被称作大气窗口(图1-1)。大气透过率计算(朗伯(BougherLaw)定律)：均匀条件下：假设传输路径上的大气是介质均匀或分层均匀时，大气透过率可表示为：?T入L=±=?-?(?非均匀条件下：若假设大气为非均匀介质，其透过率可表示为：?TA,L=exp?-?0L为传输距离；?PI分别为原始光强和通过距离L后的光强；？?劝大气衰减系数，与波长相关；T为传输L距离后的大气透过率（）;大气衰减系数决定于粒子对光波的吸收和散射，具体关系如下：?=?+?

8、+?%?+?%?,*,!I,*,?一分子吸收系数?分子散射系数?气溶胶吸收系数?气溶胶散射系数1.2湍流对激光通信的影响湍流指的是大气的随机不规则运动，由于地面的复杂性和太阳辐射的不均匀性，导致大气的温度、湿度、压力、折射率等性质的随机变化，从而引起大气折射率的随机改变，称其为湍流效应。有机湍流运动导致大气折射率的随机改变，严重影响光波信号的质量，湍流效应对激光信号的影响主要表现为：光斑漂移与扩展、光强闪烁以及到达角起伏等几个方面，严重限制了空间激光通信的效能。湍流可以看作是空气中大小不一的“涡流”，常发生在运动气流之间的交界处，是一个不断变化的过程。湍流气团在运动的过程中，能量也在不断流动，

9、直径较大湍流受惯性力起伏影响，形态往往不稳定，在运动的过程中由于惯性作用不断分裂成直径较小的湍流，将尺寸最大的湍流直径称作湍流的外径？?（相当于气流离地面的高度，通常在几十到几百米的量级）。当湍流尺寸减小的到一定值时，气体粘性耗散起到主要作用，抑制了湍流的继续分裂，此时尺寸最小的湍流直径称作湍流的内径?：（一般为毫米量级）。由于湍流的复杂性和随机性，为了对其进行有效的定量描述，国内外都进行了较为深入的研究，较著名的著作为Tatarskii的两部著作：12。常用的湍流模型为Kolmogorov（尔莫哥洛夫）模型，Kolmogorov湍流模型的建立基于三个前提假设：a.气流在微小的区域可以看作是各

10、向同性的；b.在各向同性的局部区域内，流体仅仅受摩擦力和惯性的作用；c.尺度区间（？?）被称为惯性范围；在该范围之内，内摩擦力的影响可以忽略，流体运动由惯性力决定，并且大气的统计特征服从“2/3次方定律”。止匕外，经进一步的研究表明，在对流层顶部与平流层的交界区域，Kolmogorov模型并不完全适用，于是延伸出了non-Kolmogorov模型。1.2.1湍流的描述：（1）折射率湍流模型：由于湍流的作用，大气折射率往往是时间和空间的函数，由于湍流运动的随机特性，可用统计的方式对介质的特性进行描述，可以表现为：nr,t,入=?+?其中：？的确定部分，对大气湍流而言？=1,?表示折射率的随机变化

11、部分。在Kolmogorov模型假设下，定义？的结构函数为：?=?|?1?-?（初2其中？I?2凌示湍流中两点之间的距离。根据Kolmogorov理论，？?的结构函数可以表述为（2/3定律）：2?=?粉?;？?r表示两观测点的距离；？?是与湍流有关的折射率结构常数。(2)湍流强度的描述?为折射率结构常数，是大气光学的基本参数之一，可用于表征湍流的强度，其值越小，代表湍流越弱。？?随着地理位置、温度、高度、气象条件、太阳光照等都密切联系，一般而言，其随着海拔高度的增加而减小，随着太阳光照强度的增加而迅速增大。其典型值为10-1710-12?3,其中大于10-12的湍流被称作强湍流，10-12至M

12、0-16范围的湍流被称作中湍流，小于10-16的湍流被称作弱湍流。图1-3折射率结构常数随海拔高度的变化o26810!21416It2224町耀/h图1-4折射率结构常数随时间的变化关系(3)折射率结构常数计算很明显，？?与大气的温度、压强、空气流动速度等都有密切的关系，是一个非常复杂的系统，一般认为其计算公式可表述如下：P为压强，T为温度，？?乃温度结构化常数：华=打立)尸根据实际场景的差异，为了方便的计算出常数的值，衍生出了许多经验模型：如在垂直方向上的Hufnagel-Valley边界模型(Hufnagel-ValleyBoundary(HVB)model):。扪=000594(1。一。

13、V01如+27xl0'|6c?ip+Aexp1500小一式中V表小风速的RMSS,表小离地面的垂直图度。一工2x10一却胪应用于海平面大气中的哈夫那格尔(Hufngel)经验模型:exp(-A000)+10,xexp-h/1500)g(h.t)一表示风速的矫正系数；v(h)高度为h处的风速,是均值为0,具有高斯分布的随机变量：<烈方+“，f+r),g(")xAItooJcxpQ-rJ80)中l-AMOOIQOj0g<100)(其它)?VKm图1-4?彳频高度变化的曲线1.2.2 湍流介质中光波的传播模型为了有效描述光波在湍流介质中的传播规律，常用的描述方法包括：R

14、ytov方法3、马尔可夫近似方法4(此部分涉及到光的波动知识，看不明白，我认为后期如果需要做有关相位补偿方面的工作，该部分比较有用)o另外，关于大气湍流功率谱的主要物理意义不是特别清楚(应该与流体力学有关)，其主要的计算模型包括：Tatarskii湍流理论模型、Tatarskii湍流理论模型、Tatarskii功率谱、von-karman功率谱、Hill数值模型、Andrews湍流理论模，并有其计算功率谱的数学模型。1.2.3 大气湍流对激光传输的影响该部分内容由于涉及到光波动和流体力学的知识较多，并且多看的论文中对该部分缺乏系统的推导和论述，逻辑混乱，所以暂时没有深入的学习了解。(1)光斑漂

15、移和光束扩展当光束直径相对于湍流尺寸较小时，湍流会导致光束作为一个整体而随机偏折，使处于远处接收端的光斑中心位置围绕某一特定位置随机跳动，这种现象称作光斑漂移。(当湍流较强时，可能导致漂移范围查过接收范围，使通信中断)。另一方面，当光束直径相对于湍流直径较大时，将会造成同一束激光中的不同部分的折射率不同，造成接收端的光斑直径更大，研究表明，一般情况下湍流造成的光束扩展要比衍射造成的扩展大2到3个数量级，严重影响激光通信的质量。通常扩展和漂移可以进综合考虑，当观察时间较短时，扩展和漂移可以视作两个相互独立的过程，而当观察时间较长时，扩展实际包含了漂移的影响，其数学模型可表示为：其中？%弑表短期扩

16、展光束宽，主要由于光的衍射和小湍流造成的光束扩展，吟代表了光束重心位移，其进一步表述如下：=0.54(一幻2小(急兴等/J其中昧示激光传输的顶角，区示工作波长，？?表示光束直径，(H-h)表示发射端和接收端的垂直高度差，k=2/芯示波数，？?表述大气相干长度：丁一,ro=0422sec(fl)C-(h)dh.具体与所采用的模型有关。(未开展深入学习)(2)光强闪烁在多数条件下，特别是在星地下行链路中，由于激光存在一定的发散角，到达近第大气的光束直径往往比湍流直径大得多，此时，光束截面上可能同时包含许多个独立的湍流旋涡，导致在光束内不同部位产生不同的扰动，光斑不同部位的光强度存在起伏，此即为光强

17、闪烁。光强闪烁通常由闪烁指数来表征，指数的计算与所采用的湍流模型以及光束的形状具有较为密切的联系，最常用的闪烁模型为：C?Q?二1?其中I表示接收到的光强度。(具体未展开深入学习)(3)到达角起伏由于大气的不均匀特点，导致接收端个点上的相位产生起伏，激光在传输路径上相距r的两点的平行光路间的相位起伏？?。（具体未深入研究）2、大气激光通信信道调研由于激光在大气中传播的过程中面临严重的衰减，所以建立适合的信道模型也成为了激光大气通信的研究重点。到目前为止，提出了丰富的统计信道模型，主要概括如下。（该部分信道为统计模型，适用于强度调制中）理论基础模型名称备注基于若雷夫近似法的对数止态模型系列（通常

18、只适用于特定的环境中，缺乏通用性能）对数止态模模型（lognormalmodel）对数正态模型于1960年左右提出，是最早被广泛接受的模型，只适用于弱湍流条件下的市区短距离通信。在长距离实验中数据偏离较为严重。负指数分布模型(negativeexponentialdistributionmodal)2014:110适用于强湍流信道环境，主要为后期为了解决对数正态模型无法应用于强湍流环境的不足而提出。1莱斯分布模型(Rayleighdistribution)2014:115K分布模型Kdistributionmodal2014:116L;>(2)=(n/>0,n1基于双随机闪烁的模型

19、（doublystochastictheoryofscintillation）（适用于各种湍流强度的环境）双随机闪烁I-K分布模型doubly-stochasticI-Kdistributionmodal2014:117、118K分布模型在弱湍流环境中的推广，但与实际数据偏离较大，契廿度较差。对数正态-莱斯模型(log-normalRicemodal)对数正态调制指数模型(log-normally-modulatedexponential)可以看作对数正态-莱斯模型的特殊情况。威布小指数分布模型(exponentiatedWeibull)2014:109、110、119、120Gamma-Ga

20、mn®型2014:122»种被广泛认可的通用模型双威布尔模型(DoubleWeibulldistribution)被认为是比Gamma-GammO更加准确的模型，特别是在中湍流条件下，与实际数据契合度更Wj0M分布模型M-distribution近年来被提出的一种一般性模型，可以涵盖K和Gamma-Gamn#大多数已知模型，具有较强的通用性。DoubleGG模型DoubleGeneralizedGammamodel最新被提出的模型2014:125，性能优于DoubleWeibull模型，也是目前性能最优的模型，特别是在强湍流和中湍流环塘下，其准确性更加明显。3、其他调研结果

21、3.1低轨激光同通信系统的组成(1)低轨激光通信系统的组成通信编码单元信接口单元通信接收单元通信发射单元;紧密机械基台单元光路中继单元I，光学望远镜单元2-1空间激光通信系统的基本组成光学分系统：(1)光学望远镜单元(决定了接收单元的灵敏度和发射单元的衍射极限发散角大小)指标：望远镜收发形式、望远镜倍数、口径(口径过大会导致激光通信设备体积和重量增加)功能：完成激光信号的高质量发射与接收；与中继组件、发射子系统、接收子系统等相互衔接。(2)光学中继单元：连接光学望远镜和系统中间组件的单元（3）紧密机械基台单元通信系统的机械本体，便于各组件的精细调校，保持系统的物理稳定性。通信分系统：（1）通信

22、发射单元组成：激光器（波长）、调制器、放大器以及驱动源（发射功率）。（2）通信接收单元组成：光探测器（探测器灵敏度）、信号处理电路图2-2GOLD系统结构图（粗线条代表光信号，细线条代表电信号）GOL陈统基本参数：轨道高度：未知重量：22.4kg最大功耗：94w望远镜口径：7.5cm（收发共用；收发共用除可以使终端设计更加紧凑外，还能保证收发光路的同轴度好）放大倍数：15倍发射子系统波长：830nm束散角：信号光30、信标光604ad平均输出功率:13.8mw传输数据率：1.024Mbit/s；（上行和下行）调制方式：强度调制/曼彻斯特码3.2激光在大气中的衰减情况调研激光通过大气层时，由于大

23、气吸收和湍流作用，会造成信号功率的严重削减，而该部分衰减往往是不可避免的，所以详细掌握激光在大气中传输的衰减水平对链路设计具有非常重要的意义。通过查阅资料，参考过外相关星地通信实验，初步得到激光在大气中的衰减关系，再结合大气透过率的关系，可以初步估算出其他波长的激光在大气中的衰减水平0表2E1SVIGOLU)链路余计算SITable2LinkbudgetanalysisfnrFTS-VI(GOLD)n项目上行下行跟踪通信跟踪通信发射功率"Bm37.037.01L411.4发射透过率'dB-5.2-5.2f3-5.31发射天线增益/dB109.0109.0104.6104.6瞄

24、准损耗2.0-之1_0.5一。,5空间传输损耗/dB-299.3-299.3一2皈229工2大气损耗及大气闪'烁损失一3.QT.02.0一2.0接收天线增益/dB113.2113,2117.5)35.0接收透过率8.2-10416.04.4接收灵敏度/dBm-62.0-62*0-80.058.0链路余量15164.51.6卫星轨道：实际轨道信息不详星地链路距离：37400km表3OICEI5链路余计算【田Table3iJnkbudgetanalysisforOICETS项目上行|F行|跟踪通信跟踪逋信发射功率4Em24.224.226。20,0发射透过率/dB-16.076.0T.7-

25、2.7发射天线增益85,8眼*116.0116.0雎措损耗，dR62一。.2一2-3一2.3空间传输损耗MB-2弭2一2612262«9-262.9大气损耗及大气闪爆损失3.23.2一123.2接收天然增益A1B120.0120.012L412L4接收透过率，dB-267,9-15-4-54接收灵敏度/dBm-70.045.9链路余量/dB9.516.8卫星轨道高度：610km星地链路距离：6001500km链路有效时间：310minTiiibJk12.LinkUidlgrlAnalysisforOpdcBJLibs.kABeLwBEnGrYmndlSbitlnfiuid011clK

26、T*ISeptember19IMllp&nkDnwnlink.BmcohTrackirkfCnmiB.TrackingComsLTXwdBm35J.上614Jm0.192t.VKvamDitnietcrcmL7711711124IUDFilnllngJhter|jndrnu12112112J.I«.J20.12TXHewmIMvorEwiLf1rlradWOO2（MN2042OTiOpticsLmhdH-OS一ISJO3731Watltngthm豆崎E7MJ5EM7IL15K-07B.47L47BJ7K-O7AveragePoLnlirkLowdHdjO"-4J-0J-2J-2JT玉GMndR51。B5J11AJ）Dislancrm.IuWE-fM93flF+Q59JSE+059J（IF+05JSE+4J551MMtiR-M73-16X2-26X2-2A2.9AlmtnpberitTraimglandH-12a423»2RXAuleiuuiDUmelcrcmZO2&U2ft.ll31.8