激光大氣傳輸吸收衰減效應(yīng)研究_圖文

1、第36卷第3期2008年5月河南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版J ournal of Henan N ormal Universit y(N atural ScienceV ol.36N o.3M ay.2008文章編號:1000-2367(200803-0056-03激光大氣傳輸吸收衰減效應(yīng)研究時建群1,魏山城2,韓雪云2,周曉艷2(1.安陽師范學(xué)院物理系,河南安陽455000;2.河南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453007摘要:大氣隨機(jī)信道對激光傳輸性能的影響是制約激光通信的重要因素之一,因此開展對大氣信道的研究對實現(xiàn)激光通信的實用化具有非常重要的意義.通過研究,給出了激光在大氣中傳輸

2、吸收損耗實用計算的數(shù)學(xué)模型,并經(jīng)過仿真計算,得到了一些有益結(jié)論,并以此提出了激光通信設(shè)計時的一些相應(yīng)的解決途徑.關(guān)鍵詞:激光;光通信;大氣吸收;損耗中圖分類號:TN012文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A激光因其獨特的性質(zhì),在眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,尤其是在通信領(lǐng)域.由于激光通信系統(tǒng)具有通信容量大、傳輸碼率高、保密性能好等諸多優(yōu)點,與其它通信手段相比,是目前大容量空間通信最具競爭力的解決方案.1激光在大氣信道中的吸收衰減特性當(dāng)激光在大氣中傳播時,由于大氣中存在著各種氣體分子和微粒,如塵埃、煙霧以及刮風(fēng),下雨,下雪等氣象現(xiàn)象,使部分能量因散射而偏離原來的傳播方向(即輻射能量在空間重新分配,部分光輻射能量被吸收而

3、轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?如熱能等.大氣對激光引起的吸收衰減主要有大氣分子吸收和大氣氣溶膠吸收.相應(yīng)的大氣吸收衰減系數(shù)由兩項組成1:(=m(+n(,(1式中,m(為大氣分子吸收引起的衰減系數(shù),n(為氣溶膠吸收引起的衰減系數(shù).1.1大氣分子吸收1.2氣溶膠吸收大氣氣溶膠是指極其細(xì)小懸浮在空氣中緩慢下落的的固體或液體小顆粒(冰,塵埃,煙等.它們的尺寸介于10-2100m,如霧,塵埃,海浪的飛沫都是這種浮質(zhì).氣溶膠的化學(xué)性質(zhì),大小和濃度影響大氣的衰減狀況.收稿日期:2007-09-11基金項目:國家自然科學(xué)基金(HSFC#10674042作者簡介:時建群(1953-,男,河南內(nèi)鄉(xiāng)人,安陽師范學(xué)院講師,主

4、要從事基礎(chǔ)物理研究. 大氣氣溶膠衰減系數(shù)由微粒吸收決定n (=1050Q a 2r ,n r 2d N (r d r d r (km -1,(2式中為波長(m ;d N (r /d r 為每單位體積分布的微粒尺寸(cm -4;n 指所研究的微粒的虛構(gòu)的折射率;r 是微粒半徑(cm ;Qa (2r /,n 是給定微粒的吸收截面.M IE 理論7證明,在可見光和紅外線附近,虛構(gòu)的折射率是極小的,在大氣衰減激計算中可以忽略不計.在遠(yuǎn)離紅外線的情況下,虛構(gòu)的那部分折射率必須考慮在內(nèi).2大氣吸收衰減模型有關(guān)氧和水蒸汽吸收系數(shù)的計算采用文獻(xiàn)8給出的數(shù)學(xué)模型:(1氧的吸收系數(shù)0(f ,p ,T =2.005

5、8×10-2p T 3f 245N =1A N ;(3(2水蒸氣的吸收系數(shù)w (f ,p ,T =1.9014×10-5f p w 300T 7/ 2exp 2.1441-300T F ;(4與w (res (f ,p ,T =7.347×10-5p T 5/2f 2.(5式中p 為大氣壓強(qiáng);T 為大氣絕對溫度;f 為頻率;p w 為水蒸汽的分壓;A N ,p w 和F 的計算見文獻(xiàn)8.實際上,采用標(biāo)準(zhǔn)大氣模型時,對流層中的大氣壓強(qiáng)p ,溫度T 及水蒸汽含量是隨高度變化的,當(dāng)重力勢高度h g 11km 時9式中h g 與幾何高度的關(guān)系為h g =R e h/(R

6、e +h ;R e 為地球半徑.大氣分子總的吸收系數(shù)m 可由氧和水蒸汽吸收系數(shù)線性疊加(按分貝數(shù)得到,而在大氣中沿一條路徑傳播的光波的總吸收可以在整條傳輸路徑上對(h 進(jìn)行積分得到.考慮到大氣對光波傳播的折射效應(yīng),需要在大氣中對傳輸路徑進(jìn)行追蹤.單程大氣吸收損失abs 的計算公式為abs =h 1h 0(h sin d h ,(7式中h 0為光射線初始點高度;h 1為射線終點高度;為射線上某點高度為h 的射線仰角.3仿真與分析利用上邊給出的數(shù)學(xué)模型,針對激光通信常用的幾個波段,選取了0.83m 、1.06m 、3.80m 、10.59m 4個波段進(jìn)行了大氣吸收衰減的仿真計算,結(jié)果見圖3.由圖3

7、可知:在相同仰角相同海拔高度的情況下,波長越長,受到的大氣衰減越小.因此,僅從這個角度來講,光通信采用長波長效果較好;對相同波長相同仰角的激光來講,傳輸受到的大氣衰減隨海拔高度的增加而減小;通過分析,在相同波長相同海拔高度處,仰角越大,受到的大氣衰減越小.因此,在建立空-地通信鏈路時,應(yīng)盡量不采用通信光束低仰角甚至水平路程傳輸方式;系統(tǒng)在傳輸相同距離情況下,在傳75第2期時建群等:激光大氣傳輸吸收衰減效應(yīng)研究 輸信道上所產(chǎn)生的功率衰減不同,對系統(tǒng)誤碼率的影響也不同 .參考文獻(xiàn)1徐娟.大氣的光散射特性及大氣對散射光偏振態(tài)的影響D .南京:南京信息工程大學(xué),2005.2鄒進(jìn)上,劉長盛,劉文保.大氣

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10、lculation Method of Laser T ransmittingAbsorption Loss in AtmosphereSH I Jian 2qun 1,WEI Shan 2cheng 2,HAN Xue 2yun 2,ZHOU Xiao 2yan 2(1.Physics Deparment ,Anyang Teachers College ,Anyang 453000,China ;2.College of Physics &InformationEngineering ,Henan Normal University ,Xinxiang 453007,China A

11、bstract :The effect of atmospheric random channel to the laser propagation characteristics is one of the important fac 2tors which restrict laser communication.Therefore ,developing to the atmospheric channel research has the extremely vital sig 2nificance to realize laser communications.Through research ,arrives a practicality calculation method of laser transmitting ab 2sorption loss in atmosphere.Through emulation calculation ,some profitable conclusion