激光大氣傳輸吸收衰減效應研究_圖文

1、第36卷第3期2008年5月河南師范大學學報(自然科學版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研究時建群1,魏山城2,韓雪云2,周曉艷2(1.安陽師范學院物理系,河南安陽455000;2.河南師范大學物理與信息工程學院,河南新鄉(xiāng)453007摘要:大氣隨機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)學模型,并經(jīng)過仿真計算,得到了一些有益結論,并以此提出了激光通信設計時的一些相應的解決途徑.關鍵詞:激光;光通信;大氣吸收;損耗中圖分類號:TN012文獻標識碼:A激光因其獨特的性質(zhì),在眾多領域都得到了廣泛的應用,尤其是在通信領域.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.大氣激光通信又稱為無線光通信,它是以光波為載體,在大氣中傳遞信息的通信技術.由于大氣信道是隨機的,激光在通過大氣信道傳輸時會產(chǎn)生大氣衰減效應及大氣湍流效應,從而造成光束的彎曲、閃爍、漂移、擴展、畸變及光能損失等現(xiàn)象.因此

3、研究大氣信道的大氣衰減效應和大氣湍流效應對于提高無線光通信系統(tǒng)性能具有重要意義.本文主要對激光在大氣中的吸收衰減特性進行研究,給出實用的大氣吸收衰減計算方法,為無線激光通信系統(tǒng)設計提供依據(jù).1激光在大氣信道中的吸收衰減特性當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,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

4、(為氣溶膠吸收引起的衰減系數(shù).1.1大氣分子吸收大氣分子的吸收是將光輻射能量轉(zhuǎn)換成大氣組成分子的運動2,3.吸收能量的衰減與激光束的波長密切相關,在可見光波段和1.06m波長,大氣分子的吸收可以忽略,但對10.6m波長,大氣分子吸收的影響最為嚴重.圖1所示的大氣窗口為0.7215m,但這只是一種粗略的說法4.大氣分子的吸收還與海拔高度有關5,6,因為越接近地面(幾千米,水蒸汽的濃度越大,水蒸汽吸收的能量也越大,如圖2所示.1.2氣溶膠吸收大氣氣溶膠是指極其細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

5、學性質(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,安陽師范學院講師,主要從事基礎物理研究. 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,虛構的折射率是極小的,在大氣衰減激計算中

6、可以忽略不計.在遠離紅外線的情況下,虛構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氧和水蒸汽吸收系數(shù)的計算采用文獻8給出的數(shù)學模型:(1氧的吸收系數(shù)0(f ,p ,T =2.0058×10-2p 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;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

7、文獻8.實際上,采用標準大氣模型時,對流層中的大氣壓強p ,溫度T 及水蒸汽含量是隨高度變化的,當重力勢高度h g 11km 時9T =288.16-6.5h g ,p =101325×T 288.165.2561222,(6式中h g 與幾何高度的關系為h g =R e h/(R 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 進行積分得到.考慮到大氣對光波傳播的折射效應,需要在大氣中對傳輸路徑進行追蹤.單程大氣吸收損失abs 的計算公式為abs =h 1h 0(

8、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個波段進行了大氣吸收衰減的仿真計算,結果見圖3.由圖3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,應盡量不采用通信光束

9、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,2005.2鄒進上,劉長盛,劉文保.大氣物理基礎M .北京:氣象出版社,1982:293-314.3曹百靈,鄔承就,魏合理,等.碘激光的大氣衰減特性J .光學學報,2003,23(4:496-500.4許春玉,謝德林,楊虎.激光大氣傳輸透過率的分析J .光電工程,1999,26:7-11.5Robert Meneghini ,Toshio Ig

10、uchi.Ground 2to 2Space Optical Power TransferJ .SPIE ,1999,2120:108-117.6李現(xiàn)勤,程兆谷,蔣金波,等.激光束在大氣中長距離傳輸聚焦特性的研究J .光學學報,2001,21(3:324-329.7Brain R Strickland ,Michael J Lavan ,Eric Woodbridge ,et al.Effect s of fog on t he bit 2error rate of a free 2space laser communication sys 2temJ .Applied Optics ,199

11、9,38(3:424-431.8Blake L V.Rader Range 2Performance Analysis R .New Y ork :D C Heat h and Company ,1980.9孫景群.激光大氣探測M .北京:科學出版社,1982.Practicality C alculation 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 Deparmen

12、t ,Anyang Teachers College ,Anyang 453000,China ;2.College of Physics &InformationEngineering ,Henan Normal University ,Xinxiang 453007,China Abstract :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