大气激光传输性能与应用研究

理学院光信息科学与技术0501班学生张瑞东毕业论文第1页共17页济南大学毕业论文用纸大气激光传输性能与应用研究张瑞东（理学院光信息科学与技术0501班，济南250022）指导教师苏永道摘要：大气激光通信为无线通信的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在大气中直接传输,和传统的光端机为载体的通信方式不同。讨论了大气激光传输的衰减性能分析，包括大气气溶胶的霾粒子，降雨，大气散射系数对大气激光传输性能的影响；对大气湍流效应中的光束漂移，像点抖动，强度起伏(大气闪烁)等传输特性进行分析并简要说明解决办法；对大气激光传输的通信链路进行仿真模拟。列出大气激光传输的应用历史，现状及发展前景，展示其巨大的发展潜力。关键词：大气激光；大气激光性能；大气激光应用AtmosphericlasertransmissionperformanceandappliedresearchZhangRuidong(CollegeofOptical，InformationScienceandTechnology0501classes,Jinan250022)SupervisorSuYongdaoAbstract:Atmosphericlasercommunicationforawirelesscommunications,whichtransmitinformationasopticalsignalsofthevector,directtransmissionintheatmosphere,andtraditionalasthecarrieroftheOpticaldifferentmeansofcommunication.Discussionoftheatmosphericattenuationoflasertransmissionperformanceanalysis,includingatmosphericaerosolparticlesofhaze,precipitation,atmosphericscatteringcoefficientofatmospherictransmissionpropertiesofthelaser;effectsofatmosphericturbulenceonthebeamdrift,suchaspoint-jitter,intensityfluctuations(atmosphericscintillation)transmissioncharacteristics,suchasabriefdescriptionoftheanalysisandsolution;ofatmosphericlasertransmissiontothecommunicationlinksimulation.Listedintheapplicationofatmosphericlasertransmissionhistory,currentsituationanddevelopmentprospects,todemonstrateitsgreatpotentialfordevelopment.Keywords:Atmosphericlaser;atmosphericlaserperformance;atmosphericlaserapplication理学院光信息科学与技术0501班学生张瑞东毕业论文第2页共17页济南大学毕业论文用纸1.绪论激光具有高相干度、高亮度、方向性好等普通光源无法比拟的优点使它在各个学科与技术领域的应用无所不在、与日俱增。但当激光在大气中长距离传输时，大气严重限制了各种激光工程(如激光通信、激光雷达、激光测距等)系统的使用性能。大气激光传输对激光雷达探测目标的能力具有重要的影响。因此，在对激光雷达系统进行设计、研制和定标时，必须考虑到大气传输的影响。有线通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失，因为信号电流在导线周围会产生磁场，同样容易遭到敌方的窃听。而无线电波即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年代里，也容易被破译。因此，人们开始感到必须改变传统的通信手段。年月，光家族的新秀—激光问世了，一种新颖、奇特的激光通信也进入人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点，给通信业的发展带来了明媚的春天。随着激光技术的发展，激光通信出现了两种方式，一是“有线”的光纤通信，二是“无线”的大气激光通信。光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非,使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现,它也不像金属导线那样容易被窃听,弄不好，纤细的玻璃纤维会立即断成几节，散落四处，可谓“宁碎不泄密”。大气激光通信中的激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好、不像电磁波那样在空中到处散射，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，但由于激光通信的频率极高，比微波的频率高万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，另外，激光通信的抗干扰能力强，它能有效对抗核爆炸产生的光辐射和强电磁波对电子设备的破坏作用。核爆炸时，光辐射在大气中以每秒万千米的散形直线向四面八方传播，尽管能量很强，但不集中，激光接收机照样使用。电磁脉冲频率与激光频率相比简直太小了，要对激光通信产生干扰，可以说是望尘莫及。激光通信具有的这种天然的保密性，被人们称作炸不断的“线路”，它为军事通信事业开辟出一片崭新的天地。由于是无线通信，它可随意移动到任何地点并实现移动沟通，这是它最大的军用价值和优势。就概念而论，大气传输光学线路非常简单，即用发射机将激光束发射到接收机即可。然而，在实际的大气传输中，激光狭窄的光束对准确的接收有很高的要求，因此系统还应包括主动对准装置。在空间传输中，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会淹没激光束。与传统的无线电通信手段和光端机通信方式相比，激光大气通信具有安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作。此外，激光大气通信系统跟其他无线电通信手段相比，还具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设备、保密性强等特点，并且在有效通信距离和宽带等方面还蕴藏着巨大的发展潜力。理学院光信息科学与技术0501班学生张瑞东毕业论文第3页共17页济南大学毕业论文用纸2.前言高斯光束光波分为平面波、球面波和高斯波，其中平面波和球面波是为了研究而做的理想化的模型，在实际传输中是不可能存在的。在实际传输中，光波是高斯光束，但不管何种光波其接收场都可用下式表示[1]：）（100iexpiUU.（1）其中U0为在真空中传播时的幅度项，是对数幅度起伏，是在真空传播时的相位项，是一阶相位起伏。而高斯波束与平面波、球面波又有着不同的传输特性，在自由空间中其传输满足Helmholtz方程：0k02002UU.（2）据此可推导出高斯光束在空间任意点的光波场强为：.)2(exp)2exp()2(expexp1,r2002022200222020FrkJzkizrkFrkJzkiWrzU（3）式中2k0是空间波数，λ为波长，W0是发射平面的光斑半径，F0是发射平面处的相前曲率半径，W是高斯光束在接收平面的光斑半径，F为高斯光束在接收平面的波前曲率半径[5]，0z1F,（4）200z2Wk,（5）20kz2W,（6）222200202002020011FFF）（.（7）Fz1,（8）22020200（9）理学院光信息科学与技术0501班学生张瑞东毕业论文第4页共17页济南大学毕业论文用纸1001tantanJ.（10）3.大气激光传输的性能分类研究大气激光通信又称为无线光通信，它是以光波为载体，在大气中传递信息的通信技术。由于大气信道是随机的，激光在通过大气信道传输时会产生大气衰减效应及大气湍流效应，从而造成光束的弯曲、闪烁、漂移、扩展、畸变及光能损失等现象。因此研究大气信道的大气衰减效应和大气湍流效应对于提高无线光通信系统性能具有重要意义。3.1激光在大气中传输衰减特性研究当激光在大气中传播时，由于大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃、烟雾以及刮风，下雨，下雪等气象现象使部分能量因散射而偏离原来的传播方向(即辐射能量在空间重新分配)，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量(如热能等)。大气分子的吸收是将光辐射能量转换成大气组成分子的运动。吸收能量的衰减与激光束的波长密切相关，在可见光波段和1.06μm波长，大气分子的吸收可以忽略，但对10.6μm波长，大气分子吸收的影响最为严重。大气窗口为0.72～15μm，但这只是一种粗略的说法。大气分子的吸收还与海拔高度有关，因为越接近地面(几千米)，水蒸汽的浓度越大，水蒸汽吸收的能量也越大。3.1.1霾引起激光的衰减大气气溶胶的霾粒子尺度分布范围一般在0.01至和波长变化的关系，没有反映大气环境、大气中粒子尺度分布、粒子成分的变化引起折射率的变化等因素，这些参数能否较精确的测量直接影响计算结果的精度，而基于Mie散射理论计算时均考虑了这些因素的影响。Mie散射理论当粒子的尺寸和激光波长差不多时，产生的散射可用Mie理论进行严格求解。下面扼要给出Mie理论和云雾的尺度分布模型计算了云雾的激光衰减。结果表明，在近红外波段对于对流层大气中霾粒子的衰减预测应用Mie理论计算更合理；云雾引起的衰减一般较大，并且随着能见度的减小，衰减增加较快。因此，当Vb15km时，霾引起的衰减需要考虑；当Vb较小时，云雾的激光衰减是限制系统性能的主要因素[3]。图1霾对0.53μm激光的衰减随Vb的关系理学院光信息科学与技术0501班学生张瑞东毕业论文第5页共17页济南大学毕业论文用纸3.1.2降雨的衰减对于1.06μm的激光来说，球形降雨粒子可以视为大粒子(x=2πa/λm1),衰减系数与波长无关，仅由含水量确定的粒子几何截面来确定。在考虑了降雨率、温度和相对湿度等因素的基础上建立了降雨的衰减模型[1]，给出了雨的散射系数与能见度的关系式:..17rainRHscattabsV.（11）式中rainscatt是雨的散射系数，R.H.abs是相对湿度的吸收系数。该模型适于低纬度、低空对流层(11km)。在该模型中降雨的衰减系数为rain2scattaascatteraaNQbpl骣÷ç=÷ç÷ç桫å.（12）式中，Qscatter是衰减系数,当a30时约等于2。Na和va分别为雨滴的尺度分布和降雨速度(m/s)，但是使用该式计算降雨的衰减系数是需要丰富的实验数据，在实际使用中会有较大的困难。在实际计算中可以使用下面的较为简便的公式计算雨滴散射系数的近似值图2霾对1.06μm激光的衰减随Vb的关系图3霾对1.38μm激光的衰减随Vb的关系理学院光信息科学与技术0501班学生张瑞东毕业论文第6页共17页济南大学毕业论文用纸0.740.21rainrs=.（13）式中，σrain为雨造成的散射系数，单位km-1；r为降雨速率，单位mm/hr。图4给出了降雨率与散射系数的关系。3.1.3大气散射系数鉴于能见度的测量比气溶胶谱形和复折射指数的观测要简单的多，则不妨用较简单且实用的方法利用气象学距离(可见度)，以经验公式计算大气给定辐射波长的散射系数[22]。我们可由下述经验公式来估计气体散射系数003.19qVRldl骣÷ç=÷ç÷ç桫.（14）其中：为波长；VR为气象学距离，当VR80km时q=1.6,当在中等能见度的典型大气中时q=1.3，当VR6km时的浓霾大气q=0.58513VR。对于=