气象条件对大气激光通信影响研究*

李日永　金　芳　程　芳

(91404部队　秦皇岛　066000)

气象条件对大气激光通信影响研究*

李日永金芳程芳

(91404部队秦皇岛066000)

摘要激光通信对大气信道十分敏感，文章分析了雾和雨对激光衰减的影响原理，给出了影响表达式，分析了大气湍流中光强起伏和光束漂移对激光衰减的影响原理，提出了修正衰减的方法，给出了适合激光通信的气象条件建议。

关键词激光通信; 气象条件; 衰减; 大气湍流; 光强起伏; 光束漂移

Class NumberTN929.11

1引言

激光通信与传统的射频通信系统相比，具有通信频带宽、信息容量大、抗干扰抗截获能力强等突出优点，在军事保密通信、军事抗干扰通信等方面有着非常广泛的应用前景[1]。但由于激光信号在大气自由空间中长距离传输过程中将会受到能量损失，接收信号非常微弱，而且光发散角非常小，光束在传输过程中受到例如雾、雨、大气湍流及其它因素的影响，因此很难保证激光通信在长距离通信时的准确性。尤其对于近海和海上地区，气象条件变化很快，且有时非常恶劣，为了保证和提高激光通信的准确性，我们必须研究激光通信过程中气象条件对其的影响。

2雾和雨对光衰减的影响分析

2.1雾对光衰减的影响分析

在激光通信系统激光传输过程中，雾导致的激光衰减包括吸收和散射。气象学上认为悬浮在大气中的固态粒子或液态小滴物质统称为雾，雾是由悬浮在大气中的微小液滴(直径<100μm)构成的气溶胶。根据雾的大小可以分为三类：薄雾、中雾和浓雾。中雾的液滴密度约为0.05g/m3(能见度约为300m)，浓雾的液滴密度约为0.5g/m3(能见度约为50m)，有时严重浓雾天气的能见度会降到仅有几米。随着液滴密度的增加，衰减作用会越来越大。在浓雾天气，大气信道中的激光能量会受到严重衰减，激光信号将会被淹没在背景噪声中，通信链路受到严重干扰[2]。

激光信号在大气信道中传输过程中，由于气溶胶粒子等散射元的作用而发生散射[3]。按照激光波长和散射粒子的关系，可将散射分为：1)瑞利散射：当大气中的分子或气溶胶粒子直径远小于传输激光波长是为瑞利散射，通常情况下，瑞利散射发生在高空大气层；2)米氏散射：当大气中的分子或气溶胶粒子直径和激光波长相近是，为米氏散射；3)无选择性散射：当大气中的分子或气溶胶粒子直径远大于传输激光波长时，所发生的是无选择性散射，其特点是散射程度与波长无关，而且前向散射很强。一般情况下雾的粒子直径在5～100μm之间[4]对大气激光通信系统的影响主要考虑米氏散射。

米氏散射引起的衰减系数表达式为

(1)

式中，V是大气能见度(Km)，λ是激光工作波长(m)，q是修正因子，是随能见度变化的系数。

由上式可知，大气能见度越高，大气散射引起的衰减越小，工作波长越长，大气散射系数越小。

2.2雨对光衰减的影响分析

降雨是一种非常常见的天气现象，一般将降雨等级分为小雨、中雨、大雨、暴雨等。雨的大小取决于降雨量R(mm/h)。在降雨过程中，小雨时的能见度较低，而大雨时的能见度却高于小雨[5]的直径是雾滴的上千倍，因此雨的间隙非常大，所以雨天的能见度要比雾天好得多，激光在雨中仍有较高的透射率。

按照激光波长和散射粒子的关系，雨对激光传输的影响与雾不同，其发生的是无选择性散射，雨滴对激光的散射与波长无关。激光在雨中的衰减只与降雨量有关，一般用消光系数表示为[6]

(2)

式中，σ是消光系数(dB/Km)；R是降雨速率(mm/h)。

3大气湍流对光通信衰减的影响分析

大气激光通信过程中的大气湍流导致光强起伏和光束漂移。大气湍流是由于大气中风速的随机变化引起的，产生于不均匀的太阳辐射、气温及压力。例如，大气温度的随机变化导致空气密度的随机变化，从而导致大气折射率的随机变化[7]。不同变化导致的大气折射率的累加不是恒定的，直接导致接收的激光信号随空间和时间的随机起伏，这种起伏是大气湍流影响的显著标志。

3.1光强起伏和光束漂移对激光衰减的影响

光强起伏被描述为大气湍流导致不均匀的信道折射率的起伏，折射率的变化导致光强随时间和空间的随机变化。在某些方向的光闪烁，导致接收信号信噪比的下降以及激光通信误码率的增加，这就是光强闪烁。在以下情形下光强闪烁最为严重，如空气湿度相对增大、空气温度较高、太阳直射区域、雾开始消散、雨过天晴以及通信链路在温度较高时经过河、湖、海洋。

当传输激光的直径小于湍流直径时，光束包裹在湍流漩涡里，湍流的主要作用体现在光束的随机偏差上[8]。所以，在接收端，光束斑点集中于一个相对的中心位置，快速随机摇摆，称为光束偏差，这种偏差可以用数学表达式表示。如果将光束看作为一个整体，平均方位将会变化很大，这叫做光束漂移。光束漂移用来表达激光传播过程中的大气湍流，与光束直径和湍流大小紧密相关。如果大气湍流很强，光束有可能漂移到可接收范围以外，严重干扰激光通信，导致通信中断。

3.2其它气象条件对大气湍流的影响

对通信质量而言，好的气象条件是指激光衰减很少受天气和大气湍流的影响[9]。通过试验发现，当能见度大于1km时，激光衰减是最小的，通信质量是最好的。

当多云天气或者雨天突然转晴，大气湍流导致的激光能量抖动非常大，因为这种天气情况下，大气和地面的温差非常大，温差导致的大气湍流非常强烈，此时大气湍流的影响也是最大的。在晴朗天气，早晨和傍晚的温差不大，大气信道非常好，正午温差大，光强起伏非常严重，大气湍流效应也非常大。

4光强起伏和光束漂移对激光衰减修正方法

光强起伏、光束漂移和其它大气湍流效应可能同时发生或者部分交叠[10]，对激光通信信道的影响更为严重。使用光学仪器可以集合相同大气信道中传输的不同波长的光束，可以实现相同信道不同波长情况下的通信传输理论研究。试验数据可以用于分析光束漂移和光强起伏，比较分析大气湍流的影响与闪烁光波波长之间的关系，使用不同的公式修正光束漂移和光强起伏。修正光强起伏可以使用两个激光发射器，两个发射光束叠加在同一个接收孔径上，用以降低光强起伏。修正光束漂移可以提供激光的发散角，直至光束偏差在可控范围内，或者采用ATP技术(捕获、跟踪、瞄准技术)。

5结语

大气激光通信以大气作为通信媒质，对天气的依赖非常大。基于文章对典型气象条件对大气激光通信影响的原理分析，不可能完全通过信道编码和增加发射激光功率来克服雾、雨以及大气湍流效应对激光通信链路的影响。本文通过海上实际测试，其测试结果与理论分析吻合，可以得出能见度与消光系数的关系，为激光通信的应用提供了参考。由于对天气的变化不能及时准确的预报，很难保证全天候通信的稳定性和准确性。为了提高通信的可靠性，我们必须根据气象条件的变化，适时地采取其它通信手段进行通信。

参 考 文 献

[1] 姜会林,佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2011：3-5.

[2] 王勇，于蕾.雾对大气激光通信系统的影响及克服方法[J].光子学报，2009,12:22-25.

[3] 白林.激光大气传输理论研究及应用[D].北京：北京邮电大学，2008：25-30.

[4] GEBHART M, LEITGEB E,SHEIKH MUHAMMAD S, etal. Measurement of light attenuation in dense fog conditions for FSO applications[C]//SPIE,2005,5891:1-12.

[5] Cai Xin-mei. Effect of Atmosphere on Laser Communication System[J].ACTA PHOTONICA SINICA,2014,43(7):43-46.

[6] 蒋冰莉，王江安，宗思光.大气传输对激光后向散射式能见度测试的影响及理论研究[J].光学与光电技术，2004,2(6)：8-13.

[7] 张文涛，朱宝华.大气湍流对激光信号传输影响的研究[J].电子科技大学学报，2007,36(4)：31-33.

[8] 邓代竹.大气随机信道对无线激光通信的影响[D].成都：西南交通大学，2004：7-10.

[9] 曾智龙，徐林.天气因素对大气激光通信质量影响分析[J].光通信技术，2009,(10)：56-57.

[10] 刘保菊，张长森.大气湍流对复杂路径下光强起伏及误码率的影响[J].光电技术应用，2007,22(1)：14-16.

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

作者简介：李日永,男,硕士，工程师,研究方向：电子装备试验理论与方法。金芳,女,硕士,助理工程师，研究方向：通信与通信对抗试验方法研究，数据融合处理。程芳,女，硕士，助理工程师，研究方向：数据融合处理。

中图分类号TN929.11

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.036