藍(lán)綠激光下行通信大氣衰減信道特性研究*

田厚義 溫 東 付 貞 趙邵蕾

(海軍潛艇學(xué)院 青島 266071)

1 引言

藍(lán)綠激光作為未來重要的水下通信方式,依據(jù)其在水下傳播衰減小的特點(diǎn),可有效地解決當(dāng)前潛艇面臨的大深度、高速率、雙向隱蔽通信的問題,且藍(lán)綠激光對(duì)潛通信不受電磁以及核爆炸的影響,通信頻帶寬,數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng),可發(fā)送靜止圖像,波束寬度窄,方向性好,具有較強(qiáng)的抗干擾能力和抗截獲能力,可在天氣不正常、大暴雨、海水混濁等惡劣的條件下使用,是未來有極大潛力和應(yīng)用前景的對(duì)潛通信手段,也是目前來看可實(shí)現(xiàn)潛艇隱蔽、雙向、高速通信的有效手段。因此,對(duì)藍(lán)綠激光對(duì)潛通信進(jìn)行研究,具有十分重要的意義。

從目前掌握的資料看,藍(lán)綠激光對(duì)潛通信的信道特征,研究得較多,但具體到大氣衰減信道方面,研究的較少,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)藍(lán)綠激光下行通信大氣衰減信道進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)的分析,并給出了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型及仿真曲線,得出了大氣信道的特征。

2 大氣衰減信道分析及模型的建立

激光在大氣中的傳輸受氣候條件的影響很大,大氣衰減效應(yīng)是激光大氣傳輸所受到的主要影響之一,它將造成激光在傳輸主軸方向上的輻射強(qiáng)度受到很大影響,這主要是由于大氣的氣體分子和大氣氣溶膠粒子的“散射”、“吸收”作用造成的。

2.1 大氣透射率

假定在光傳輸?shù)穆窂缴?大氣是均勻的,則激光的傳播特性可用Bouguer-Lambert定律進(jìn)行描述,即:

式中,L為傳輸距離;I(λ,Z)和 I(λ,0)分別為波長(zhǎng)為 λ的激光束在L處的光強(qiáng)和初始光強(qiáng);τ(λ)即為波長(zhǎng)為λ的光的大氣透射率;σ(λ)是與波長(zhǎng)有關(guān)的衰減系數(shù),可由下式求得:

式中,u1為分子散射系數(shù);k1為分子吸收系數(shù);u2為氣溶膠散射系數(shù);k2為氣溶膠吸收系數(shù)。

2.2 大氣的吸收

大氣的吸收作用主要表現(xiàn)為分子線吸收作用,當(dāng)激光信號(hào)在低層大氣中傳播時(shí)尤為明顯,當(dāng)高度在20km以下時(shí),吸收作用可近似由洛侖茲線型給出:

當(dāng)高度在20km～60km時(shí),吸收作用可近似由伏格脫線型給出:

當(dāng)高度在60km以上時(shí),吸收作用可由多普勒展寬線型給出:

式中,M為分子質(zhì)量;v為激光的波數(shù);v0為激光譜線的中心波數(shù);S為譜線的積分強(qiáng)度;γL為洛侖茲線半寬度。

2.3 大氣分子的散射

大氣散射可分為瑞利散射和米氏散射,當(dāng)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于粒子尺寸時(shí),其體積散射表現(xiàn)為瑞利散射:

式中,n為粒子的折射率;λ為激光的波長(zhǎng);NS為粒子數(shù)密度。

3 模型仿真及分析

本文中用MAT LAB分別取高度h=30km和h=60km對(duì)模型進(jìn)行仿真,得到藍(lán)綠激光大氣衰減仿真結(jié)果如圖1～2所示。

從仿真結(jié)果看,藍(lán)綠激光在大氣衰減信道中傳播時(shí),其總的衰減不大,約在(0.9～1)db之間。在30km以上的高空,由于大氣十分稀薄,大氣的吸收、散射作用應(yīng)該十分不明顯,仿真的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn):在30km以上大氣的衰減幾乎為0。當(dāng)高度小于30km時(shí),由于大氣密度的增加,衰減會(huì)急劇減小,且越靠近海平面,衰減越嚴(yán)重。從仿真結(jié)果看,高度在10km以下時(shí),衰減尤為明顯,因此處是大氣層中的對(duì)流層,空氣較為稠密。在接近海平面時(shí),大氣衰減可達(dá)到0.9db以上。

4 結(jié)語

本文分析了大氣衰減信道中影響藍(lán)綠激光通信的三種因素,在分析的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析,仿真結(jié)果與實(shí)際情況較為相符。藍(lán)綠激光通信是一種非常有應(yīng)用前景的通信方式,其在大氣中的傳播還會(huì)受到大氣折射,大氣湍流等的影響,在后續(xù)的工作中將進(jìn)行研究。

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