近海层大气湍流对舰船激光通信的影响

郭 谊，隋 波

(1．海军大连舰艇学院，辽宁大连116000;2．海军驻大连地区军事代表室，辽宁 大连116000)

近海层大气湍流对舰船激光通信的影响

郭 谊1，隋 波2

(1．海军大连舰艇学院，辽宁大连116000;2．海军驻大连地区军事代表室，辽宁 大连116000)

近海层大气湍流对舰船激光通信有重要的影响。本文基于Kolmogorov和Rytov大气湍流理论，推导适用于描述强、弱湍流条件下信噪比及误码率的理论模型，结合舰船通信的物理条件进行数值仿真，同时分析在相应湍流强度下大气湍流对不同波长激光通信性能指标的影响，并提出提高通信质量的措施。

近海层大气湍流;激光通信;对数振幅起伏

0 引言

近年来，随着海洋大气边界层各气象要素观测资料的逐步健全，对热带海洋大气边界层湍流结构、湍流输送特征的研究也取得重大突破。同时，自由空间光通信由于具有容量大、数据率高、体积重量小、抗电磁干扰能力强、保密性好、成本低等优点，从而使激光通信在近海层的实际应用也越来越广泛。因此研究近海层大气湍流特性对激光链路通信的影响具有重要意义。本文通过对不同大气湍流强度下激光通信链路性能指标 (信噪比和误码率)的数值仿真，分析了引起性能下降的主要因素，并提出改善措施。

1 近海层大气湍流

近海层大气湍流交换过程是指海气相互作用，海洋与大气之间的动量、能量和物质的湍流交换与近海层的大气湍流结构有密切的关系。而由海面大气运动产生的大气湍流会引起大气的光学折射率出现随机变化，从而导致大气传播的激光出现光束漂移、光强闪烁、光路扩展等现象，引起光信号接收受到干扰并且扩大通信误码率，从而严重影响舰船大气激光通信的稳定性和可靠性。因此在设计舰船激光通信链路时，必须对具体传输环境中大气对激光通信的影响进行研究分析。

2 传输过程模拟

激光在近海面大气信道中传输，大气湍流对其影响可以用Kolmogorov和Rytov的理论进行模拟。基于Rytov理论，平面波在自由介质中的传播公式为：

式中：A0(r)为激光在无大气湍流条件下的振幅;E0(r)为激光电磁场分布;φ0为光波相位。而大气湍流折射率变化引起的光强起伏是影响光信号削弱的最重要因素，即大气折射率的改变引起激光光束分布的变化。具体传播方程可表示为：

其中A(r)为激光光束在湍流中传输时的振幅。式中的Φ为：

式中：χ为大气湍流引起的对数振幅起伏;ξ为光波相位起伏。

2.1 弱湍流情况

弱湍流是指大气折射率常数C2n≤10－14m－2/3时，对于平面波，假设折射率常数关于光路对称，则其对数光强起伏方差为：

若只考虑由大气湍流引起的噪声，水平传输时的对数振幅为：

式中：Ai(r)为噪声振幅;ε=Ai(r)/A0(r)为噪声与信号的振幅比。

由于ε很小，χ=ln(1+ε)≈ε。对平面波 ＜ε2＞=＜χ2＞=0.31C2nk7/6L11/6，系统的信噪比为：

式中：I0为信号强度;＜Ii＞为噪声强度的系统平均。

系统误码率为：

因此，在大气湍流噪声较小的条件下，近海面舰船激光通信的信噪比和误码率都随大气湍流的对数振幅起伏而变化。

2.2 强湍流情况

当折射率结构常数C2n≥10－14m－2/3时，大气湍流为强湍流，ε不能忽略，χ=ln(1+ε)⇒ε=eχ－1，利用泰勒级数对f(χ)=eχ－1进行展开，可以得到：

其中α为闪烁强度因子。

因此，在强大气湍流条件下，近海面舰船激光通信的信噪比不仅与大气湍流的对数振幅起伏有关，还与闪烁强度因子有关，其变化趋势更为剧烈。

2.3 大气折射率结构常数

由式(6)及上述推导过程不难看出，实际环境中的大气折射率是激光链路通信性能的重要影响因素，它可以用来表示湍流的强度。假设激光传输按水平进行，并且其传输路径均匀，则C2n(h)为常数。目前大气湍流模型分以下2种情况：

1)弱湍流的Modified HV模型

2)强湍流的HV21模型

2.4 激光波段的选择

激光通信易受气候的影响，而海面出现的大雾、雨滴等因素都会对激光通信的作用距离产生较大的影响。当激光通过由大气分子、水蒸气及杂质微粒混合组成的海面上空大气时，大气中的各种组成成分对光波产生了强烈的吸收作用。由文献 ［2］可知，0.72～15.0 μm波段的激光通过大气时的透射情况不一样，明显存在几个激光传输透射效果比较好的波段。海上舰－舰激光通信的波长选择在0.85 μm，1.06 μm，1.55 μm 等。

3 模拟与分析

基于上述理论模型，为仿真近海面大气湍流对舰船激光通信系统误码率和信噪比的影响，选择在850 nm，1 064 nm，1 550 nm等不同激光波长下研究分析激光受到近海面大气湍流的影响。根据实际工作环境，假设舰载激光设备海拔高度6 m，传输距离2 km进行模拟。

图1是在弱湍流情况下对于不同波长激光通信的误码率和信噪比。通过对比各项参数可以看出，对于不同波长的近海面激光通信，在传输相同距离时，波长越大误码率越低，信噪比越大。而相同信噪比下，波长越大，其传输距离越远。在达到最低通信误码率条件下，850 nm，1 064 nm，1 550 nm的激光通信有效距离分别为3.4 km，3.9 km和4.5 km。

图1 弱湍流激光通信的误码率和信噪比Fig.1 SNR and BER of optical communication in weak turbulence

图2 强湍流激光通信的误码率和信噪比Fig.2 SNR and BER of optical communication in strong turbulence

图2是在强湍流情况下对于不同波长激光通信的误码率和信噪比。与图1对比可知，其通信性能变化趋势一致，但其影响变化幅度更大，说明在强湍流情况下激光通信所受的影响更大。以波长为850 nm的激光为例，弱湍流模式下传输距离3.5 km时，其误码率超过了10－9，通信中断;而在强湍流模式下，传输1 km就会因为误码率太大而无法通信。所以在近海层传输通道中，大气湍流对激光通信的影响不能忽视。

4 结语

本文主要研究了激光在水平传输时由大气湍流引起的激光通信系统的强度起伏、信噪比和误码率，并通过Matlab对近海层具体环境参数模拟。结果表明：在弱湍流条件下，对于通信误码率为10－9的要求，大气折射率应小于9.33×10－15;随着大气湍流强度的增加，通信误码率明显增大，在这种情况下采用波长较大的激光波段进行传输，可以有效降低系统误码率，增加舰船之间的通信传输距离。

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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

郭谊(1980－)，男，工程师，从事舰艇通信指挥教学。