室外大气折射率结构常数实时测量研究*

陆泽辉，郭振锋，孟森森，刘 波,3，刘海锋,3，林 炜,3，姚 远，郭 盟

室外大气折射率结构常数实时测量研究*

陆泽辉1,2，郭振锋1,2，孟森森1,2，刘 波1,2,3，刘海锋1,2,3，林 炜1,2,3，姚 远1,2，郭 盟1,2

（1 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所 天津 300350 2 天津市光电传感器与传感网络重点实验室 天津 300350 3 南方海洋科学与工程广东重点实验室（珠海） 珠海 519000）

与传统的射频链路相比，自由空间光通信FSOC（Free Space Optical Communication）系统是对现有无线通信技术的有力补充，为了抑制大气湍流对信号光束带来的相位噪声和强度波动，有必要对通信信道状况进行实时监测。首先介绍了基于光斑质心漂移的大气折射率结构常数测量方法，利用大口径接收靶面和窄带滤光片，结合实时图像处理算法，实现了大气折射率结构常数的全天候实时监测。将大气折射率结构常数和光强闪烁指数进行了比较分析，测量结果表明它们的包络之间具有很好的线性关系，进一步验证了实时测量系统的可靠性。

光通信；折射率结构常数；实时监测；光强闪烁

引 言

自由空间光通信FSOC（Free Space Optical Communication）技术作为不同于光纤通信技术的新型高速无线通信技术，具有超过半个世纪的研究历史，以光波作为载波在空间中实现高速无线通信，在民用和军事环境中都有广泛的应用前景。FSOC系统与传统的射频通信系统相比具有许多显著的优势，包括高带宽、频谱资源丰富、适用于任何通信协议、低截获率，是建设空间高速信息公路不可或缺的手段。与光纤通信技术相比，具有低成本、快速部署无需铺设管线、有效载荷小等特点，可以在空对地、空对空等光纤通信技术无法满足的场景下得到应用。同时，随着人工智能、云计算、无人驾驶等新兴业务对网络带宽需求的激增，现行微波通信受频率资源的限制已远不能满足未来宽带数据传输与中继的需求。因此，在民用方面，FSOC是解决物联网大数据时代海量数据传输瓶颈的最具竞争力的技术手段。同时在军事方面，FSOC也是未来战场高速数据快速链路通信和“空天一体化通信网络”的核心技术，是“十四五”时期乃至更长时间内的新一代通信技术竞争的新战场。

但是，FSOC面临的一个基本问题是自由空间信道的不稳定性、随机性和不可控性，其对系统性能起着至关重要的作用。以大气环境下的FSOC为例，由地面和大气之间对流引起的大气湍流，严重地影响着激光束的相位和振幅，引起光束波前畸变、光强闪烁、质心漂移、到达角起伏等一系列效应[1]。这些效应最终将导致光信号强度随机起伏幅度超过系统判决能力，导致通信系统性能的急剧恶化，严重时甚至将导致通信中断，极大地限制了FSOC的传输距离和通信容量，影响系统稳定性。

大气折射率结构常数是描述大气湍流状态最为重要的光学参数，其随地理位置、高度、气象条件和昼夜条件等环境参量随机变化，对于特定应用场景和环境，其估算和精确测量方法是保证激光通信系统可靠性的重要前提，对大气激光通信系统的研究具有重要意义。目前，常见的仪器有利用光强闪烁效应反演折射率结构常数的大口径闪烁仪，以及利用不同高度温差测量的温度脉动仪。文献[2]通过大口径闪烁仪和温度脉动仪分别测量了新疆戈壁地区地面折射率结构常数，两者具有较好的相关性。文献[3]测量了成都和茂名两处的大气折射率结构常数，发现由于地理位置和环境的差异，大气光学参数也表现出不同的特征。

1 基于光斑质心漂移的大气折射率结构常数实时测量

1.1 测量方法

其中是空间频率。但是该模型理论上只在惯性子区间1/0≪≪ 1/0上有效，且通常假设外部尺度0是无限的，而内部尺度0可以忽略不计，因此实际上被广泛地使用在各个模型中。在Kolmogorov均匀且各项同性的湍流假设下，利用Rytov微扰理论，根据四阶矩函数可以得到以下结论，当光束的对数振幅方差足够小时，将由式（2）给出光强闪烁因子[5]：

故在测量系统参数已知的情况下，只需要知道光强闪烁方差和质心漂移方差即可得到当前空间链路下的大气折射率结构常数。

1.2 测量方案

实验设置如图1所示，实验地点为南开大学电光学院东楼，实验设备架设在离地10 m的楼层中庭，中庭长边水平距离约为62.4 m。基于质心漂移和光强闪烁对大气折射率结构常数进行了实时测量。为了增加链路长度的同时减小由于发射激光器自身不稳定性带来的误差，在中庭的一端放置50.8 mm大口径反射镜（远大于光束直径），将有效链路长度增加至124.8 m。值得注意的是，对于光强闪烁的测量方法，在强湍流或长距离的条件下，将会发生光强闪烁的饱和，此时对数振幅方差和光强闪烁方差不再是线性关系。

图1 大气折射率结构常数测量方案示意图

实验中激光器光源输出波长为1 548.15 nm连续光，发射功率约为1 mW，通过单模光纤与42.5 mm口径准直器相连，输出准直空间光束出口直径约14.5 mm。可以计算出口光束对应的瑞利距离约427 m。因此，在124.8 m的链路长度和有限接受孔径的实验条件下，我们后续可以将准直的激光束看作平面波来处理。对于光束质心漂移效应的测量，有研究表明，位置敏感二极管PSD（Position Sensitive Diode）和电荷耦合器件CCD（Charge-Coupled Device）相比，PSD需有比CCD更高的灵敏度才能实现精确测量[7]，而这一点通常很难满足，所以选择CCD相机作为测量仪器。

此外，由于CCD相机在400 nm～2 200 nm（即可见–红外）波段均可工作，为了实现全天候尤其是白天的光束漂移和光强闪烁的实时测量，那么需要排除环境光照的影响。为了尽可能消除环境杂散光的影响，在CCD相机前放置了一个中心波长为1 550 nm、带宽为20 nm的红外光滤波片，可以将大部分可见波段杂散光滤除。最后，接收端光束光斑的强度由CCD以60 Hz的采样率被实时记录，通过光斑质心和光强闪烁结合光在湍流中的传输理论的实时测量和处理得到每分钟的大气折射率结构常数。对于强度加权质心的测量，通过式（5）进行计算：

其中(,)为在笛卡尔坐标系(,)下CCD相机所记录的光斑强度值。

从全固态离子选择性电极信号传递原理看，固体接触材料除了可利用纳米材料较大电容性在离子选择膜和电子导体之间发挥离子到电子传导作用外，还可以借助疏水的导电高分子材料通过发生氧化还原反应(或掺杂反应)将扩散到电极的离子转化为电子，继而通过导电基底。

2 实验结果

2.1 夜间、白天光斑质心漂移对比

大气湍流中的折射率起伏会导致光斑质心漂移、光束扩展、光强闪烁和到达角起伏等现象，造成激光在传输过程中稳定性和相干性的降低，影响大气激光通信系统的性能。为了对比不同湍流环境下的大气折射率结构常数测量结果，分别在夜间04:55和白天10:25测量了信标光的质心漂移和光强起伏，测量持续1 min。如图2所示，图中上方是夜间和白天的质心散点图，由散点坐标计算出质心漂移方差分别为1.68×10–10m2和2.66×10–10m2。夜间光斑质心的横坐标漂移范围大致为50 μm，纵坐标漂移范围大致为80 μm，理想情况下光斑质心的漂移应满足高斯分布，测量结果中水平和垂直方向上质心的运动状态不一致可能是由垂直方向上的风速引起的。当风速为时，根据泰勒的湍流冻结假设[8]，在风速切线方向上会引入额外的质心运动。白天光斑质心的横、纵坐标漂移范围大约都为80 μm，质心漂移方差白天是夜间时的1.58倍。根据式（4）计算得到夜间04:55～04:56时间段的大气折射率结构常数为1.58×10–17m–2/3，对应弱湍流环境；白天10:25～10:26时间段的为1.09×10–16m–2/3，对应中等湍流环境。这和先前12 km远距离FSOC通信系统的测量结果相符，先前的FSOC通信数据表明，夜间相较于白天BER更低，相应的湍流强度较弱。

图2 夜间和白天短时间内的测量结果

2.2 实时测量结果

图3 实时测量结果

对比大气折射率结构常数和归一化光强闪烁指数的四阶正弦拟合曲线，可以发现它们的包络具有一定的相似性，其中白天测量结果的包络相似性尤为明显。对于理想平面波，在弱湍流近似下，闪烁指数和折射率结构常数之间的关系可由式（3）描述，它们拟合曲线包络的相似性很好地说明了式（3）、式（4）所表述的线性关系。全天大气折射率结构常数测量值的归一化概率密度直方图如图3（b）所示，显示出明显的单峰特征。计算得出整个直方图中大气折射率结构常数测量值的中位数为3.39×10–17m–2/3，平均值为2.63×10–17m–2/3，这对于陆地FSOC路径来说是相对较低的，属于较弱湍流链路环境。

3 结束语

基于信标光束的光斑质心漂移，搭建了一套大气折射率结构常数实时测量系统，成功用于125 m空间范围内的大气湍流强度测量。利用大口径接收靶面和窄带滤光片，使得测量系统能够长时间工作，保证了大气折射率结构常数的鲁棒性。基于实时图像处理算法，在接收端实现了大气折射率结构常数的实时测量、采集。最后，将大气折射率结构常数和归一化光强闪烁指数进行了比较分析，全天的测量结果表明，它们的包络之间具有很好的线性关系。

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Real time measurement of outdoor atmospheric refractive index structure constant

LU Zehui1,2, GUO Zhenfeng1,2, MENG Sensen1,2, LIU Bo1,2,3, LIU Haifeng1,2,3, LIN Wei1,2,3, YAO Yuan1,2, GUO Meng1,2

（1. Institute of Modern Optics, College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China;2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology, Tianjin 300350, China;3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Zhuhai 519000, China）

Compared with the traditional radio frequency link, free space optical communications (FSOC) system is a powerful supplement to existing wireless communications technology. In order to suppress the phase noise and intensity fluctuation of signal beam caused by atmospheric turbulence, it is necessary to monitor the condition of channel link in real time. Firstly, the measurement method of atmospheric refractive index structure constant based on spot centroid drift is introduced. All-day real-time monitoring of atmospheric refractive index structure constant is realized by using large aperture receiving target and narrow band filter combined with real-time image processing algorithm. Refractive index structure constant and intensity scintillation index are compared and analyzed. The measurement results show that there is a good linear relationship between their envelopes, which further verifies the reliability of our real-time measurement system.

Optical communications; Refractive index structure constant; Real-time monitoring; Intensity scintillation

TN929.12

A

CN11-1780(2022)04-0031-06

10.12347/j.ycyk.20211228002

陆泽辉, 郭振锋, 孟森森, 等.室外大气折射率结构常数实时测量研究[J]. 遥测遥控, 2022, 43(4): 31–36.

10.12347/j.ycyk.20211228002

: LU Zehui, GUO Zhenfeng, MENG Sensen, et al. Real time measurement of outdoor atmospheric refractive index structure constant[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(4): 31–36.

国家重点研发计划（2018YFB1802302）；国家自然科学基金（61875091）；天津市高层次创新创业团队项目

刘波（liubo@nankai.edu.cn）

2021-12-28

2022-01-13

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

陆泽辉 1999年生，博士研究生，主要研究方向为自由空间光通信和特种光束设计及关键技术。

郭振锋 1998年生，硕士研究生，主要研究方向为自由空间光通信和时频传递。

孟森森 1997年生，硕士，主要研究方向为光通信和时频传递系统设计及关键技术。

刘 波 1975年生，教授，博士生导师，主要研究方向为现代光通信、光纤传感和时频传递。

刘海锋 1986年生，博士，实验师，主要研究方向为光纤传感和光纤通信。

林 炜 1988年生，博士后，讲师，主要研究方向为光纤光子学和全息技术。

姚 远 1991年生，博士后，主要研究方向为集成光学与光通信传感技术。

郭 盟 1992年生，博士研究生，主要研究方向为光通信技术。

(本文编辑：傅 杰)