激光大气信道

激光大气信道相关总结

1、大气对信道传输的影响

激光在大气中传输主要受到两个方面因素的影响：衰减效应、湍流效应。其中，衰减效应主要影响激光信号的功率，使到达接收端光信号的功率降低，作用方式包括：吸收、散射、折射、反射等。湍流效应主要由大气的不规则随机运动引起，影响光信号的质量，对光信号的相位、强度分布以及光斑的位置等都有较大影响，主要表现形式包括：光束漂移、扩展、闪烁以及到达角起伏等。

1.1衰减效应对激光通信的影响

衰减效应主要由大气分子、气溶胶以及空气中的微小颗粒物产生，包括吸收、散射、反射、折射的等，是大气的固有属性，可采取相应的措施进行有效的规避或补偿。

（1）吸收

作用机理：激光穿过大气时，大气中的分子在光波电场的作用下被极化，并以入射光的频率做受迫振动，使部分辐射的光能转换成气体分子的内能，消耗了光波的能量，形成吸收效应。（经相关研究表明，气溶胶粒子由于直径较大，对光的吸收作用不明显）

作用特点：使激光功率衰减，但不改变光束的质量。

决定因素：分子对光波能量的吸收由分子结构、浓度和吸收光频率所决定，不同的气体分子对不同频率的光吸收的能力不同，具有一定选择性。

衰减规律：

P(λ,x)=P(λ,0)exp [−k(λ)x]

k(λ)---- 吸收系数；

x ---- 传输距离；

大气窗口:大气对某些波段光波的吸收较弱，透过率较高，称这些透过率较高的波段为大气窗口。

由于大气是不同分子的复杂混合体，且气体分子的浓度还随着海拔的变化而变化，并考虑散射等因素影响，通过统计分析，地球大气的透过率如下：

图 1-1 不同波长激光在大气信道中传输的透过率

（2）大气散射

散射是光在传播过程中遇到微小粒子，使其传播方向发生改变的现象，是电磁波在大气微粒作用下的衍射效应造成（只有当微粒的直径小于或相当于辐射波长时才会发生明显的作用）。其结果会使光在原传播方向上的能量减小，影响光斑形状和光强分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。

大气散射的效果主要表现为两个方面：减小在传播方向上的光能量、改变光斑内的强度分布，使光斑内部有明暗之分。

瑞利散射：

产生条件：散射微粒直径远小于波长时产生，也称作气体分子散射（10−8cm量级）。对波长小于40nm的光波作用明显作用比较明显。（大气分子（0.1nm）；可见光（400～760nm）；近红外短波（780~1100nm）；近红外长波

（1100~2526nm））

主要作用粒子：大气分子。

特点：散射粒子较小，散射光分布较均匀，对波长小于40nm的光波才作用明显比较明显。随着散射分子半径增大，散射增强；随着波长的增大，散射减弱。由此可以推论，可见光比红外光散射强烈，蓝光比红外光散射强烈（形成蓝色天空）。

经验公式：

σm=0.827×N×A3/λ4

A——散射元横截面积(cm2)

N ——单位体积内分子数(cm−3)

λ——光波波长(μm)

T——表示热力学温度

图1-2 散射强度与波长的关系

米氏散射：

产生条件：当空气中粒子的直径大于入射光的波长或者和光的波长可以比拟的时产生，粒子对入射光散射后的散射光分布比较复杂且不对称，瑞利散射不再适用。

作用粒子：云、雾、雨、雪等气溶胶粒子以及雾霾等微小粒子。

特点：散射光角度分布较为复杂，并且随着粒子直径的增加，散射光集中的角度也越

来越窄。（对光信号的影响也相对更大） 散射系数经验公式：

σn =N(r)πr 2Q s (X r ,m)

r ——粒子半径

N r ——单位体积内的粒子数

Q s ——散射效率（粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比） 无选择性散射：

产生条件：当大气中粒子的直径远大于波长时发生的散射。 作用粒子：尺寸较大的气溶胶粒子、微粒、尘埃。

作用特点：散射强度与波长无关，不具有波长选择性，使原传播方向上的光信号能量严重衰减。 （3）大气折射

产生原因：由于大气的不均匀特性，导致空气折射率随空间发生变化，使激光传输路径发生偏折的现象。 影响因素：大气温度、压强 折射率公式：

n =1+77.6(1+7,52×10−3λ−2)(p/T)×10−6

p ——大气压强（mbar ）； T ——温度；

λ——入射光波长；

（p 和T 是随高度变化的物理量） （4）反射

主要发生在云层顶部，取决于云量，而且各波段均受到不同程度的影响，削弱了电磁波到达地面的强度。 （5）大气窗口

通过以上分析可知，就辐射光强度而言，过不考虑激光本身的发散，光经过大气传输过程中，影响激光强度的因素主要包括：吸收、散射、反射，其中吸收和散射与信号光长具有非常密切的联系，在实际中常用大气透过率来直观描述激光穿过大气的能力，反应出光强受大气的影响程度。其中，透过率较高的波段被称作大气窗口（图1-1）。

大气透过率计算（朗伯(Bougher Law)定律）：

均匀条件下：

假设传输路径上的大气是介质均匀或分层均匀时，大气透过率可表示为：

T (λ,L )=I

I 0

=e −μ(λ)L

非均匀条件下：

若假设大气为非均匀介质，其透过率可表示为：

T (λ,L )=exp [−∫μ(λ,r )dr L

0]

L 为传输距离；I 0和I 分别为原始光强和通过距离 L 后的光强；μ(λ)为大气衰减系数，与波长相关；T 为传输L 距离后的大气透过率(%)；

大气衰减系数决定于粒子对光波的吸收和散射，具体关系如下：

μ(λ,r)=αm(λ,r)+βm(λ,r)+αα(λ,r)+ββ(λ,r)αm(λ)——分子吸收系数

βm(λ)——分子散射系数

αα(λ)——气溶胶吸收系数

ββ(λ)——气溶胶散射系数

1.2湍流对激光通信的影响

湍流指的是大气的随机不规则运动，由于地面的复杂性和太阳辐射的不均匀性，导致大气的温度、湿度、压力、折射率等性质的随机变化，从而引起大气折射率的随机改变，称其为湍流效应。有机湍流运动导致大气折射率的随机改变，严重影响光波信号的质量，湍流效应对激光信号的影响主要表现为：光斑漂移与扩展、光强闪烁以及到达角起伏等几个方面，严重限制了空间激光通信的效能。

湍流可以看作是空气中大小不一的“涡流”，常发生在运动气流之间的交界处，是一个不断变化的过程。湍流气团在运动的过程中，能量也在不断流动，直径较大湍流受惯性力起伏影响，形态往往不稳定，在运动的过程中由于惯性作用不断分裂成直径较小的湍流，将尺寸最大的湍流直径称作湍流的外径L0（相当于气流离地面的高度，通常在几十到几百米的量级）。当湍流尺寸减小的到一定值时，气体粘性耗散起到主要作用，抑制了湍流的继续分裂，此时尺寸最小的湍流直径称作湍流的内径l0（一般为毫米量级）。

由于湍流的复杂性和随机性，为了对其进行有效的定量描述，国内外都进行了较为深入的研究，较著名的著作为Tatarskii的两部著作：[1][2]。常用的湍流模型为Kolmogorov（尔莫哥洛夫）模型，Kolmogorov湍流模型的建立基于三个前提假设：

a.气流在微小的区域可以看作是各向同性的；

b.在各向同性的局部区域内，流体仅仅受摩擦力和惯性的作用；

c.尺度区间(l0, L0)被称为惯性范围；在该范围之内，内摩擦力的影响可以忽略，流体运动由惯性力决定，并且大气的统计特征服从“2/3 次方定律”。

此外，经进一步的研究表明，在对流层顶部与平流层的交界区域，Kolmogorov模型并不完全适用，于是延伸出了non-Kolmogorov模型。

1.2．1 湍流的描述：

（1）折射率湍流模型：

由于湍流的作用，大气折射率往往是时间和空间的函数，由于湍流运动的随机特性，可用统计的方式对介质的特性进行描述，可以表现为：

n(r,t,λ)=n0(r,t,λ)+n1(r,t,λ)

其中：n0的确定部分，对大气湍流而言n0≈1, n1(r,t,λ)表示折射率的随机变化部分。在Kolmogorov模型假设下，定义n1的结构函数为：

D nn(r1,r2)=E[|n1(r1)−n2(r2)|2]

其中r1、r2表示湍流中两点之间的距离。根据Kolmogorov理论，n1的结构函数可以表述为(2/3定律):

D nn(r)=C n2r 2

3; l0≪r≪L0