蓝绿激光下行通信大气衰减信道特性研究*

田厚义 温 东 付 贞 赵邵蕾

(海军潜艇学院 青岛 266071)

1 引言

蓝绿激光作为未来重要的水下通信方式,依据其在水下传播衰减小的特点,可有效地解决当前潜艇面临的大深度、高速率、双向隐蔽通信的问题,且蓝绿激光对潜通信不受电磁以及核爆炸的影响,通信频带宽,数据传输能力强,可发送静止图像,波束宽度窄,方向性好,具有较强的抗干扰能力和抗截获能力,可在天气不正常、大暴雨、海水混浊等恶劣的条件下使用,是未来有极大潜力和应用前景的对潜通信手段,也是目前来看可实现潜艇隐蔽、双向、高速通信的有效手段。因此,对蓝绿激光对潜通信进行研究,具有十分重要的意义。

从目前掌握的资料看,蓝绿激光对潜通信的信道特征,研究得较多,但具体到大气衰减信道方面,研究的较少,本文在前人研究的基础上,对蓝绿激光下行通信大气衰减信道进行了进一步的详细的分析,并给出了相关的数学模型及仿真曲线,得出了大气信道的特征。

2 大气衰减信道分析及模型的建立

激光在大气中的传输受气候条件的影响很大,大气衰减效应是激光大气传输所受到的主要影响之一,它将造成激光在传输主轴方向上的辐射强度受到很大影响,这主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的“散射”、“吸收”作用造成的。

2.1 大气透射率

假定在光传输的路径上,大气是均匀的,则激光的传播特性可用Bouguer-Lambert定律进行描述,即:

式中,L为传输距离;I(λ,Z)和 I(λ,0)分别为波长为 λ的激光束在L处的光强和初始光强;τ(λ)即为波长为λ的光的大气透射率;σ(λ)是与波长有关的衰减系数,可由下式求得:

式中,u1为分子散射系数;k1为分子吸收系数;u2为气溶胶散射系数;k2为气溶胶吸收系数。

2.2 大气的吸收

大气的吸收作用主要表现为分子线吸收作用,当激光信号在低层大气中传播时尤为明显,当高度在20km以下时,吸收作用可近似由洛仑兹线型给出:

当高度在20km～60km时,吸收作用可近似由伏格脱线型给出:

当高度在60km以上时,吸收作用可由多普勒展宽线型给出:

式中,M为分子质量;v为激光的波数;v0为激光谱线的中心波数;S为谱线的积分强度;γL为洛仑兹线半宽度。

2.3 大气分子的散射

大气散射可分为瑞利散射和米氏散射,当光的波长远大于粒子尺寸时,其体积散射表现为瑞利散射:

式中,n为粒子的折射率;λ为激光的波长;NS为粒子数密度。

3 模型仿真及分析

本文中用MAT LAB分别取高度h=30km和h=60km对模型进行仿真,得到蓝绿激光大气衰减仿真结果如图1～2所示。

从仿真结果看,蓝绿激光在大气衰减信道中传播时,其总的衰减不大,约在(0.9～1)db之间。在30km以上的高空,由于大气十分稀薄,大气的吸收、散射作用应该十分不明显,仿真的结果也验证了这一点:在30km以上大气的衰减几乎为0。当高度小于30km时,由于大气密度的增加,衰减会急剧减小,且越靠近海平面,衰减越严重。从仿真结果看,高度在10km以下时,衰减尤为明显,因此处是大气层中的对流层,空气较为稠密。在接近海平面时,大气衰减可达到0.9db以上。

4 结语

本文分析了大气衰减信道中影响蓝绿激光通信的三种因素,在分析的基础上提出了相应的数学模型,并对模型进行了相应的仿真分析,仿真结果与实际情况较为相符。蓝绿激光通信是一种非常有应用前景的通信方式,其在大气中的传播还会受到大气折射,大气湍流等的影响,在后续的工作中将进行研究。

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