大气激光通信链路功率分析研究

高新技术　ＳＣｉＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　大气激光通信链路功率分析研究①　

刘坤明　张立中　（长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心　吉林长春　１　３００２２）　

摘要：在现代激光通信传输中，大气对光传输过程中的衰减和起伏影响，已严重影响了激光通信的发展。为提高通信距离、速率和通信　质量，抑制大气对激光通信的不利影响是十分重要的。本文针对野战激光通信环境，对激光在大气中的传输模型进行通信链路功率计算，　对大气对光功率的衰减和损耗进行了分析，为实际大气激光通信的应用提供一定的理论依据。　关键词：大气激光通信　大气衰减　通信链路功率　中图分类号：ＴＮ９　２９．１　２　文献标识码：Ａ　文章编号１６７２－３７９ｌ（２０１４）０３（ｃ）－０００１—０２　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ。Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｈａｖｅ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ　ｔｈａｔ　ｌｉｍｉｔ　ｉｔｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ。ｒａｔｅ．ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ｔｈｅ　ａｄｖｅｒｓｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｏｎ　ｌａｓｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｆｉｅｌｄ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｌａｓｅｒ　ｃ０ｍｍｕｎｉｃａｔｉ０ｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｌｉｎｋ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｌａｓｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｌａｓｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　Ｉ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｌｉｎｋ　Ｐｏｗｅｒ　

在通信手段不断更新换代的今天，微　波通信和光纤通信已经发展的越来越成　熟，但是，考虑现代战争对通信手段的需　求，与这两种通信相比，激光通信正越来越　凭借其独特的优势，崭露头角。随着电磁干　扰的不断升级，在战时条件下，复杂的战场　环境，更要求通信的保密性和可靠性。激光　通信以其良好的保密性，更好的抗电磁干　扰能力，必将成为未来战争中的重要通信　手段，对取得未来战争中的制信息权有着　重要地位…。　但是激光通信受环境条件制约，通信　中必须满足通视条件，且光在大气中传输，　大气引起的光强闪烁、光强衰减等都对光　通信产生较大影响。因此，对通信链路的光　功率计算是十分必要的。　激光在大气中传输，受大气的影响较　大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的　各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造　成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，　引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对　于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、　大气击穿和受激拉曼散射效应。　本文以一种野战用激光通信光端机的　参数为计算模型，对大气信道下通信链路　的光功率进行分析计算。激光通信既是信　息传递系统，又是能量传递系统＿２】。对系统　中的圆形光斑，大气激光通信链路传输方　程可简单描述为：　／９２　Ｐｒ：　‘　’仇’Ｐ　‘　（１）　

Ｌ，　其中，　为光端机接收功率，　为发射　功率，Ｄｒ＝４３　ｍｍ为小口径接收光学天线孔　径，０　＝１．８　ｍｒａｄ为激光发射光束束散角，　为大气衰减系数（ＮＰ／Ｋｍ），仇、　为接　收、发射光学系统透过率，Ｌ＝１０　ｋｍ为传输　距离。各分量如下：　（１）发射功率：　＝ｌＯＯｍＷ；　表１　实验通信链路功率计算表　（２）发射、接收光学系统透过率分别为：　０．８，　０．８；　Ｄ　４３Ｘ４３×１０　（３）几何衰减　丽　：０．０６４３Ｘｌ０～：　（４）大气衰减损耗。　激光在大气中传输，受大气的影响较　大，强度衰减很快。这主要是由于大气中的　各种气体和其他悬浮粒子的散射和吸收造　成的，在传输过程中还受大气湍流的影响，　引起光强闪烁、光束漂移、抖动等现象。对　于能量较大的强激光，还会出现热晕效应、　大气击穿和受激拉曼散射效应。　

大气中，造成光的散射的粒子的大小各　不相同，从１０～ｕｍ￣１］１０　ｇｔｍ，对光的散射存　在一定的随机性，因此不同大小粒子造成的　散射对光的影响的分析方法也不相同ｆ３＿。按　粒子大小分类，对粒子半径　≤０．３　ｕｍ的粒　子，可由瑞利定律分析，称为Ｒａｙｌｅｉｇｈ散　

系统参数名称　参数值　备注　出射光发射功率　２Ｏ　ｄＢｍ　１ｏ０　ｗ　发射光学天线效率　－０．９６９　ｄＢ　Ｏ．８　接收光学天线效率　一１．５４９　ｄ１３　Ｏ．７　大气信道衰减　一５．１５　ｄＢ　能见度２０　ｋｍ　几何衰减　－５２．４３６　ｄＢ　附加损耗　一３　ｄＢ　Ｏ．５　实际接收功率　－４３．１０４　探测器灵敏度　－５０．５６　ｄＢｍ　系统功率安全裕量　７．４５６　ｄＢｍ　

①基金项目：武器装备探索研究项目，项目编号：４０４０５０６０３０１。　作者简介：刘坤明（１９９Ｏ一），男，河南周口人，硕士研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｋｍ０３２３＠１２６．ｃｏｍ。　

科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ｌｊ｛ｊ２ｌ；ｌｌ；ＩｉｉｉＩ—　。　。　。。　。　。　射；当ｒ＞０－３　ｕｍ时，适用米氏定律，称为　Ｍｉｅ散射。　（１）Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射。　对粒子尺　于较小，粒子半径　，　《九　时，产生Ｒａｙｌｅｉｇｈ敞射，Ⅳ为单位体积内粒　子数，其散射系数为　】：　孚・　

为折射率，　为波长，一般理想大气　条件下，Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射系数：　ａ　（　）＝１．０９×１０　ｋｍ。　可以看出，Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射的一个最大　特点是散射强度和波长的四次方成反比，　Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射的散射系数可表示为：　

（　）　６＋３　３Ｎ２　６—７　其中，，ｚ为大气折射率，Ⅳ为单位体积　内的分子个数，　为人射光波的波长，　为　散射的退编振冈　，通常为０．０３５。　（２）Ｍｉｅ米氏散射。　Ｍｉｅ散射理论即球体粒子的光散射理　论，在人气近地面的散射一般都为Ｍｉｅ散　射，造成Ｍｉｅ散射的悬浮粒子直径和波长相　当，主要由大气气溶胶粒子引起，且其散射　强度要比Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射强的多。目前常用　的Ｈｅｎｙｅｙ—Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ相函数㈣：　（　，ｇ）＝　Ｉ－ｇ。　（１＋ｇ　一２ｇＣＯＳ０　２　０　为散射角，ｇ是ＣＯＳ　的平均值　ｆＣＯＳ０）。此函数的好处在于函数相对简　单，能较好描述Ｍｉｅ散射前向散射的特点。　这里根据各影响的参数，依据传输时　具体情况，对大气衰减损耗进行计算，激光　传输中大气造成衰减的衰减系数为　＝　＋　＋　＋　，其中　为大气分子　吸收系数，　为悬浮微粒的吸收系数，　为气体分子散射系数，　为悬浮微粒的散　射系数，对于本实验通信环境，主要衰减是　Ｍｉｅ散射。　的经验公式为：　＝　＝　Ｖ　ＪＬ—５５０　ｎｍ）　，　其中ｌ，为能见度（Ｋｍ），　为激光波长　（１ｇｍ），ｑ值根据可见度不同选取如下：　ｆ　１．６　Ｖ＞￣５０Ｋｍ　ｇ＝　１．３　６Ｋｍ＜Ｖ＜５０Ｋｍ　【０．５８５Ｖ“　Ｖ＜￣６Ｋｉｎ　根据实验现场背景条件，能见度为：　

２　５Ｋｍ　３　．９…１１８０　。８卜ｏ－－　ＮＰ　ｋｍ；　

所以火气衰减损耗为：ｅ　ａＬ：０．３０５４　实验中，Ｐ　＝１００ｍｗ；　＝８０８ｎｍ；叩　＝０．５　＝０．８；０＝１．８ｍｒａｄ；Ｌ＝１０ｋｍ；Ｄ　＝４３ｉｉｌｍ　

高新技术　叩，＝０．５。计算结果如表１所示。　由表１可知，实际接收功率大于探测器　灵敏度，传输距离１０　ｋｍ时，系统ｆＪｊ町正常　进行正常工作。对系统的正常工作性进行　了验证。　本文针对一种实际野战激光通信用光　端机的参数为模型，对大气激光通信链路　功率进行了计算，作为一种简单模型的功　率计算，可以对系统的合理性和光端机关　键器件的选择都用很大的指导意义。　

参考文献　【１】赵尚弘，吴继礼，李勇军，等．卫星激光　通信现状与发展趋势【Ｊ】．激光与光电子　学进展，２０１１，９：２８　４２．　［２】徐亚宁．激光波束扫描与通信目标捕获　问题的研究［Ｊ】＿无线光通信，２００８：５７—５９．　【３】柯熙政，席晓莉．无线激光通信概论　［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社，２００４：　ｌ０—１　５．　［４］Ｌｅｖｉ　Ｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ［Ｍ】．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．１　９８０．　［５］Ｋｉｎ　Ｉ　Ｉ，Ｋｏｏｎｔｚ　Ｊ，Ｈａｋａｋｈａ　Ｈ，ｅｔ　ａ１．　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｉｎｋ　ｍａｒｇｉｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｅｒｒａｌｉｎｋ　ｌａｓｅｒ　ｃＯｍ—　ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ】．ＳＰＩＥ，１　９９８，３２３２：　１００—１　１　Ｒ．　

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