基于非視線紅外激光大氣散射通信技術(shù)研究

劉 兵，王巨勝，楊澤后，李曉鋒，樊 冬，任 鵬，李 斌，羅 雄，馮力天

（1.中國(guó)人民解放軍駐第二○九所軍事代表室，成都610041；2.博彥科技（上海）有限公司，上海201204；3.西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

基于非視線紅外激光大氣散射通信技術(shù)研究

劉 兵1，王巨勝2，楊澤后3，李曉鋒3，樊 冬3，任 鵬3，李 斌3，羅 雄3，馮力天3

（1.中國(guó)人民解放軍駐第二○九所軍事代表室，成都610041；2.博彥科技（上海）有限公司，上海201204；3.西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

為了實(shí)現(xiàn)非視線激光大氣散射通信，根據(jù)米氏散射理論，建立了非視線通信鏈路模型，研究了1.06μm激光的大氣散射通信技術(shù)，分析了激光接收功率、激光發(fā)射功率、激光發(fā)散角、接收視場(chǎng)、探測(cè)器靈敏度、發(fā)射機(jī)傾角、接收機(jī)傾角、大氣衰減和通信距離的關(guān)系，并搭建了試驗(yàn)原理系統(tǒng)，進(jìn)行了1km距離的散射通信試驗(yàn)，獲得了激光散射信號(hào)。結(jié)果表明，在一定的天氣條件下，采用波長(zhǎng)為1.06μm的紅外激光進(jìn)行信號(hào)傳輸，有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的大氣散射通信。

大氣光學(xué)；非視線；大氣散射通信；米氏散射；紅外激光

引 言

目前通信方式主要有無(wú)線電通信、光纖通信及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視線激光通信等方式。傳統(tǒng)的無(wú)線電通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，且種類繁多、技術(shù)完備，但這種通信方式容易受到干擾、隱蔽性差，在復(fù)雜電磁環(huán)境下使用會(huì)受到很大的限制；光纖通信抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、保密性好，但需要預(yù)先鋪設(shè)好光纜通信線路，這使其在海上通信、野外應(yīng)急通信等不能快速鋪設(shè)光纜或者根本無(wú)法鋪設(shè)光纜的特殊情況下的應(yīng)用受到很大限制；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視線激光大氣通信相對(duì)靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、傳輸速率很高，保密性也好，但對(duì)精確對(duì)準(zhǔn)的要求極高，且只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信，若通信節(jié)點(diǎn)間傳輸路徑被阻擋，接收方將接收不到信號(hào)。因此，上述幾種通信方式在一些緊急特殊情況下的應(yīng)用受到一定的限制。非視線（non-line-of-sight，NLOS）激光大氣散射通信是利用大氣中氣溶膠粒子對(duì)光的散射作用實(shí)現(xiàn)光信號(hào)異地傳輸。通信途徑是在發(fā)射端將待傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行編碼，再將其加載調(diào)制到待發(fā)射的激光脈沖序列中，然后利用大氣低層氣溶膠粒子對(duì)激光的前向散射來(lái)建立信息傳輸鏈路，在接收端進(jìn)行信號(hào)的解調(diào)、解碼，恢復(fù)出發(fā)送的信息。由于大氣粒子對(duì)激光的散射具有一定的方向性，因此，將信息加載到激光脈沖串中并向目標(biāo)區(qū)域上空進(jìn)行大致的定向發(fā)射，相對(duì)于無(wú)線電的廣域發(fā)射，具有一定的定向保密優(yōu)點(diǎn)。這種非視線激光散射通信既具備了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、布置靈活的特點(diǎn)，又具有不需要精確對(duì)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，甚至可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)甚至多點(diǎn)-多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)式通信，故該通信方式收到了越來(lái)越多的關(guān)注［1-13］。因此，在災(zāi)難搶險(xiǎn)應(yīng)急通信、海面軍艦通信、直升機(jī)編隊(duì)協(xié)作通信，在山區(qū)、沙漠、草原、沼澤等地區(qū)的緊急通信等場(chǎng)合，非視線激光大氣散射通信都可以發(fā)揮特殊作用，實(shí)現(xiàn)緊急情況下的“最低通信保障”功能。

1 基本原理

非視線激光大氣散射通信系統(tǒng)屬于雙工通信，通信雙方可同時(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)射激光信號(hào)并接收對(duì)方的信息。其工作原理是利用氣溶膠粒子對(duì)激光的前向米氏散射效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)激光信息傳輸通信。如圖1所示，將待發(fā)射的信息加載到激光脈沖串中進(jìn)行信號(hào)編碼調(diào)制，該激光脈沖信號(hào)經(jīng)氣溶膠粒子的前向散射后而被接收機(jī)接收，接收機(jī)根據(jù)約定的編碼協(xié)議進(jìn)行快速信息解碼，還原出有用信息，實(shí)現(xiàn)非視線激光通信。

Fig.1 Schematic diagram of NLOS laser scattering communication

通信時(shí)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)朝向一定的空域進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收，該通信方式不需要精確對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最低的應(yīng)急通信保障目標(biāo)。使用時(shí)，可以調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)激光發(fā)射／接收方向，利用地物目標(biāo)、云團(tuán)、人工散射體等物體實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的散射通信。

2 理論計(jì)算

非視線激光大氣散射通信系統(tǒng)的幾何鏈路示意圖如圖2所示［14-15］。定義發(fā)射機(jī)（Tx）和接收機(jī)（Rx）的仰角分別為βT和βR，它們分別滿足條件0≤βT≤π和0≤βR≤π；發(fā)射機(jī)的發(fā)散（半）角為θT，接收機(jī)的視場(chǎng)（半）角為θR，它們分別滿足條件0≤和為發(fā)射光束的立體角，它滿足條件；V為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)視場(chǎng)交疊區(qū)域的體積；r為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的水平距離，r1和r2分別為散射體V中點(diǎn)P到接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的距離；ke為大氣消光系數(shù)，ks為大氣散射系數(shù)，ka為大氣吸收系數(shù)，三者滿足關(guān)系式ke＝ks＋ka，其單位為km－1。

Fig.2 Geometry link of NLOS scattering transmission

在空間交疊情況良好的情況下，近似得到接收機(jī)接收到的光功率為［14-16］：

式中，PT為發(fā)射激光脈沖的功率，PR為接收機(jī)接收到的散射激光功率，r為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的水平距離，Ar為接收孔徑的面積，V為散射體的體積，θs為入射光傳播的方向和接收機(jī)觀察方向的夾角（θs＝βT＋βR），Mie散射相函數(shù)沒(méi)有解析解，采用HENYEY和GREESTEIN提出的經(jīng)驗(yàn)公式（H-G相函數(shù)）可將散射相函數(shù)P（μ）表示為［17］：

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［18-21］中提供的參量，g＝0.72，f＝0.5，μ＝cosθs，τ1為散射體到接收機(jī)間大氣的透過(guò)率，τ2為發(fā)射機(jī)到散射體間的大氣透過(guò)率，ηr為接收機(jī)的光學(xué)效率。根據(jù)（1）式，計(jì)算發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在不同的系統(tǒng)參量下，接收機(jī)接收到的散射信號(hào)光功率隨傳輸距離的變化關(guān)系。

激光波長(zhǎng)為1064nm，發(fā)射激光脈沖功率為10MW，接收光學(xué)孔徑為80mm，水平傳輸距離r＝3km，大氣能見(jiàn)度取5km，大氣散射系數(shù)取8.54× 10－4km－1，大氣透過(guò)率取99.9%。接收視場(chǎng)角θR取不同數(shù)值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。取激光發(fā)射束散角θT＝0.4 mrad，發(fā)射機(jī)仰角βT＝5°，接收機(jī)仰角βR＝10°。θR分別取0.5mrad，2.5mrad，5mrad和10mrad時(shí)，計(jì)算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，隨著傳輸距離增加，接收功率急劇降低。原因在于隨著傳輸距離增加，大氣對(duì)激光的衰減也不斷增加。由圖3還可看出，θR參量對(duì)接收功率的影響較大，隨著接收機(jī)視場(chǎng)角的增大，接收機(jī)散射激光功率變大。因此，在接收視場(chǎng)角參量選取時(shí)，要盡量選擇大的視場(chǎng)角，以提高散射激光功率的接收能力，但接收機(jī)視場(chǎng)增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致背景噪聲變大，故進(jìn)行通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮背景噪聲的影響。

Fig.3 Receiver power vs.range at different receiving field of view

Fig.4 Receiver power vs.range at different transmitting field of view

圖4 中發(fā)射機(jī)的激光束散角θT取不同數(shù)值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。接收視場(chǎng)角θR取0.5mrad，其它參量不變，θT分別取0.5mrad，2.5mrad，5mrad時(shí)，計(jì)算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況?？梢钥闯?，θT選取不同數(shù)值時(shí)，計(jì)算得到的接收功率曲線基本重合，說(shuō)明發(fā)射機(jī)的束散角參量對(duì)激光的接收功率影響較小。原因在于增加發(fā)射機(jī)束散角雖然可以增大發(fā)射機(jī)與接收機(jī)視場(chǎng)的空間交會(huì)區(qū)域，但降低了激光的功率密度。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)增大發(fā)射機(jī)的束散，以增加散射體體積，有利于接收機(jī)的方位調(diào)整。

圖5為接收機(jī)仰角βR取不同數(shù)值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。取θT＝0.4mrad，θR＝0.5mrad，βT＝5°，βR分別取5°，15°和20°時(shí)，計(jì)算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況。從圖5中可以看出，接收機(jī)的仰角越大，接收到的光信號(hào)功率越小。原因在于發(fā)射機(jī)幾何參量不變的情況下，接收機(jī)仰角變大導(dǎo)致激光散射角變大，接收方向上的激光散射信號(hào)變?nèi)酢?/p>

Fig.5 Receiver power vs.range at different receiver elevation

圖6 為發(fā)射機(jī)仰角βT取不同數(shù)值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。取θT＝0.4mrad，θR＝0.5mrad，βR＝10°，βT分別取5°，15°和20°時(shí)，計(jì)算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況。從圖6可以看出，減小發(fā)射機(jī)的仰角可以提高接收機(jī)收到的激光功率。原因在于發(fā)射機(jī)仰角增加會(huì)導(dǎo)致激光的散射角變大。根據(jù)米氏散射理論，在激光傳輸方向上的激光散射最強(qiáng)，在偏離傳輸方向的角度上，散射信號(hào)隨角度變大而減弱。與圖5比較可以看出，接收機(jī)仰角的變化對(duì)系統(tǒng)的影響較發(fā)射機(jī)要小，因此可以在通信時(shí)根據(jù)地形等情況靈活布局接收機(jī)的位置，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的快速建立。

Fig.6 Receiver power vs.range at different transmitter elevation

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了研究低空氣溶膠對(duì)激光的非視線散射傳輸情況，為激光大氣散射通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及指標(biāo)選取提供依據(jù)，在一個(gè)開(kāi)闊地面進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)布局示意圖見(jiàn)圖2。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相距放置約3km。發(fā)射機(jī)的仰角為βT，接收機(jī)的仰角為βR，則散射角γ＝βT＋βR。r1和r2分別為散射體V中點(diǎn)P到接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的距離，h為散射體距地面的高度，Vs為接收到的信號(hào)電壓。發(fā)射的激光波長(zhǎng)為1.06μm，激光脈沖能量約為80mJ，脈沖寬度約為12ns，束散為2.5mrad，接收機(jī)視場(chǎng)為3mrad，接收光學(xué)系統(tǒng)孔徑為100mm，接收機(jī)的光學(xué)效率約為80%。當(dāng)天的大氣能見(jiàn)度約為10km，接收機(jī)采用雪崩管探測(cè)器。根據(jù)（1）式，計(jì)算得出接收機(jī)的接收功率PR，見(jiàn)表1。

Table 1 Data of laser receiver parameters in theory and in experiment

試驗(yàn)中，調(diào)整發(fā)射機(jī)和接收機(jī)俯仰位置，以確保接收機(jī)與發(fā)射機(jī)空間交匯。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)不同仰角情況下，利用示波器記錄散射回波脈沖信號(hào)，見(jiàn)圖7和圖8。

Fig.7 Scattering pulse signal whenβT＝3°，βR＝12°

Fig.8 Scattering pulse signal whenβT＝4°，βR＝14°

從示波器信號(hào)幅度來(lái)看，第2組試驗(yàn)信號(hào)要弱于第1組試驗(yàn)信號(hào)。原因是第1組參量的發(fā)射機(jī)仰角及散射角參量都要小，根據(jù)前面理論分析，原因是偏離傳輸方向的角度越小，接收到散射回波相對(duì)較強(qiáng)。

4 結(jié) 論

非視線激光大氣散射通信系統(tǒng)在軍事和民用上具有迫切的應(yīng)用需求和巨大的應(yīng)用前景。但由于系統(tǒng)的研制難度大，仍然需要通過(guò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展才能夠?qū)崿F(xiàn)工程化和實(shí)用化的技術(shù)目標(biāo)。由于其發(fā)展?fàn)顩r與激光器件技術(shù)、探測(cè)接收技術(shù)及微弱信號(hào)的處理技術(shù)等的發(fā)展密切相關(guān)，因此目前仍然應(yīng)該關(guān)注相關(guān)單元技術(shù)的進(jìn)展，在相關(guān)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上不斷完善非視線激光散射通信系統(tǒng)，盡快達(dá)到實(shí)用化水平。

［1］ SHAW G A，NISCHAN M，LYENGAR M，et al.NLOSUV communication for distributed sensor systems［J］.Proceedings of the SPIE，2000，4126：83-96.

［2］ KEDAR D，ARNON S.Non-line-of-sight optical wireless sensor network operating in multiscattring channel［J］.Applied Optics，2006，45（33）：8454-8461.

［3］ FENG T，CHEN G，F(xiàn)ANG Z J.Atmospheric propagation model in non line of sight optical scattering communication［J］.Chinese Journal of Lasers，2006，33（11）：1522-1526（in Chinese）.

［4］ TANG Y，NIG Q，ZHANG L J.Study on single scatter model in NLOSUV communication［J］.Optical Technique，2007，33（5）：759-765（in Chinese）.

［5］ WANG JSh，HOU T J，ZHOU D F，et al.Study on non-line-of-sight single-scatter atmospheric propagation model［J］.Laser Technology，2010，34（3）：309-312（in Chinese）.

［6］ YAO M，ZHANG L，XU Ch W，et al.Modeling and simulation of slant path scattering of 1.064μm laser in atmosphere［J］.Laser Technology，2012，36（3）：394-397（in Chinese）.

［7］ ZHAO H P，LEI P，YAO M.Atmospheric scattering model of 1.06μm laser［J］.Electro-optic Technology Application，2009，24（2）：6-9（in Chinese）.

［8］ SONG JZh，WANG L F，LIANG D，et al.Analysis of the off-axis detection of laser in atmospheric scattering［J］.Infrared and Laser Engineering，2010，39（6）：1030-1033（in Chinese）.

［9］ WANG H X.Technology of laser communication in atmosphere［J］.Infrared and Laser Engineering，2001，30（2）：45-49（in Chinese）.

［10］ JIA H H，CHANG Sh G，LAN Y，et al.Non-line-of-sight propagation model based on monte carlo method［J］.Journal of Optoelectronics·Laser，2007，18（6）：690-697（in Chinese）.

［11］ CHENG Y B，SUN X Q，ZHAO M H，et al.Analysis of the signal detetion of laser scattering in the air［J］.Laser Technology，2006，30（3）：277-279（in Chinese）.

［12］ WU J.Theory of light propagation in atmosphere［M］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications Press，2005：1-57（in Chinese）.

［13］ ZHAO T F，KE X Zh，HOU Zh M，et al.Link performance analysis of wireless ultraviolet network［J］.Laser Technology，2011，35（6）：828-832（in Chinese）.

［14］ WANG J Sh，HOU T J，ZHOU D F.Simulation research on nonline-of-sight atmospheric propagation［J］.Laser Journal，2010，31（3）：46-47（in Chinese）.

［15］ LUETTGENM R，SHAPIRO JH，REILLY DM.Non-line-of-sight single-scatter propagation model［J］.Journal of the Optical Society of America，1991，A8（12）：1964-1972.

［16］ XU Zh Y，DING H P，SADLER BM，et al.Analytical performance study of solar blind non-line-of-sight ultraviolet short-range communication links［J］.Optics Letters，2008，33（16）：1806-1862.

［17］ CORNETTE M W，SHANKSG J.Physically reasonable analytic expression for the single-scattering phase function［J］.Applied Optics，1992，31（16）：3152-3160.

［18］ HUANG Ch J，WU Zh S，LIU Y F.Numerical calculation of phase function of atmospheric aerosol particles［J］.Infrared and Laser Engineering，2012，41（3）：580-585（in Chinese）.

［19］ SHAW A G，NISCHAN M.Short-range NLOS ultraviolet communication testbed and measurements［J］.Proceedings of the SPIE，2001，4396：31-40.

［20］ YUAN Y J，REN DM，HU X Y.Computing scattering phase function by recursive fomula of mie theory［J］.Chinese Journal of Light Scattering，2006，17（4）：366-371（in Chinese）.

［21］ LIU JB，WU J.Study of scattering property of spherical particle in atmosphere［J］.Journal of Applied Optics，2005，26（2）：31-33（in Chinese）.

Study on non-line-of-sight infrared laser scattering communication in atmosphere

LIU Bing1，WANG Jusheng2，YANG Zehou3，LI Xiaofeng3，F(xiàn)AN Dong3，REN Peng3，LIBin3，LUO Xiong3，F(xiàn)ENG Litian3
（1.Military Deputy Room of Chinese People’s Liberation Army in No.209 Institute，Chengdu 610041，China；2.Beyondsoft（Shanghai）Co.Ltd.，Shanghai201204，China；3.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

In order to realize non-line-of-sight（NLOS）laser scattering communication in atmosphere，the NLOS communication link model was founded according to Mie scattering theory and 1.06μm laser scattering communication in atmosphere was studied.The relationship of laser receiving power，laser transmitting power，laser beam divergence angle，receiver field of view，detector sensitivity，emission inclination angle，receiver inclination angle，atmosphere attenuation and communication distance were analyzed.After establishing the experimental system，an experiment of 1km scattering communication was taken on and laser scattering signal was gotten.The experimental result shows that atmosphere scattering communication at long distance can be realized by choosing 1.06μm laser for signal communication under a certain weather condition.

atmospheric optics；non-line-of-sight；scattering communication in atmosphere；Mie scattering；infrared laser

TN929.12

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.028

1001-3806（2014）06-0854-05

劉 兵（1968-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饧夹g(shù)、電視跟蹤和激光制導(dǎo)。

E-mail：229817210＠qq.com

2013-12-31；

2014-02-20