氣象條件對(duì)大氣激光通信影響研究*

李日永　金　芳　程　芳

(91404部隊(duì)　秦皇島　066000)

氣象條件對(duì)大氣激光通信影響研究*

李日永金芳程芳

(91404部隊(duì)秦皇島066000)

摘要激光通信對(duì)大氣信道十分敏感，文章分析了霧和雨對(duì)激光衰減的影響原理，給出了影響表達(dá)式，分析了大氣湍流中光強(qiáng)起伏和光束漂移對(duì)激光衰減的影響原理，提出了修正衰減的方法，給出了適合激光通信的氣象條件建議。

關(guān)鍵詞激光通信; 氣象條件; 衰減; 大氣湍流; 光強(qiáng)起伏; 光束漂移

Class NumberTN929.11

1引言

激光通信與傳統(tǒng)的射頻通信系統(tǒng)相比，具有通信頻帶寬、信息容量大、抗干擾抗截獲能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，在軍事保密通信、軍事抗干擾通信等方面有著非常廣泛的應(yīng)用前景[1]。但由于激光信號(hào)在大氣自由空間中長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中將會(huì)受到能量損失，接收信號(hào)非常微弱，而且光發(fā)散角非常小，光束在傳輸過(guò)程中受到例如霧、雨、大氣湍流及其它因素的影響，因此很難保證激光通信在長(zhǎng)距離通信時(shí)的準(zhǔn)確性。尤其對(duì)于近海和海上地區(qū)，氣象條件變化很快，且有時(shí)非常惡劣，為了保證和提高激光通信的準(zhǔn)確性，我們必須研究激光通信過(guò)程中氣象條件對(duì)其的影響。

2霧和雨對(duì)光衰減的影響分析

2.1霧對(duì)光衰減的影響分析

在激光通信系統(tǒng)激光傳輸過(guò)程中，霧導(dǎo)致的激光衰減包括吸收和散射。氣象學(xué)上認(rèn)為懸浮在大氣中的固態(tài)粒子或液態(tài)小滴物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為霧，霧是由懸浮在大氣中的微小液滴(直徑<100μm)構(gòu)成的氣溶膠。根據(jù)霧的大小可以分為三類(lèi)：薄霧、中霧和濃霧。中霧的液滴密度約為0.05g/m3(能見(jiàn)度約為300m)，濃霧的液滴密度約為0.5g/m3(能見(jiàn)度約為50m)，有時(shí)嚴(yán)重濃霧天氣的能見(jiàn)度會(huì)降到僅有幾米。隨著液滴密度的增加，衰減作用會(huì)越來(lái)越大。在濃霧天氣，大氣信道中的激光能量會(huì)受到嚴(yán)重衰減，激光信號(hào)將會(huì)被淹沒(méi)在背景噪聲中，通信鏈路受到嚴(yán)重干擾[2]。

激光信號(hào)在大氣信道中傳輸過(guò)程中，由于氣溶膠粒子等散射元的作用而發(fā)生散射[3]。按照激光波長(zhǎng)和散射粒子的關(guān)系，可將散射分為：1)瑞利散射：當(dāng)大氣中的分子或氣溶膠粒子直徑遠(yuǎn)小于傳輸激光波長(zhǎng)是為瑞利散射，通常情況下，瑞利散射發(fā)生在高空大氣層；2)米氏散射：當(dāng)大氣中的分子或氣溶膠粒子直徑和激光波長(zhǎng)相近是，為米氏散射；3)無(wú)選擇性散射：當(dāng)大氣中的分子或氣溶膠粒子直徑遠(yuǎn)大于傳輸激光波長(zhǎng)時(shí)，所發(fā)生的是無(wú)選擇性散射，其特點(diǎn)是散射程度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而且前向散射很強(qiáng)。一般情況下霧的粒子直徑在5～100μm之間[4]對(duì)大氣激光通信系統(tǒng)的影響主要考慮米氏散射。

米氏散射引起的衰減系數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中，V是大氣能見(jiàn)度(Km)，λ是激光工作波長(zhǎng)(m)，q是修正因子，是隨能見(jiàn)度變化的系數(shù)。

由上式可知，大氣能見(jiàn)度越高，大氣散射引起的衰減越小，工作波長(zhǎng)越長(zhǎng)，大氣散射系數(shù)越小。

2.2雨對(duì)光衰減的影響分析

降雨是一種非常常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象，一般將降雨等級(jí)分為小雨、中雨、大雨、暴雨等。雨的大小取決于降雨量R(mm/h)。在降雨過(guò)程中，小雨時(shí)的能見(jiàn)度較低，而大雨時(shí)的能見(jiàn)度卻高于小雨[5]的直徑是霧滴的上千倍，因此雨的間隙非常大，所以雨天的能見(jiàn)度要比霧天好得多，激光在雨中仍有較高的透射率。

按照激光波長(zhǎng)和散射粒子的關(guān)系，雨對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懪c霧不同，其發(fā)生的是無(wú)選擇性散射，雨滴對(duì)激光的散射與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。激光在雨中的衰減只與降雨量有關(guān)，一般用消光系數(shù)表示為[6]

(2)

式中，σ是消光系數(shù)(dB/Km)；R是降雨速率(mm/h)。

3大氣湍流對(duì)光通信衰減的影響分析

大氣激光通信過(guò)程中的大氣湍流導(dǎo)致光強(qiáng)起伏和光束漂移。大氣湍流是由于大氣中風(fēng)速的隨機(jī)變化引起的，產(chǎn)生于不均勻的太陽(yáng)輻射、氣溫及壓力。例如，大氣溫度的隨機(jī)變化導(dǎo)致空氣密度的隨機(jī)變化，從而導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)變化[7]。不同變化導(dǎo)致的大氣折射率的累加不是恒定的，直接導(dǎo)致接收的激光信號(hào)隨空間和時(shí)間的隨機(jī)起伏，這種起伏是大氣湍流影響的顯著標(biāo)志。

3.1光強(qiáng)起伏和光束漂移對(duì)激光衰減的影響

光強(qiáng)起伏被描述為大氣湍流導(dǎo)致不均勻的信道折射率的起伏，折射率的變化導(dǎo)致光強(qiáng)隨時(shí)間和空間的隨機(jī)變化。在某些方向的光閃爍，導(dǎo)致接收信號(hào)信噪比的下降以及激光通信誤碼率的增加，這就是光強(qiáng)閃爍。在以下情形下光強(qiáng)閃爍最為嚴(yán)重，如空氣濕度相對(duì)增大、空氣溫度較高、太陽(yáng)直射區(qū)域、霧開(kāi)始消散、雨過(guò)天晴以及通信鏈路在溫度較高時(shí)經(jīng)過(guò)河、湖、海洋。

當(dāng)傳輸激光的直徑小于湍流直徑時(shí)，光束包裹在湍流漩渦里，湍流的主要作用體現(xiàn)在光束的隨機(jī)偏差上[8]。所以，在接收端，光束斑點(diǎn)集中于一個(gè)相對(duì)的中心位置，快速隨機(jī)搖擺，稱(chēng)為光束偏差，這種偏差可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。如果將光束看作為一個(gè)整體，平均方位將會(huì)變化很大，這叫做光束漂移。光束漂移用來(lái)表達(dá)激光傳播過(guò)程中的大氣湍流，與光束直徑和湍流大小緊密相關(guān)。如果大氣湍流很強(qiáng)，光束有可能漂移到可接收范圍以外，嚴(yán)重干擾激光通信，導(dǎo)致通信中斷。

3.2其它氣象條件對(duì)大氣湍流的影響

對(duì)通信質(zhì)量而言，好的氣象條件是指激光衰減很少受天氣和大氣湍流的影響[9]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能見(jiàn)度大于1km時(shí)，激光衰減是最小的，通信質(zhì)量是最好的。

當(dāng)多云天氣或者雨天突然轉(zhuǎn)晴，大氣湍流導(dǎo)致的激光能量抖動(dòng)非常大，因?yàn)檫@種天氣情況下，大氣和地面的溫差非常大，溫差導(dǎo)致的大氣湍流非常強(qiáng)烈，此時(shí)大氣湍流的影響也是最大的。在晴朗天氣，早晨和傍晚的溫差不大，大氣信道非常好，正午溫差大，光強(qiáng)起伏非常嚴(yán)重，大氣湍流效應(yīng)也非常大。

4光強(qiáng)起伏和光束漂移對(duì)激光衰減修正方法

光強(qiáng)起伏、光束漂移和其它大氣湍流效應(yīng)可能同時(shí)發(fā)生或者部分交疊[10]，對(duì)激光通信信道的影響更為嚴(yán)重。使用光學(xué)儀器可以集合相同大氣信道中傳輸?shù)牟煌ㄩL(zhǎng)的光束，可以實(shí)現(xiàn)相同信道不同波長(zhǎng)情況下的通信傳輸理論研究。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用于分析光束漂移和光強(qiáng)起伏，比較分析大氣湍流的影響與閃爍光波波長(zhǎng)之間的關(guān)系，使用不同的公式修正光束漂移和光強(qiáng)起伏。修正光強(qiáng)起伏可以使用兩個(gè)激光發(fā)射器，兩個(gè)發(fā)射光束疊加在同一個(gè)接收孔徑上，用以降低光強(qiáng)起伏。修正光束漂移可以提供激光的發(fā)散角，直至光束偏差在可控范圍內(nèi)，或者采用ATP技術(shù)(捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)技術(shù))。

5結(jié)語(yǔ)

大氣激光通信以大氣作為通信媒質(zhì)，對(duì)天氣的依賴(lài)非常大。基于文章對(duì)典型氣象條件對(duì)大氣激光通信影響的原理分析，不可能完全通過(guò)信道編碼和增加發(fā)射激光功率來(lái)克服霧、雨以及大氣湍流效應(yīng)對(duì)激光通信鏈路的影響。本文通過(guò)海上實(shí)際測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果與理論分析吻合，可以得出能見(jiàn)度與消光系數(shù)的關(guān)系，為激光通信的應(yīng)用提供了參考。由于對(duì)天氣的變化不能及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，很難保證全天候通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了提高通信的可靠性，我們必須根據(jù)氣象條件的變化，適時(shí)地采取其它通信手段進(jìn)行通信。

參 考 文 獻(xiàn)

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Effect of Atmosphere on Laser Communication

LI RiyongJIN FangCHENG Fang

(No.91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractLaser communication is sensitive to the atmospheric channel. In this paper, effects of fog, rain and light intensity fluctuation, beam drift to laser attenuation are analyzed, and the ways to correct attenuation is proposed, suitable atmospheric environment for laser communication is given.

Key Wordslaser communication, atmospheric environment, attenuation, atmospheric turbulences, light intensity fluctuation, beam drift

*收稿日期：2015年12月5日,修回日期：2016年1月15日

作者簡(jiǎn)介：李日永,男,碩士，工程師,研究方向：電子裝備試驗(yàn)理論與方法。金芳,女,碩士,助理工程師，研究方向：通信與通信對(duì)抗試驗(yàn)方法研究，數(shù)據(jù)融合處理。程芳,女，碩士，助理工程師，研究方向：數(shù)據(jù)融合處理。

中圖分類(lèi)號(hào)TN929.11

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.036