大氣激光通信鏈路功率分析研究

劉坤明++張立中

摘 要：在現(xiàn)代激光通信傳輸中，大氣對(duì)光傳輸過(guò)程中的衰減和起伏影響，已嚴(yán)重影響了激光通信的發(fā)展。為提高通信距離、速率和通信質(zhì)量，抑制大氣對(duì)激光通信的不利影響是十分重要的。本文針對(duì)野戰(zhàn)激光通信環(huán)境，對(duì)激光在大氣中的傳輸模型進(jìn)行通信鏈路功率計(jì)算，對(duì)大氣對(duì)光功率的衰減和損耗進(jìn)行了分析，為實(shí)際大氣激光通信的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信 大氣衰減 通信鏈路功率

中圖分類號(hào)：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2014）03（c）-0001-02

在通信手段不斷更新?lián)Q代的今天，微波通信和光纖通信已經(jīng)發(fā)展的越來(lái)越成熟，但是，考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)通信手段的需求，與這兩種通信相比，激光通信正越來(lái)越憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，嶄露頭角。隨著電磁干擾的不斷升級(jí)，在戰(zhàn)時(shí)條件下，復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，更要求通信的保密性和可靠性。激光通信以其良好的保密性，更好的抗電磁干擾能力，必將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要通信手段，對(duì)取得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的制信息權(quán)有著重要地位[1]。

但是激光通信受環(huán)境條件制約，通信中必須滿足通視條件，且光在大氣中傳輸，大氣引起的光強(qiáng)閃爍、光強(qiáng)衰減等都對(duì)光通信產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)通信鏈路的光功率計(jì)算是十分必要的。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過(guò)程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動(dòng)等現(xiàn)象。對(duì)于能量較大的強(qiáng)激光，還會(huì)出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

本文以一種野戰(zhàn)用激光通信光端機(jī)的參數(shù)為計(jì)算模型，對(duì)大氣信道下通信鏈路的光功率進(jìn)行分析計(jì)算。激光通信既是信息傳遞系統(tǒng)，又是能量傳遞系統(tǒng)[2]。對(duì)系統(tǒng)中的圓形光斑，大氣激光通信鏈路傳輸方程可簡(jiǎn)單描述為：

（1）

其中，為光端機(jī)接收功率，為發(fā)射功率，=43 mm為小口徑接收光學(xué)天線孔徑，=1.8 mrad為激光發(fā)射光束束散角，為大氣衰減系數(shù)（NP/Km），、為接收、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，=10 km為傳輸距離。各分量如下：

（1）發(fā)射功率：；

（2）發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率分別為：=0.8，=0.8；

（3）幾何衰減

；

（4）大氣衰減損耗。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過(guò)程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動(dòng)等現(xiàn)象。對(duì)于能量較大的強(qiáng)激光，還會(huì)出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

大氣中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，從 um到 um，對(duì)光的散射存在一定的隨機(jī)性，因此不同大小粒子造成的散射對(duì)光的影響的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分類，對(duì)粒子半徑≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，稱為散射；當(dāng) um時(shí)，適用米氏定律，稱為散射。

（1）散射。

對(duì)粒子尺寸較小，粒子半徑，時(shí)，產(chǎn)生散射，為單位體積內(nèi)粒子數(shù)，其散射系數(shù)為[4]：

為折射率，為波長(zhǎng)，一般理想大氣條件下，散射系數(shù)：

可以看出，散射的一個(gè)最大特點(diǎn)是散射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的四次方成反比，散射的散射系數(shù)可表示為：

其中，為大氣折射率，為單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)，為入射光波的波長(zhǎng)，為散射的退偏振因子，通常為0.035。

（2）Mie米氏散射。

Mie散射理論即球體粒子的光散射理論，在大氣近地面的散射一般都為Mie散射，造成Mie散射的懸浮粒子直徑和波長(zhǎng)相當(dāng)，主要由大氣氣溶膠粒子引起，且其散射強(qiáng)度要比散射強(qiáng)的多。目前常用的相函數(shù)[5]：

為散射角，是的平均值。此函數(shù)的好處在于函數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，能較好描述Mie散射前向散射的特點(diǎn)。

這里根據(jù)各影響的參數(shù)，依據(jù)傳輸時(shí)具體情況，對(duì)大氣衰減損耗進(jìn)行計(jì)算，激光傳輸中大氣造成衰減的衰減系數(shù)為，其中為大氣分子吸收系數(shù)，為懸浮微粒的吸收系數(shù)，為氣體分子散射系數(shù)，為懸浮微粒的散射系數(shù)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)通信環(huán)境，主要衰減是Mie散射。

的經(jīng)驗(yàn)公式為：，

其中為能見(jiàn)度（Km），為激光波長(zhǎng)（），q值根據(jù)可見(jiàn)度不同選取如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)背景條件，能見(jiàn)度為：25Km，則；所以大氣衰減損耗為：

實(shí)驗(yàn)中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實(shí)際接收功率大于探測(cè)器靈敏度，傳輸距離10 km時(shí)，系統(tǒng)仍可正常進(jìn)行正常工作。對(duì)系統(tǒng)的正常工作性進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文針對(duì)一種實(shí)際野戰(zhàn)激光通信用光端機(jī)的參數(shù)為模型，對(duì)大氣激光通信鏈路功率進(jìn)行了計(jì)算，作為一種簡(jiǎn)單模型的功率計(jì)算，可以對(duì)系統(tǒng)的合理性和光端機(jī)關(guān)鍵器件的選擇都用很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙尚弘，吳繼禮，李勇軍，等.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，9：28-42.

[2] 徐亞寧.激光波束掃描與通信目標(biāo)捕獲問(wèn)題的研究[J].無(wú)線光通信，2008：57-59.

[3] 柯熙政，席曉莉.無(wú)線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：10-15.

[4] Levi L.Applied Optics[M].New York： John Wiley&Sons，1980.

[5] Kin I I，Koontz J，Hakakha H，et al. Measurement of scintillation and link margin for the terralink laser communication system[J].SPIE，1998，3232：100-118.endprint

摘 要：在現(xiàn)代激光通信傳輸中，大氣對(duì)光傳輸過(guò)程中的衰減和起伏影響，已嚴(yán)重影響了激光通信的發(fā)展。為提高通信距離、速率和通信質(zhì)量，抑制大氣對(duì)激光通信的不利影響是十分重要的。本文針對(duì)野戰(zhàn)激光通信環(huán)境，對(duì)激光在大氣中的傳輸模型進(jìn)行通信鏈路功率計(jì)算，對(duì)大氣對(duì)光功率的衰減和損耗進(jìn)行了分析，為實(shí)際大氣激光通信的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信 大氣衰減 通信鏈路功率

中圖分類號(hào)：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2014）03（c）-0001-02

在通信手段不斷更新?lián)Q代的今天，微波通信和光纖通信已經(jīng)發(fā)展的越來(lái)越成熟，但是，考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)通信手段的需求，與這兩種通信相比，激光通信正越來(lái)越憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，嶄露頭角。隨著電磁干擾的不斷升級(jí)，在戰(zhàn)時(shí)條件下，復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，更要求通信的保密性和可靠性。激光通信以其良好的保密性，更好的抗電磁干擾能力，必將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要通信手段，對(duì)取得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的制信息權(quán)有著重要地位[1]。

但是激光通信受環(huán)境條件制約，通信中必須滿足通視條件，且光在大氣中傳輸，大氣引起的光強(qiáng)閃爍、光強(qiáng)衰減等都對(duì)光通信產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)通信鏈路的光功率計(jì)算是十分必要的。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過(guò)程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動(dòng)等現(xiàn)象。對(duì)于能量較大的強(qiáng)激光，還會(huì)出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

本文以一種野戰(zhàn)用激光通信光端機(jī)的參數(shù)為計(jì)算模型，對(duì)大氣信道下通信鏈路的光功率進(jìn)行分析計(jì)算。激光通信既是信息傳遞系統(tǒng)，又是能量傳遞系統(tǒng)[2]。對(duì)系統(tǒng)中的圓形光斑，大氣激光通信鏈路傳輸方程可簡(jiǎn)單描述為：

（1）

其中，為光端機(jī)接收功率，為發(fā)射功率，=43 mm為小口徑接收光學(xué)天線孔徑，=1.8 mrad為激光發(fā)射光束束散角，為大氣衰減系數(shù)（NP/Km），、為接收、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，=10 km為傳輸距離。各分量如下：

（1）發(fā)射功率：；

（2）發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率分別為：=0.8，=0.8；

（3）幾何衰減

；

（4）大氣衰減損耗。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過(guò)程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動(dòng)等現(xiàn)象。對(duì)于能量較大的強(qiáng)激光，還會(huì)出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

大氣中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，從 um到 um，對(duì)光的散射存在一定的隨機(jī)性，因此不同大小粒子造成的散射對(duì)光的影響的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分類，對(duì)粒子半徑≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，稱為散射；當(dāng) um時(shí)，適用米氏定律，稱為散射。

（1）散射。

對(duì)粒子尺寸較小，粒子半徑，時(shí)，產(chǎn)生散射，為單位體積內(nèi)粒子數(shù)，其散射系數(shù)為[4]：

為折射率，為波長(zhǎng)，一般理想大氣條件下，散射系數(shù)：

可以看出，散射的一個(gè)最大特點(diǎn)是散射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的四次方成反比，散射的散射系數(shù)可表示為：

其中，為大氣折射率，為單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)，為入射光波的波長(zhǎng)，為散射的退偏振因子，通常為0.035。

（2）Mie米氏散射。

Mie散射理論即球體粒子的光散射理論，在大氣近地面的散射一般都為Mie散射，造成Mie散射的懸浮粒子直徑和波長(zhǎng)相當(dāng)，主要由大氣氣溶膠粒子引起，且其散射強(qiáng)度要比散射強(qiáng)的多。目前常用的相函數(shù)[5]：

為散射角，是的平均值。此函數(shù)的好處在于函數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，能較好描述Mie散射前向散射的特點(diǎn)。

這里根據(jù)各影響的參數(shù)，依據(jù)傳輸時(shí)具體情況，對(duì)大氣衰減損耗進(jìn)行計(jì)算，激光傳輸中大氣造成衰減的衰減系數(shù)為，其中為大氣分子吸收系數(shù)，為懸浮微粒的吸收系數(shù)，為氣體分子散射系數(shù)，為懸浮微粒的散射系數(shù)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)通信環(huán)境，主要衰減是Mie散射。

的經(jīng)驗(yàn)公式為：，

其中為能見(jiàn)度（Km），為激光波長(zhǎng)（），q值根據(jù)可見(jiàn)度不同選取如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)背景條件，能見(jiàn)度為：25Km，則；所以大氣衰減損耗為：

實(shí)驗(yàn)中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實(shí)際接收功率大于探測(cè)器靈敏度，傳輸距離10 km時(shí)，系統(tǒng)仍可正常進(jìn)行正常工作。對(duì)系統(tǒng)的正常工作性進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文針對(duì)一種實(shí)際野戰(zhàn)激光通信用光端機(jī)的參數(shù)為模型，對(duì)大氣激光通信鏈路功率進(jìn)行了計(jì)算，作為一種簡(jiǎn)單模型的功率計(jì)算，可以對(duì)系統(tǒng)的合理性和光端機(jī)關(guān)鍵器件的選擇都用很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙尚弘，吳繼禮，李勇軍，等.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，9：28-42.

[2] 徐亞寧.激光波束掃描與通信目標(biāo)捕獲問(wèn)題的研究[J].無(wú)線光通信，2008：57-59.

[3] 柯熙政，席曉莉.無(wú)線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：10-15.

[4] Levi L.Applied Optics[M].New York： John Wiley&Sons，1980.

[5] Kin I I，Koontz J，Hakakha H，et al. Measurement of scintillation and link margin for the terralink laser communication system[J].SPIE，1998，3232：100-118.endprint

摘 要：在現(xiàn)代激光通信傳輸中，大氣對(duì)光傳輸過(guò)程中的衰減和起伏影響，已嚴(yán)重影響了激光通信的發(fā)展。為提高通信距離、速率和通信質(zhì)量，抑制大氣對(duì)激光通信的不利影響是十分重要的。本文針對(duì)野戰(zhàn)激光通信環(huán)境，對(duì)激光在大氣中的傳輸模型進(jìn)行通信鏈路功率計(jì)算，對(duì)大氣對(duì)光功率的衰減和損耗進(jìn)行了分析，為實(shí)際大氣激光通信的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信 大氣衰減 通信鏈路功率

中圖分類號(hào)：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)1672-3791（2014）03（c）-0001-02

在通信手段不斷更新?lián)Q代的今天，微波通信和光纖通信已經(jīng)發(fā)展的越來(lái)越成熟，但是，考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)通信手段的需求，與這兩種通信相比，激光通信正越來(lái)越憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，嶄露頭角。隨著電磁干擾的不斷升級(jí)，在戰(zhàn)時(shí)條件下，復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，更要求通信的保密性和可靠性。激光通信以其良好的保密性，更好的抗電磁干擾能力，必將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要通信手段，對(duì)取得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的制信息權(quán)有著重要地位[1]。

但是激光通信受環(huán)境條件制約，通信中必須滿足通視條件，且光在大氣中傳輸，大氣引起的光強(qiáng)閃爍、光強(qiáng)衰減等都對(duì)光通信產(chǎn)生較大影響。因此，對(duì)通信鏈路的光功率計(jì)算是十分必要的。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過(guò)程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動(dòng)等現(xiàn)象。對(duì)于能量較大的強(qiáng)激光，還會(huì)出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

本文以一種野戰(zhàn)用激光通信光端機(jī)的參數(shù)為計(jì)算模型，對(duì)大氣信道下通信鏈路的光功率進(jìn)行分析計(jì)算。激光通信既是信息傳遞系統(tǒng)，又是能量傳遞系統(tǒng)[2]。對(duì)系統(tǒng)中的圓形光斑，大氣激光通信鏈路傳輸方程可簡(jiǎn)單描述為：

（1）

其中，為光端機(jī)接收功率，為發(fā)射功率，=43 mm為小口徑接收光學(xué)天線孔徑，=1.8 mrad為激光發(fā)射光束束散角，為大氣衰減系數(shù)（NP/Km），、為接收、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，=10 km為傳輸距離。各分量如下：

（1）發(fā)射功率：；

（2）發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率分別為：=0.8，=0.8；

（3）幾何衰減

；

（4）大氣衰減損耗。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過(guò)程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動(dòng)等現(xiàn)象。對(duì)于能量較大的強(qiáng)激光，還會(huì)出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

大氣中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，從 um到 um，對(duì)光的散射存在一定的隨機(jī)性，因此不同大小粒子造成的散射對(duì)光的影響的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分類，對(duì)粒子半徑≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，稱為散射；當(dāng) um時(shí)，適用米氏定律，稱為散射。

（1）散射。

對(duì)粒子尺寸較小，粒子半徑，時(shí)，產(chǎn)生散射，為單位體積內(nèi)粒子數(shù)，其散射系數(shù)為[4]：

為折射率，為波長(zhǎng)，一般理想大氣條件下，散射系數(shù)：

可以看出，散射的一個(gè)最大特點(diǎn)是散射強(qiáng)度和波長(zhǎng)的四次方成反比，散射的散射系數(shù)可表示為：

其中，為大氣折射率，為單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)，為入射光波的波長(zhǎng)，為散射的退偏振因子，通常為0.035。

（2）Mie米氏散射。

Mie散射理論即球體粒子的光散射理論，在大氣近地面的散射一般都為Mie散射，造成Mie散射的懸浮粒子直徑和波長(zhǎng)相當(dāng)，主要由大氣氣溶膠粒子引起，且其散射強(qiáng)度要比散射強(qiáng)的多。目前常用的相函數(shù)[5]：

為散射角，是的平均值。此函數(shù)的好處在于函數(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，能較好描述Mie散射前向散射的特點(diǎn)。

這里根據(jù)各影響的參數(shù)，依據(jù)傳輸時(shí)具體情況，對(duì)大氣衰減損耗進(jìn)行計(jì)算，激光傳輸中大氣造成衰減的衰減系數(shù)為，其中為大氣分子吸收系數(shù)，為懸浮微粒的吸收系數(shù)，為氣體分子散射系數(shù)，為懸浮微粒的散射系數(shù)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)通信環(huán)境，主要衰減是Mie散射。

的經(jīng)驗(yàn)公式為：，

其中為能見(jiàn)度（Km），為激光波長(zhǎng)（），q值根據(jù)可見(jiàn)度不同選取如下：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)背景條件，能見(jiàn)度為：25Km，則；所以大氣衰減損耗為：

實(shí)驗(yàn)中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實(shí)際接收功率大于探測(cè)器靈敏度，傳輸距離10 km時(shí)，系統(tǒng)仍可正常進(jìn)行正常工作。對(duì)系統(tǒng)的正常工作性進(jìn)行了驗(yàn)證。

本文針對(duì)一種實(shí)際野戰(zhàn)激光通信用光端機(jī)的參數(shù)為模型，對(duì)大氣激光通信鏈路功率進(jìn)行了計(jì)算，作為一種簡(jiǎn)單模型的功率計(jì)算，可以對(duì)系統(tǒng)的合理性和光端機(jī)關(guān)鍵器件的選擇都用很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙尚弘，吳繼禮，李勇軍，等.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，9：28-42.

[2] 徐亞寧.激光波束掃描與通信目標(biāo)捕獲問(wèn)題的研究[J].無(wú)線光通信，2008：57-59.

[3] 柯熙政，席曉莉.無(wú)線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：10-15.

[4] Levi L.Applied Optics[M].New York： John Wiley&Sons，1980.

[5] Kin I I，Koontz J，Hakakha H，et al. Measurement of scintillation and link margin for the terralink laser communication system[J].SPIE，1998，3232：100-118.endprint