大气激光信道模型
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大气窗口
碰撞加宽和多普勒加宽形成综合加宽,大气通过综 合加宽线型吸收光谱 由于氮,氧,臭氧分子的吸收作用,λ<0.3m紫 外光和λ>20m 红外光被大气吸收 m 激光在大气中传输时,吸收带中透射率较高的波段, 形成大气窗口 可见光,1m ,3~5m ,8~12m 是常用的大气窗 口
大气散射模型
当 2ω ≈ l 时 当 2ω l时
光束漂移
均匀各向同性弱起伏大气 Markov 近似束心漂移位移方差
2 σ ρ =< ρc2 >= 1.92Cn2 z 3 (2a0 ) 1/ 3
光束漂移是一种0.1~10Hz的低频率抖动
光束漂移
束心位移概率密度
ρc P( ρc ) = 2 e σρ
2 2 ρc + ρ sl 2 2σ ρ
2 c 2 c
σ 02
2v
(1 e 2 vz )
等晕角
θ 0 = 0.058λ 6 / 5 (cos γ )3/ 5 ∫ Cn2 (h)h5/ 3dh
2 3/ 5
0
θ1 = θ 0 (1 e 2 vz ) / vz
到达角起伏
均匀各向同性弱起伏大气 到达角起伏概率密度
θ P (θ , z ) = 2 e σc
米耶散射
针对球形质点粒子 存在吸收 散射光强度随粒子尺度改变 散射光偏振性随粒子尺度改变 近似处理气溶胶粒子散射 霾,云滴,冰晶,冰雹,雪花
s = π ∫ Qs ( x, n)n(r )r 2 dr
0
∞
大气湍流模型
光束宽度 ω 与湍流尺度 l 的相对大小相关
当 2ω
l时
光束漂移 到达角起伏 光束扩展 光强闪烁
弹性散射 瑞利散射 又称分子散射 散射粒子线度在1/10 波长以下 喇曼散射 米耶散射 又称微粒散射 散射粒子线度与波长 同量级
瑞利散射
波长四次方反比 强度随方向改变 散射光偏振度与观察方向有关
(2π ) 2 2 V Iθ = 4 2 (n 1) I 0 (1 + cos 2 θ ) N1 λ R
大气激光信道模型
大气吸收模型 大气散射模型 大气湍流模型
大气吸收模型
比尔定律
I (v, z) = I 0 (v)e(α + s ) z
吸收系数 α 由分子吸收光谱决定 完整描述分子吸收特性应包括: 光频率 分子谱线线型 光强度
分子吸收谱线
线型函数 g (v, v0 )
气体分子谱线加宽机理 谱线加宽 均匀加宽 自然加宽 碰撞加宽 非均匀加宽 多普勒加宽
Rytov 近似下
2 σ χ = ACn2 k07 / 6 z11/ 6
光强闪烁
对数强度起伏方差
σ
误码率
2 ln I
= 4σ χ
2
1 BER = erfc 2
4 2σ
2 ln I
�
Pχ ( χ ) = 1 2πσ χ
( χ < χ > ) 2
2 2σ χ
σ χ < 0.3
e
A χ = ln A0
光强闪烁
5~20km,γ<60°,红外和夜间 弱起伏大气 对数振幅起伏方差
σ χ = 4.78λ
2
7 / 8
(sec γ )
11/ 6
∫
hA
hT
2 Cn (h)h5 / 6 dh
θ 2 +θ12 2 2σ c
θθ1 I0 2 σc
到达角起伏光强分布
% P0 σ ρ %) = ( P e 2 % % σ ρ P0 P a
2
2
a2
θ12 2 2σ c
2a 2 ln( P / P)θ 0 1 I0 2 σc
光强闪烁
均匀各向同性弱起伏湍流大气 闪烁概率分布 对数正态分布
ρc ρ sl I0 2 σ ρ
漂移引起的光强起伏概率密度
% a 2 P0 σ ρ2 % % ρ ( P) = 2 Pe % σρ P
a2
2 ρ sl 2 2σ ρ
% a2 P0 I 0 2 P0 ln % σ ρ P
到达角起伏
到达角起伏方差
σ =< α >=
大气窗口
碰撞加宽和多普勒加宽形成综合加宽,大气通过综 合加宽线型吸收光谱 由于氮,氧,臭氧分子的吸收作用,λ<0.3m紫 外光和λ>20m 红外光被大气吸收 m 激光在大气中传输时,吸收带中透射率较高的波段, 形成大气窗口 可见光,1m ,3~5m ,8~12m 是常用的大气窗 口
大气散射模型
当 2ω ≈ l 时 当 2ω l时
光束漂移
均匀各向同性弱起伏大气 Markov 近似束心漂移位移方差
2 σ ρ =< ρc2 >= 1.92Cn2 z 3 (2a0 ) 1/ 3
光束漂移是一种0.1~10Hz的低频率抖动
光束漂移
束心位移概率密度
ρc P( ρc ) = 2 e σρ
2 2 ρc + ρ sl 2 2σ ρ
2 c 2 c
σ 02
2v
(1 e 2 vz )
等晕角
θ 0 = 0.058λ 6 / 5 (cos γ )3/ 5 ∫ Cn2 (h)h5/ 3dh
2 3/ 5
0
θ1 = θ 0 (1 e 2 vz ) / vz
到达角起伏
均匀各向同性弱起伏大气 到达角起伏概率密度
θ P (θ , z ) = 2 e σc
米耶散射
针对球形质点粒子 存在吸收 散射光强度随粒子尺度改变 散射光偏振性随粒子尺度改变 近似处理气溶胶粒子散射 霾,云滴,冰晶,冰雹,雪花
s = π ∫ Qs ( x, n)n(r )r 2 dr
0
∞
大气湍流模型
光束宽度 ω 与湍流尺度 l 的相对大小相关
当 2ω
l时
光束漂移 到达角起伏 光束扩展 光强闪烁
弹性散射 瑞利散射 又称分子散射 散射粒子线度在1/10 波长以下 喇曼散射 米耶散射 又称微粒散射 散射粒子线度与波长 同量级
瑞利散射
波长四次方反比 强度随方向改变 散射光偏振度与观察方向有关
(2π ) 2 2 V Iθ = 4 2 (n 1) I 0 (1 + cos 2 θ ) N1 λ R
大气激光信道模型
大气吸收模型 大气散射模型 大气湍流模型
大气吸收模型
比尔定律
I (v, z) = I 0 (v)e(α + s ) z
吸收系数 α 由分子吸收光谱决定 完整描述分子吸收特性应包括: 光频率 分子谱线线型 光强度
分子吸收谱线
线型函数 g (v, v0 )
气体分子谱线加宽机理 谱线加宽 均匀加宽 自然加宽 碰撞加宽 非均匀加宽 多普勒加宽
Rytov 近似下
2 σ χ = ACn2 k07 / 6 z11/ 6
光强闪烁
对数强度起伏方差
σ
误码率
2 ln I
= 4σ χ
2
1 BER = erfc 2
4 2σ
2 ln I
�
Pχ ( χ ) = 1 2πσ χ
( χ < χ > ) 2
2 2σ χ
σ χ < 0.3
e
A χ = ln A0
光强闪烁
5~20km,γ<60°,红外和夜间 弱起伏大气 对数振幅起伏方差
σ χ = 4.78λ
2
7 / 8
(sec γ )
11/ 6
∫
hA
hT
2 Cn (h)h5 / 6 dh
θ 2 +θ12 2 2σ c
θθ1 I0 2 σc
到达角起伏光强分布
% P0 σ ρ %) = ( P e 2 % % σ ρ P0 P a
2
2
a2
θ12 2 2σ c
2a 2 ln( P / P)θ 0 1 I0 2 σc
光强闪烁
均匀各向同性弱起伏湍流大气 闪烁概率分布 对数正态分布
ρc ρ sl I0 2 σ ρ
漂移引起的光强起伏概率密度
% a 2 P0 σ ρ2 % % ρ ( P) = 2 Pe % σρ P
a2
2 ρ sl 2 2σ ρ
% a2 P0 I 0 2 P0 ln % σ ρ P
到达角起伏
到达角起伏方差
σ =< α >=