氣象條件對大氣激光通信影響研究*

李日永　金　芳　程　芳

(91404部隊　秦皇島　066000)

氣象條件對大氣激光通信影響研究*

李日永金芳程芳

(91404部隊秦皇島066000)

摘要激光通信對大氣信道十分敏感，文章分析了霧和雨對激光衰減的影響原理，給出了影響表達式，分析了大氣湍流中光強起伏和光束漂移對激光衰減的影響原理，提出了修正衰減的方法，給出了適合激光通信的氣象條件建議。

關鍵詞激光通信; 氣象條件; 衰減; 大氣湍流; 光強起伏; 光束漂移

Class NumberTN929.11

1引言

激光通信與傳統的射頻通信系統相比，具有通信頻帶寬、信息容量大、抗干擾抗截獲能力強等突出優點，在軍事保密通信、軍事抗干擾通信等方面有著非常廣泛的應用前景[1]。但由于激光信號在大氣自由空間中長距離傳輸過程中將會受到能量損失，接收信號非常微弱，而且光發散角非常小，光束在傳輸過程中受到例如霧、雨、大氣湍流及其它因素的影響，因此很難保證激光通信在長距離通信時的準確性。尤其對于近海和海上地區，氣象條件變化很快，且有時非常惡劣，為了保證和提高激光通信的準確性，我們必須研究激光通信過程中氣象條件對其的影響。

2霧和雨對光衰減的影響分析

2.1霧對光衰減的影響分析

在激光通信系統激光傳輸過程中，霧導致的激光衰減包括吸收和散射。氣象學上認為懸浮在大氣中的固態粒子或液態小滴物質統稱為霧，霧是由懸浮在大氣中的微小液滴(直徑<100μm)構成的氣溶膠。根據霧的大小可以分為三類：薄霧、中霧和濃霧。中霧的液滴密度約為0.05g/m3(能見度約為300m)，濃霧的液滴密度約為0.5g/m3(能見度約為50m)，有時嚴重濃霧天氣的能見度會降到僅有幾米。隨著液滴密度的增加，衰減作用會越來越大。在濃霧天氣，大氣信道中的激光能量會受到嚴重衰減，激光信號將會被淹沒在背景噪聲中，通信鏈路受到嚴重干擾[2]。

激光信號在大氣信道中傳輸過程中，由于氣溶膠粒子等散射元的作用而發生散射[3]。按照激光波長和散射粒子的關系，可將散射分為：1)瑞利散射：當大氣中的分子或氣溶膠粒子直徑遠小于傳輸激光波長是為瑞利散射，通常情況下，瑞利散射發生在高空大氣層；2)米氏散射：當大氣中的分子或氣溶膠粒子直徑和激光波長相近是，為米氏散射；3)無選擇性散射：當大氣中的分子或氣溶膠粒子直徑遠大于傳輸激光波長時，所發生的是無選擇性散射，其特點是散射程度與波長無關，而且前向散射很強。一般情況下霧的粒子直徑在5～100μm之間[4]對大氣激光通信系統的影響主要考慮米氏散射。

米氏散射引起的衰減系數表達式為

(1)

式中，V是大氣能見度(Km)，λ是激光工作波長(m)，q是修正因子，是隨能見度變化的系數。

由上式可知，大氣能見度越高，大氣散射引起的衰減越小，工作波長越長，大氣散射系數越小。

2.2雨對光衰減的影響分析

降雨是一種非常常見的天氣現象，一般將降雨等級分為小雨、中雨、大雨、暴雨等。雨的大小取決于降雨量R(mm/h)。在降雨過程中，小雨時的能見度較低，而大雨時的能見度卻高于小雨[5]的直徑是霧滴的上千倍，因此雨的間隙非常大，所以雨天的能見度要比霧天好得多，激光在雨中仍有較高的透射率。

按照激光波長和散射粒子的關系，雨對激光傳輸的影響與霧不同，其發生的是無選擇性散射，雨滴對激光的散射與波長無關。激光在雨中的衰減只與降雨量有關，一般用消光系數表示為[6]

(2)

式中，σ是消光系數(dB/Km)；R是降雨速率(mm/h)。

3大氣湍流對光通信衰減的影響分析

大氣激光通信過程中的大氣湍流導致光強起伏和光束漂移。大氣湍流是由于大氣中風速的隨機變化引起的，產生于不均勻的太陽輻射、氣溫及壓力。例如，大氣溫度的隨機變化導致空氣密度的隨機變化，從而導致大氣折射率的隨機變化[7]。不同變化導致的大氣折射率的累加不是恒定的，直接導致接收的激光信號隨空間和時間的隨機起伏，這種起伏是大氣湍流影響的顯著標志。

3.1光強起伏和光束漂移對激光衰減的影響

光強起伏被描述為大氣湍流導致不均勻的信道折射率的起伏，折射率的變化導致光強隨時間和空間的隨機變化。在某些方向的光閃爍，導致接收信號信噪比的下降以及激光通信誤碼率的增加，這就是光強閃爍。在以下情形下光強閃爍最為嚴重，如空氣濕度相對增大、空氣溫度較高、太陽直射區域、霧開始消散、雨過天晴以及通信鏈路在溫度較高時經過河、湖、海洋。

當傳輸激光的直徑小于湍流直徑時，光束包裹在湍流漩渦里，湍流的主要作用體現在光束的隨機偏差上[8]。所以，在接收端，光束斑點集中于一個相對的中心位置，快速隨機搖擺，稱為光束偏差，這種偏差可以用數學表達式表示。如果將光束看作為一個整體，平均方位將會變化很大，這叫做光束漂移。光束漂移用來表達激光傳播過程中的大氣湍流，與光束直徑和湍流大小緊密相關。如果大氣湍流很強，光束有可能漂移到可接收范圍以外，嚴重干擾激光通信，導致通信中斷。

3.2其它氣象條件對大氣湍流的影響

對通信質量而言，好的氣象條件是指激光衰減很少受天氣和大氣湍流的影響[9]。通過試驗發現，當能見度大于1km時，激光衰減是最小的，通信質量是最好的。

當多云天氣或者雨天突然轉晴，大氣湍流導致的激光能量抖動非常大，因為這種天氣情況下，大氣和地面的溫差非常大，溫差導致的大氣湍流非常強烈，此時大氣湍流的影響也是最大的。在晴朗天氣，早晨和傍晚的溫差不大，大氣信道非常好，正午溫差大，光強起伏非常嚴重，大氣湍流效應也非常大。

4光強起伏和光束漂移對激光衰減修正方法

光強起伏、光束漂移和其它大氣湍流效應可能同時發生或者部分交疊[10]，對激光通信信道的影響更為嚴重。使用光學儀器可以集合相同大氣信道中傳輸的不同波長的光束，可以實現相同信道不同波長情況下的通信傳輸理論研究。試驗數據可以用于分析光束漂移和光強起伏，比較分析大氣湍流的影響與閃爍光波波長之間的關系，使用不同的公式修正光束漂移和光強起伏。修正光強起伏可以使用兩個激光發射器，兩個發射光束疊加在同一個接收孔徑上，用以降低光強起伏。修正光束漂移可以提供激光的發散角，直至光束偏差在可控范圍內，或者采用ATP技術(捕獲、跟蹤、瞄準技術)。

5結語

大氣激光通信以大氣作為通信媒質，對天氣的依賴非常大。基于文章對典型氣象條件對大氣激光通信影響的原理分析，不可能完全通過信道編碼和增加發射激光功率來克服霧、雨以及大氣湍流效應對激光通信鏈路的影響。本文通過海上實際測試，其測試結果與理論分析吻合，可以得出能見度與消光系數的關系，為激光通信的應用提供了參考。由于對天氣的變化不能及時準確的預報，很難保證全天候通信的穩定性和準確性。為了提高通信的可靠性，我們必須根據氣象條件的變化，適時地采取其它通信手段進行通信。

參 考 文 獻

[1] 姜會林,佟首峰.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2011：3-5.

[2] 王勇，于蕾.霧對大氣激光通信系統的影響及克服方法[J].光子學報，2009,12:22-25.

[3] 白林.激光大氣傳輸理論研究及應用[D].北京：北京郵電大學，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] 蔣冰莉，王江安，宗思光.大氣傳輸對激光后向散射式能見度測試的影響及理論研究[J].光學與光電技術，2004,2(6)：8-13.

[7] 張文濤，朱寶華.大氣湍流對激光信號傳輸影響的研究[J].電子科技大學學報，2007,36(4)：31-33.

[8] 鄧代竹.大氣隨機信道對無線激光通信的影響[D].成都：西南交通大學，2004：7-10.

[9] 曾智龍，徐林.天氣因素對大氣激光通信質量影響分析[J].光通信技術，2009,(10)：56-57.

[10] 劉保菊，張長森.大氣湍流對復雜路徑下光強起伏及誤碼率的影響[J].光電技術應用，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

作者簡介：李日永,男,碩士，工程師,研究方向：電子裝備試驗理論與方法。金芳,女,碩士,助理工程師，研究方向：通信與通信對抗試驗方法研究，數據融合處理。程芳,女，碩士，助理工程師，研究方向：數據融合處理。

中圖分類號TN929.11

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.036