大气激光信道模型
用于大气激光通信的数字图像水印研究
ｌｚｄ ｙ ｅ ．Ｔ ｅ Ｇａ ｓｉ ｎ ｎ ｉｅ ｃ ａ ｎ ｌｍｏ ｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔ Ａ ｒ ｂ ｓ ｍａ ｅ ｗ ｔｒ ｒ ｌｏ ｔ ｍ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｈ ｕ ｓａ ｏｓ ｈ ｎ ｅ ｄ ｌｉ ｒ ｓ ｎ ． ｏ ｕ ｔ ｉ ｇ ａ ｅｍａ ｋ ａｇ ｒ ｈ ｉ ｒｐ ｓ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉ
Ａｂｓｒ ｃ Ｔｈ ｎ ｕ ｎ ｅ ｏ ｔ ｓ ｈ ｒｃ ｔｅ ａｉｎ ａ ｄ ｔ ｒ ｌｎ ｅ ｏ ａ ｅ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｒ ｒ ｆｕ ｌ ｎ — ｔ ａ ｔ： ｅ ｉｆ ｅ ｃ ｆａ ｍｏ ｐ ｅ ａｔｎｕ ｔｏ ｎ ｕ ｂｕｅ ｃ ｔ ｌｓ ｒ ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ａ ｅ ｐ ｏ ｏ ｎｄｙ ａ ａ ｌ ｉ
（ ． ｏ ｅｅ ｏ ｌ ｔ ｎ ｓ ｎ ｎｏｍ ｔ ｎ Ｅ ｇ ｅ ｒ ｇ ｈ ｎｃ ｕ ｎｖｒｉ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏｙ ｈ ｎ ｃ ｕ ３ ０ ２ Ｃ ｉａ １ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｅ ｒ ｉ ｄＩ ｆ ａｉ ｎ ｉ ｅｉ ，Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕ ｉｅ ｔ ｏ ｉ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ，Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ １ ０ ２ ， ｈｎ ； ｌ Ｅ ｃｏ ｃ ａ ｒ ｏ ｎ ｎ ｓｙ Ｓ ｎ ｇ
摘
要 ： 过 分析 大气 衰减 和 大气 湍流 ， 通 可认 为 大 气信道 模 型 是 高斯 噪 声信 道 ， 出 了结 合 多 提
小波 Ｓ Ｉ Ｔ和低 密度奇偶 校验 码 （ Ｄ Ｃ） ＰＨ Ｌ Ｐ 的数 字图像 水 印算 法作 为联 合信 源信道 编 码 用 于大 气激 光通 信． 算 法利 用 了多小波 Ｓ Ｉ Ｔ算 法的信 源 编码 高效性 、 棒 性 和 Ｌ Ｐ 该 ＰＨ 鲁 Ｄ Ｃ码 的 低误 码 性 能 ， 根 据信 源 编码 后 数据在 重 建 时的重要程 度 ， 行 不 同等 纠错 保 护 的信 道 编 码． 真 结 果表 明 ， 加性 进 仿 在 高斯 白噪 声 （ ＷＧ 信道 中采 用 Ｐ Ｍ 调制 方式 ， Ａ Ｎ） Ｐ 信噪 比为 １ ｄ ４ Ｂ时 ， 经过 大气激光信 道 恢复 出的 水
第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 则可由实际测量 得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 2 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、 大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生 在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。 因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大 于红光散射： • 在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主 要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈 现蓝色。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长， 蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光 呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-
大气无线激光通信心疼
无线激光通信概念图 光学接收 机
激光器
调制器
发射机光学天 线
接收机光学 天线
调制器 激励器 光信号
无线电接 收机
编码器 已还原信号 信息 信息信 号
解码器
因此ATP是光通信成功的关键所在。使之始终保证双方处于对准状态。光天线在接收到光 信号之后，经过光学分束，信标光的一部分至粗对准探测器，输出信号由粗对准控制，驱 动粗对准机完成粗对准，信标光的另一部分经精对准机构，分光片至精对准探测器，由精 对准控制器控制精对准机构王城双方的精确对准和跟踪，信号有信号探测器检测。在发送 端和接收端各有一个光收发信机，将需要传送的信息调制到激光信号上，通过大气信道传 输到接收端。由于大气对光信号具有衰减效应，大气湍流还会引起光斑的漂移，因此在收 发端机用自动跟踪瞄准系统来修正大气湍流残剩的光斑漂移，但是由于大气中存在多种随 机现象，接收机检测到的关心好会有强度的起伏和光斑中心的随机抖动。而对于短距离激 光通信我们也可以采用望远镜, 2.光发射机主要包括激光器，调制解调器，核心是激光器。激光器需要两只，一只是信标 激光器，一只是信号激光器。信标激光器用作ATP系统，信号激光器具有良好的光束质量 和频率响应。激光器的波长应该选择比较成熟的技术，具有良好的可靠性。 3.接收机主要包括光探测，低噪声前置放大和信号处理电路。光探测器的主要功能是（1） 探测对方发过来的信标光，确定信标光的位置，计算位置误差信号，驱动ATP单元，校正 接收天线的方向和完成天线的粗对准。（2）在粗对准完成之后，利用信号光在四象限探 测器上的位置，由ATP系统完成双方天线的精对准和跟踪。（3）探测双方发过来的光信号， 解调出有用的信息 4.信号源的信号可以是语音，图像和数据以及视频，经过编码后，调制为双方约定的格式， 有天线发射出去，编码可以采用开关键控，相位调制编码ppm等 5.通信信道 大气中的各种自然现象会对光信号的传输照成影响，但他们会对不同波长的光照成的影响 不一样，所以选择合适的波长的光来保证光信号传输足够远的距离。这里窗口就是在介子 中合适某段激光传送的波段。
大气激光信道模型ppt课件
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
I
(2 )2 4R2
(n 1)2
Байду номын сангаас
V N1
I0 (1 cos2 )
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
c2
1.92Cn2z3(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
P(c )
c
2
e
c2 2
s2l
2
I0
c sl
2
• 漂移引起的光强起伏概率密度
(P)
a2
2
P0 P
a2
2
Pe
s2l
2
2
I0
a2
2
P0
ln
P0 P
到达角起伏
• 由于氮、氧、臭氧分子的吸收作用，λ＜0.3μm紫 外光和λ＞20μm 红外光被大气吸收
• 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、1μm 、3~5μm 、8~12μm 是常用的大气窗 口
大气散射模型
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
2
4.787/8 (sec )11/6
hA hT
Cn2
(h)h5
/
6dh
• Rytov 近似下
2
ACn2k07/6 z11/6
面向激光通信的大气随机信道分析与研究
ｉｓｗｉ ｅ ｂ ｎ ｗｉ ｔ ｔ ｄ ａ ｄ ｄ ｈ，ｓ ｌ ｓ ａｅ ａ ｄ ｈ ｇ ｅ ｒ ｃ ．Ｉ ａ ｍｐ ｒａ ｔｍｅ ｎ ｎ ｎｄ ｐ ｏ ｓｎ ｒ ｓ ｅ ｔ ｍａｌ ｃ ｌ ｎ ｉｈ ｓ ｃ ｅ ｙ ｔｈ ｓ ｉ ｏ ｔｎ ａ ｉ ｇ ａ ｒ ｍｉｉ ｇ ｐ ｏ ｐ ｃ ．Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｓｉｓ ａ ａ ｔｒ ｔｃ ｉ ｏ ｐ ｃ ｔ ｓ ｈ ｒｃ ｒｎｄ ｍ ｈ ｎ ｅ ａ ｅ ｉ ｌ ｔ ｄ ｅ ｆｓ ａ ｅ ａｍｏ ｐ ｅ ａ ｏ ｃ ａ ｎ ｌｈ ｓｂｅ ｎ ｍａｎ ｙ ｓｕ ｉｄ，ｅ ｐ ｃａｌ ｈ ｆｅ ｔｏ ｈ ａ ｄ ｍ ｈａ ｎ ｌｔ ａ ｅ ｉ ｓ ｅ ｉｌｙ ｔ ｅ ｅ ｆｃ ｆｔ ｅ ｒ ｎ ｏ ｃｔ ｈａ ｎ ｌｗａ ｕ ｌ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｆ ｃ ｌ ｉ ｌｔｏ ｓ ｄ ｎ ｙ ｃ ｍｐ ｔｒ ｈ ａ ｕ ａ ｒ ｏ ｄ ｌｏ ｈｅ ｃ ｎ ｅ ｓｂ ｉｔ ｎ ｈ ａ ｕ ａ ｓｍｕ ａｉｎ ｗａ ｏ ｅ ｂ ｏ ｕ ｅ ，ｔ ｅ ｆ ｃ ｌ ｅ ｗｅ ｅ ｃ ｍｐａ ｅ ｔ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ ｐ ｔ ．Ｗ ｅ ａ ａｙ ｅ ｔ ａ ｔ ｒ ｈａ ｋ ｈ ａ ｅ ａ ｖ ｒｏ ｒｔ ｅ ｌｓ ｒｔ ｏ ｇ ｔ ｓ ｈ ｒ ．Ｗ ｉｈ ｔ ｉ ｙ － ｈ ｈｏｏ ｎ ｌ ｚ ｈｅｆ ｃｏ ｓｔ ｔｍａ ｅ ｔ ｅ ｌ ｓ ｒｂｅ ｍ ａ ｉｕｓｆ ｈ ａ ｅ ｈｒｕ ｈ ａｍｏ ｐ ｅ ｅ ｏ ｔ ｈ ｓｓ ｓ
Ｋｅ ｒ ｓ：ｗｉｅｅ ｓｏ ｔｃ ｃ ｍｍｕ ｉａ ｉｎ；ａｍｏ ｐ ｒ ａ ｄ ｍ ｈ ｎ ｅ ；ｒ ａ ｍｅ ｓ ｏ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｒ ｌ ｓ ｐ ｉ ｏ ｎｃ ｔ ｏ ｔ ｓ ｈｅ ｅ ｒ ｎ ｏ ｃ ａ ｎ ｌ ｅ ｈｉ ｈ ｗｉ ｇ；ｌｓ ｒ ｂ ａ ａ ｅ ｅ ｍ
大气信道对激光信号传输的影响以及MATLAB仿真
［ ］
㈩
在紫外线 （． 一 ． ０２ ｍ ０４ ｍ）的 ０ ｍ ０ ６ ． ～ ． ｍ 间存在 氧的弱吸 ２ ２
收， 主要的吸收来源于臭氧 ，． ～ ． ｍ是 它的强吸收带 。可见光 Ｏ ｍ ０ ６ ３ ３
射 的 误 差ｎ ｌ ＜ ％。
当空气中气体 的分子大于入射 光的波长或 者和光的波长可 比拟 的 时候 ， 产生米 氏散射 ， 因此米 氏散射理论与实际上是对气溶胶散射 的一 种较好 的近似 。米氏散射的系数 由下式确定 ：
』（）ｒ （ ， ｖｒ叮 ｍ） ｒ （） ３
１ 无 线激光通信在 大气信道 中的衰 减
部温度 、 压强等参数的随机变化引起大气密度 的随机变化 ， 导致激光信
号在大气中传输时产生两种效应 ， 一是使 得光在大气中传输时 ， 波阵面
产生随机畸变， 传播方 向发生 随机偏转 ； 二是在观察 平面上产生光照度随
一
般而言， 于半径 ｒ Ｏ ３ 对 ＜ ． ｍ 的粒子 ， ０ 波长在 １ ｍ附近， 瑞利散
低， 施工简便 、 迅速 ， 它结合 了光纤通信和微波通信的优势 ， 已成 为一种
新兴的宽带无线接入方式。 但是 自由空间光通信是以大气信道为传输媒 介 的， 而大气的特性很复杂 ， 会对传输 的激 光产生 吸收、 散射 、 湍流的效 应， 因而有其 自身的缺点， 以研究大气对激光传输的影响成为关键。 所
”孚 ３
６ｐ ［ — 手 ＋一 一 ＝【 ７ ３ 西３ ￣
Ｊ ］
¨ （ １ ， ）
（） ２
其 中， ｎ为粒子的折射率 ； Ａ为激光的波长 ； ＾ 为粒子数的密度。 （ ）
自由空间光通信系统信道模型建立方法
自由空间光通信系统信道模型建立方法自由空间光通信系统的主要信道特性包括路径损耗、大气衰落和大气湍流等。
路径损耗是指光信号在传输过程中由于能量扩散和散射而导致信号功率逐渐减小的现象。
大气衰落是指光信号在通过大气层时受到大气分子的吸收、散射和折射等影响而导致信号强度波动的现象。
大气湍流是指大气层中存在的湍流现象对光信号传输造成的相位扰动，从而导致信号相位波动的现象。
根据以上信道特性，可以采用数学模型来描述自由空间光通信系统的信道。
首先，路径损耗可以使用功率衰减模型来表示，其中包括自由空间传输损耗和反射损耗。
自由空间传输损耗主要与传输距离相关，可以使用距离的幂律关系来描述。
反射损耗主要与信号的入射角度和反射系数相关，可以使用反射系数和反射角度的余弦平方关系来表示。
大气衰落可以采用大气传输模型来描述。
大气传输模型包括了大气吸收、散射和折射等因素对信号强度的影响。
常用的大气传输模型有Beer-Lambert定律和Mie散射理论等。
Beer-Lambert定律描述了光信号在大气中的吸收衰减规律，而Mie散射理论描述了光信号在大气中的散射过程。
大气湍流可以使用相位结构函数来建立模型。
相位结构函数描述了光信号相位波动的统计特性，可以通过大气湍流的相关参数来计算。
常用的相位结构函数模型有Rytov模型和Kolmogorov模型等。
这些模型将大气湍流的统计特性与光信号相位波动之间建立了数学关系，可以用于分析大气湍流对光通信系统性能的影响。
通过以上建模方法，可以建立自由空间光通信系统的信道模型。
这些模型可以帮助我们准确地预测系统性能，并为系统设计和优化提供理论依据。
此外，信道模型的建立还可以帮助我们研究光信号传输过程中的噪声、干扰和误码率等问题，为系统性能的提升提供指导。
自由空间光通信系统信道模型的建立方法是通过对系统中的主要信道特性进行建模，以数学模型的形式描述信道的传输特性。
这些模型可以帮助我们理解和分析系统性能，为系统设计和优化提供指导。
大气激光通信
大气激光通信技术及应用摘要：大气激光通信其载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输，并采用半导体激光器为光源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用作应急抢通，其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆及光缆的近距离场合。
大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应用前景。
随着技术的不断完善和新器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。
本文主要论述大气激光通信的基本原理、关键技术及其发展现状和应用领域。
关键词：大气激光通信、军事应用、激光器、通信系统大气激光通信技术即无纤光通信技术，是近年来出现的一种新兴技术。
1、激光传输大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信，可传递语音以及进行计算机间数据通信。
受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。
接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。
当传递数据时进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统，它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。
其中含有接口电路，它的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。
调制器的作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。
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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
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
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
�
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
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
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
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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 >=