近海層大氣湍流對艦船激光通信的影響

郭 誼，隋 波

(1．海軍大連艦艇學院，遼寧大連116000;2．海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連116000)

近海層大氣湍流對艦船激光通信的影響

郭 誼1，隋 波2

(1．海軍大連艦艇學院，遼寧大連116000;2．海軍駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連116000)

近海層大氣湍流對艦船激光通信有重要的影響。本文基于Kolmogorov和Rytov大氣湍流理論，推導適用于描述強、弱湍流條件下信噪比及誤碼率的理論模型，結合艦船通信的物理條件進行數(shù)值仿真，同時分析在相應湍流強度下大氣湍流對不同波長激光通信性能指標的影響，并提出提高通信質量的措施。

近海層大氣湍流;激光通信;對數(shù)振幅起伏

0 引言

近年來，隨著海洋大氣邊界層各氣象要素觀測資料的逐步健全，對熱帶海洋大氣邊界層湍流結構、湍流輸送特征的研究也取得重大突破。同時，自由空間光通信由于具有容量大、數(shù)據(jù)率高、體積重量小、抗電磁干擾能力強、保密性好、成本低等優(yōu)點，從而使激光通信在近海層的實際應用也越來越廣泛。因此研究近海層大氣湍流特性對激光鏈路通信的影響具有重要意義。本文通過對不同大氣湍流強度下激光通信鏈路性能指標 (信噪比和誤碼率)的數(shù)值仿真，分析了引起性能下降的主要因素，并提出改善措施。

1 近海層大氣湍流

近海層大氣湍流交換過程是指海氣相互作用，海洋與大氣之間的動量、能量和物質的湍流交換與近海層的大氣湍流結構有密切的關系。而由海面大氣運動產生的大氣湍流會引起大氣的光學折射率出現(xiàn)隨機變化，從而導致大氣傳播的激光出現(xiàn)光束漂移、光強閃爍、光路擴展等現(xiàn)象，引起光信號接收受到干擾并且擴大通信誤碼率，從而嚴重影響艦船大氣激光通信的穩(wěn)定性和可靠性。因此在設計艦船激光通信鏈路時，必須對具體傳輸環(huán)境中大氣對激光通信的影響進行研究分析。

2 傳輸過程模擬

激光在近海面大氣信道中傳輸，大氣湍流對其影響可以用Kolmogorov和Rytov的理論進行模擬?；赗ytov理論，平面波在自由介質中的傳播公式為：

式中：A0(r)為激光在無大氣湍流條件下的振幅;E0(r)為激光電磁場分布;φ0為光波相位。而大氣湍流折射率變化引起的光強起伏是影響光信號削弱的最重要因素，即大氣折射率的改變引起激光光束分布的變化。具體傳播方程可表示為：

其中A(r)為激光光束在湍流中傳輸時的振幅。式中的Φ為：

式中：χ為大氣湍流引起的對數(shù)振幅起伏;ξ為光波相位起伏。

2.1 弱湍流情況

弱湍流是指大氣折射率常數(shù)C2n≤10－14m－2/3時，對于平面波，假設折射率常數(shù)關于光路對稱，則其對數(shù)光強起伏方差為：

若只考慮由大氣湍流引起的噪聲，水平傳輸時的對數(shù)振幅為：

式中：Ai(r)為噪聲振幅;ε=Ai(r)/A0(r)為噪聲與信號的振幅比。

由于ε很小，χ=ln(1+ε)≈ε。對平面波 ＜ε2＞=＜χ2＞=0.31C2nk7/6L11/6，系統(tǒng)的信噪比為：

式中：I0為信號強度;＜Ii＞為噪聲強度的系統(tǒng)平均。

系統(tǒng)誤碼率為：

因此，在大氣湍流噪聲較小的條件下，近海面艦船激光通信的信噪比和誤碼率都隨大氣湍流的對數(shù)振幅起伏而變化。

2.2 強湍流情況

當折射率結構常數(shù)C2n≥10－14m－2/3時，大氣湍流為強湍流，ε不能忽略，χ=ln(1+ε)?ε=eχ－1，利用泰勒級數(shù)對f(χ)=eχ－1進行展開，可以得到：

其中α為閃爍強度因子。

因此，在強大氣湍流條件下，近海面艦船激光通信的信噪比不僅與大氣湍流的對數(shù)振幅起伏有關，還與閃爍強度因子有關，其變化趨勢更為劇烈。

2.3 大氣折射率結構常數(shù)

由式(6)及上述推導過程不難看出，實際環(huán)境中的大氣折射率是激光鏈路通信性能的重要影響因素，它可以用來表示湍流的強度。假設激光傳輸按水平進行，并且其傳輸路徑均勻，則C2n(h)為常數(shù)。目前大氣湍流模型分以下2種情況：

1)弱湍流的Modified HV模型

2)強湍流的HV21模型

2.4 激光波段的選擇

激光通信易受氣候的影響，而海面出現(xiàn)的大霧、雨滴等因素都會對激光通信的作用距離產生較大的影響。當激光通過由大氣分子、水蒸氣及雜質微粒混合組成的海面上空大氣時，大氣中的各種組成成分對光波產生了強烈的吸收作用。由文獻 ［2］可知，0.72～15.0 μm波段的激光通過大氣時的透射情況不一樣，明顯存在幾個激光傳輸透射效果比較好的波段。海上艦－艦激光通信的波長選擇在0.85 μm，1.06 μm，1.55 μm 等。

3 模擬與分析

基于上述理論模型，為仿真近海面大氣湍流對艦船激光通信系統(tǒng)誤碼率和信噪比的影響，選擇在850 nm，1 064 nm，1 550 nm等不同激光波長下研究分析激光受到近海面大氣湍流的影響。根據(jù)實際工作環(huán)境，假設艦載激光設備海拔高度6 m，傳輸距離2 km進行模擬。

圖1是在弱湍流情況下對于不同波長激光通信的誤碼率和信噪比。通過對比各項參數(shù)可以看出，對于不同波長的近海面激光通信，在傳輸相同距離時，波長越大誤碼率越低，信噪比越大。而相同信噪比下，波長越大，其傳輸距離越遠。在達到最低通信誤碼率條件下，850 nm，1 064 nm，1 550 nm的激光通信有效距離分別為3.4 km，3.9 km和4.5 km。

圖1 弱湍流激光通信的誤碼率和信噪比Fig.1 SNR and BER of optical communication in weak turbulence

圖2 強湍流激光通信的誤碼率和信噪比Fig.2 SNR and BER of optical communication in strong turbulence

圖2是在強湍流情況下對于不同波長激光通信的誤碼率和信噪比。與圖1對比可知，其通信性能變化趨勢一致，但其影響變化幅度更大，說明在強湍流情況下激光通信所受的影響更大。以波長為850 nm的激光為例，弱湍流模式下傳輸距離3.5 km時，其誤碼率超過了10－9，通信中斷;而在強湍流模式下，傳輸1 km就會因為誤碼率太大而無法通信。所以在近海層傳輸通道中，大氣湍流對激光通信的影響不能忽視。

4 結語

本文主要研究了激光在水平傳輸時由大氣湍流引起的激光通信系統(tǒng)的強度起伏、信噪比和誤碼率，并通過Matlab對近海層具體環(huán)境參數(shù)模擬。結果表明：在弱湍流條件下，對于通信誤碼率為10－9的要求，大氣折射率應小于9.33×10－15;隨著大氣湍流強度的增加，通信誤碼率明顯增大，在這種情況下采用波長較大的激光波段進行傳輸，可以有效降低系統(tǒng)誤碼率，增加艦船之間的通信傳輸距離。

［1］汪井源，張正線．無線光通信在軍事通信中的應用［C］．軍事電子信息學術會議，2000：576－579．

WANG Jing-yuan，ZHANG Zheng-xian．The application of wireless laser communication for military communication［C］．Military Electronic Information Conference，2000：576－579．

［2］REZUNKOV Y，OSIP V M，et al．Atmospheric phenomena affecting laser－propelling capability of vehicles in the atmosphere［C］．High-Power Laser Ablation，2000：421－427．

［3］張杰，宋成杰，張昌雷，等．大氣激光通信影響因素分析及信道建模［J］．電子器件，2004，27(1)：202－205．

ZHANG Jie，SONG Cheng-jie，ZHANG Chang-lei，et al．Analyzing the loss factors of atmosphere laser communication and modeling the signal channel［J］．Chinese Journal of Electron Devices，2004，27(1)：202 －205．

［4］郭誼，王江安．海上雙運動載體光通信APT面準系統(tǒng)的研究［J］．激光與紅外，2007，37(8)：715 －716．

GUO Yi，WANG Jiang-an．Study of APT aiming subsystem in optical communication between two moving objects on the sea［J］．Laser and Infrared，2007，37(8)：715 －716．

［5］AZOULAY E．Effects of atmospheric turbulence on the MTF ofimagingsystems［R］．Tübingen：FGAN －FfO，1990．

［6］刑建斌，許國良，張旭萍，等．大氣湍流對激光通信系統(tǒng)的影響［J］．光子學報，2005，34(12)：1850 －1852．

XING Jian-bin，XU Guo-liang，ZHANG Xu-ping，et al．Effect of the atmospheric turbulence on laser communication system［J］．Acta Photonica Sinica，2005，34(12)：1850 －1852．

Influence of atmospheric turbulence over sea on laser communication between the ships

GUO Yi1，SUI Bo2
(1．Dalian Naval Academy，Dalian 116000，China;2．Dalian Naval Representative Office，Dalian 116000，China)

The atmospheric turbulence over sea has an important effect on Laser communication between the ships．Based on Kolmogorov and Rytov's turbulence theory，this paper derived the theoretic model of the signal-to-noise(SNR)and bit error rate(BER)for the strong or feeble turbulence．It simulated numerically with the parameters of communication between the ships and analyzed the effect of atmospheric turbulence with different wavelength．At the end，the paper advanced the measures for improving communication quality．

atmospheric turbulence over sea;laser communication;deviation of log-amplitude

TN929．1

A

1672－7649(2014)06－0060－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.06.011

2013－09－13;

2013－12－02

郭誼(1980－)，男，工程師，從事艦艇通信指揮教學。