大气激光通信链路功率分析研究
2014-11-07 04:46刘坤明张立中
科技资讯 2014年9期
刘坤明++张立中
摘 要：在现代激光通信传输中，大气对光传输过程中的衰减和起伏影响，已严重影响了激光通信的发展。为提高通信距离、速率和通信质量，抑制大气对激光通信的不利影响是十分重要的。本文针对野战激光通信环境，对激光在大气中的传输模型进行通信链路功率计算，对大气对光功率的衰减和损耗进行了分析，为实际大气激光通信的应用提供一定的理论依据。
关键词：大气激光通信 大气衰减 通信链路功率
中图分类号：TN929.12 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2014）03（c）-0001-02
在通信手段不断更新换代的今天，微波通信和光纤通信已经发展的越来越成熟，但是，考虑现代战争对通信手段的需求，与这两种通信相比，激光通信正越来越凭借其独特的优势，崭露头角。随着电磁干扰的不断升级，在战时条件下，复杂的战场环境，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，更好的抗电磁干扰能力，必将成为未来战争中的重要通信手段，对取得未来战争中的制信息权有着重要地位[1]。
但是激光通信受环境条件制约，通信中必须满足通视条件，且光在大气中传输，大气引起的光强闪烁、光强衰减等都对光通信产生较大影响。因此，对通信链路的光功率计算是十分必要的。
激光在大气中传输，受大气的影响较大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
本文以一种野战用激光通信光端机的参数为计算模型，对大气信道下通信链路的光功率进行分析计算。激光通信既是信息传递系统，又是能量传递系统[2]。对系统中的圆形光斑，大气激光通信链路传输方程可简单描述为：
（1）
其中，为光端机接收功率，为发射功率，=43 mm为小口径接收光学天线孔径，=1.8 mrad为激光发射光束束散角，为大气衰减系数（NP/Km），、为接收、发射光学系统透过率，=10 km为传输距离。各分量如下：
（1）发射功率：；
（2）发射、接收光学系统透过率分别为：=0.8，=0.8；
（3）几何衰减
；
（4）大气衰减损耗。
激光在大气中传输，受大气的影响较大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
大气中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，从 um到 um，对光的散射存在一定的随机性，因此不同大小粒子造成的散射对光的影响的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分类，对粒子半径≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，称为散射；当 um时，适用米氏定律，称为散射。
（1）散射。
对粒子尺寸较小，粒子半径，时，产生散射，为单位体积内粒子数，其散射系数为[4]：
为折射率，为波长，一般理想大气条件下，散射系数：
可以看出，散射的一个最大特点是散射强度和波长的四次方成反比，散射的散射系数可表示为：
其中，为大气折射率，为单位体积内的分子个数，为入射光波的波长，为散射的退偏振因子，通常为0.035。
（2）Mie米氏散射。
Mie散射理论即球体粒子的光散射理论，在大气近地面的散射一般都为Mie散射，造成Mie散射的悬浮粒子直径和波长相当，主要由大气气溶胶粒子引起，且其散射强度要比散射强的多。目前常用的相函数[5]：
为散射角，是的平均值。此函数的好处在于函数相对简单，能较好描述Mie散射前向散射的特点。
这里根据各影响的参数，依据传输时具体情况，对大气衰减损耗进行计算，激光传输中大气造成衰减的衰减系数为，其中为大气分子吸收系数，为悬浮微粒的吸收系数，为气体分子散射系数，为悬浮微粒的散射系数，对于本实验通信环境，主要衰减是Mie散射。
的经验公式为：，
其中为能见度（Km），为激光波长（），q值根据可见度不同选取如下：
根据实验现场背景条件，能见度为：25Km，则；所以大气衰减损耗为：
实验中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。计算结果如表1所示。
由表1可知，实际接收功率大于探测器灵敏度，传输距离10 km时，系统仍可正常进行正常工作。对系统的正常工作性进行了验证。
本文针对一种实际野战激光通信用光端机的参数为模型，对大气激光通信链路功率进行了计算，作为一种简单模型的功率计算，可以对系统的合理性和光端机关键器件的选择都用很大的指导意义。
参考文献
[1] 赵尚弘，吴继礼，李勇军，等.卫星激光通信现状与发展趋势[J].激光与光电子学进展，2011，9：28-42.
[2] 徐亚宁.激光波束扫描与通信目标捕获问题的研究[J].无线光通信，2008：57-59.
[3] 柯熙政，席晓莉.无线激光通信概论[M].北京：北京邮电大学出版社，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：在现代激光通信传输中，大气对光传输过程中的衰减和起伏影响，已严重影响了激光通信的发展。为提高通信距离、速率和通信质量，抑制大气对激光通信的不利影响是十分重要的。本文针对野战激光通信环境，对激光在大气中的传输模型进行通信链路功率计算，对大气对光功率的衰减和损耗进行了分析，为实际大气激光通信的应用提供一定的理论依据。
关键词：大气激光通信 大气衰减 通信链路功率
中图分类号：TN929.12 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2014）03（c）-0001-02
在通信手段不断更新换代的今天，微波通信和光纤通信已经发展的越来越成熟，但是，考虑现代战争对通信手段的需求，与这两种通信相比，激光通信正越来越凭借其独特的优势，崭露头角。随着电磁干扰的不断升级，在战时条件下，复杂的战场环境，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，更好的抗电磁干扰能力，必将成为未来战争中的重要通信手段，对取得未来战争中的制信息权有着重要地位[1]。
但是激光通信受环境条件制约，通信中必须满足通视条件，且光在大气中传输，大气引起的光强闪烁、光强衰减等都对光通信产生较大影响。因此，对通信链路的光功率计算是十分必要的。
激光在大气中传输，受大气的影响较大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
本文以一种野战用激光通信光端机的参数为计算模型，对大气信道下通信链路的光功率进行分析计算。激光通信既是信息传递系统，又是能量传递系统[2]。对系统中的圆形光斑，大气激光通信链路传输方程可简单描述为：
（1）
其中，为光端机接收功率，为发射功率，=43 mm为小口径接收光学天线孔径，=1.8 mrad为激光发射光束束散角，为大气衰减系数（NP/Km），、为接收、发射光学系统透过率，=10 km为传输距离。各分量如下：
（1）发射功率：；
（2）发射、接收光学系统透过率分别为：=0.8，=0.8；
（3）几何衰减
；
（4）大气衰减损耗。
激光在大气中传输，受大气的影响较大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
大气中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，从 um到 um，对光的散射存在一定的随机性，因此不同大小粒子造成的散射对光的影响的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分类，对粒子半径≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，称为散射；当 um时，适用米氏定律，称为散射。
（1）散射。
对粒子尺寸较小，粒子半径，时，产生散射，为单位体积内粒子数，其散射系数为[4]：
为折射率，为波长，一般理想大气条件下，散射系数：
可以看出，散射的一个最大特点是散射强度和波长的四次方成反比，散射的散射系数可表示为：
其中，为大气折射率，为单位体积内的分子个数，为入射光波的波长，为散射的退偏振因子，通常为0.035。
（2）Mie米氏散射。
Mie散射理论即球体粒子的光散射理论，在大气近地面的散射一般都为Mie散射，造成Mie散射的悬浮粒子直径和波长相当，主要由大气气溶胶粒子引起，且其散射强度要比散射强的多。目前常用的相函数[5]：
为散射角，是的平均值。此函数的好处在于函数相对简单，能较好描述Mie散射前向散射的特点。
这里根据各影响的参数，依据传输时具体情况，对大气衰减损耗进行计算，激光传输中大气造成衰减的衰减系数为，其中为大气分子吸收系数，为悬浮微粒的吸收系数，为气体分子散射系数，为悬浮微粒的散射系数，对于本实验通信环境，主要衰减是Mie散射。
的经验公式为：，
其中为能见度（Km），为激光波长（），q值根据可见度不同选取如下：
根据实验现场背景条件，能见度为：25Km，则；所以大气衰减损耗为：
实验中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。计算结果如表1所示。
由表1可知，实际接收功率大于探测器灵敏度，传输距离10 km时，系统仍可正常进行正常工作。对系统的正常工作性进行了验证。
本文针对一种实际野战激光通信用光端机的参数为模型，对大气激光通信链路功率进行了计算，作为一种简单模型的功率计算，可以对系统的合理性和光端机关键器件的选择都用很大的指导意义。
参考文献
[1] 赵尚弘，吴继礼，李勇军，等.卫星激光通信现状与发展趋势[J].激光与光电子学进展，2011，9：28-42.
[2] 徐亚宁.激光波束扫描与通信目标捕获问题的研究[J].无线光通信，2008：57-59.
[3] 柯熙政，席晓莉.无线激光通信概论[M].北京：北京邮电大学出版社，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：在现代激光通信传输中，大气对光传输过程中的衰减和起伏影响，已严重影响了激光通信的发展。为提高通信距离、速率和通信质量，抑制大气对激光通信的不利影响是十分重要的。本文针对野战激光通信环境，对激光在大气中的传输模型进行通信链路功率计算，对大气对光功率的衰减和损耗进行了分析，为实际大气激光通信的应用提供一定的理论依据。
关键词：大气激光通信 大气衰减 通信链路功率
中图分类号：TN929.12 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2014）03（c）-0001-02
在通信手段不断更新换代的今天，微波通信和光纤通信已经发展的越来越成熟，但是，考虑现代战争对通信手段的需求，与这两种通信相比，激光通信正越来越凭借其独特的优势，崭露头角。随着电磁干扰的不断升级，在战时条件下，复杂的战场环境，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，更好的抗电磁干扰能力，必将成为未来战争中的重要通信手段，对取得未来战争中的制信息权有着重要地位[1]。
但是激光通信受环境条件制约，通信中必须满足通视条件，且光在大气中传输，大气引起的光强闪烁、光强衰减等都对光通信产生较大影响。因此，对通信链路的光功率计算是十分必要的。
激光在大气中传输，受大气的影响较大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
本文以一种野战用激光通信光端机的参数为计算模型，对大气信道下通信链路的光功率进行分析计算。激光通信既是信息传递系统，又是能量传递系统[2]。对系统中的圆形光斑，大气激光通信链路传输方程可简单描述为：
（1）
其中，为光端机接收功率，为发射功率，=43 mm为小口径接收光学天线孔径，=1.8 mrad为激光发射光束束散角，为大气衰减系数（NP/Km），、为接收、发射光学系统透过率，=10 km为传输距离。各分量如下：
（1）发射功率：；
（2）发射、接收光学系统透过率分别为：=0.8，=0.8；
（3）几何衰减
；
（4）大气衰减损耗。
激光在大气中传输，受大气的影响较大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、大气击穿和受激拉曼散射效应。
大气中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，从 um到 um，对光的散射存在一定的随机性，因此不同大小粒子造成的散射对光的影响的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分类，对粒子半径≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，称为散射；当 um时，适用米氏定律，称为散射。
（1）散射。
对粒子尺寸较小，粒子半径，时，产生散射，为单位体积内粒子数，其散射系数为[4]：
为折射率，为波长，一般理想大气条件下，散射系数：
可以看出，散射的一个最大特点是散射强度和波长的四次方成反比，散射的散射系数可表示为：
其中，为大气折射率，为单位体积内的分子个数，为入射光波的波长，为散射的退偏振因子，通常为0.035。
（2）Mie米氏散射。
Mie散射理论即球体粒子的光散射理论，在大气近地面的散射一般都为Mie散射，造成Mie散射的悬浮粒子直径和波长相当，主要由大气气溶胶粒子引起，且其散射强度要比散射强的多。目前常用的相函数[5]：
为散射角，是的平均值。此函数的好处在于函数相对简单，能较好描述Mie散射前向散射的特点。
这里根据各影响的参数，依据传输时具体情况，对大气衰减损耗进行计算，激光传输中大气造成衰减的衰减系数为，其中为大气分子吸收系数，为悬浮微粒的吸收系数，为气体分子散射系数，为悬浮微粒的散射系数，对于本实验通信环境，主要衰减是Mie散射。
的经验公式为：，
其中为能见度（Km），为激光波长（），q值根据可见度不同选取如下：
根据实验现场背景条件，能见度为：25Km，则；所以大气衰减损耗为：
实验中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。计算结果如表1所示。
由表1可知，实际接收功率大于探测器灵敏度，传输距离10 km时，系统仍可正常进行正常工作。对系统的正常工作性进行了验证。
本文针对一种实际野战激光通信用光端机的参数为模型，对大气激光通信链路功率进行了计算，作为一种简单模型的功率计算，可以对系统的合理性和光端机关键器件的选择都用很大的指导意义。
参考文献
[1] 赵尚弘，吴继礼，李勇军，等.卫星激光通信现状与发展趋势[J].激光与光电子学进展，2011，9：28-42.
[2] 徐亚宁.激光波束扫描与通信目标捕获问题的研究[J].无线光通信，2008：57-59.
[3] 柯熙政，席晓莉.无线激光通信概论[M].北京：北京邮电大学出版社，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
