因吸收和散射而引起的特殊的大氣衰減atmo-ITU

1、ITU-RP.1814建議書附件1 ITU-RP.1814建議書 *應提請無線電通信第1研究組和第9研究組注意本建議書。ITU-RP.1814建議書*設計地面自由空間光鏈路所需的預測方法（ITU-R228/3號研究課題）（2007年）范圍本新的建議書提供了用于規(guī)劃地面自由空間光系統(tǒng)的傳播預測方法。它包括用于估計晴天、霧天、雨天和雪天中衰減的方法。它還涉及因陽光而引起的閃爍和不利影響。國際電聯(lián)無線電通信全會，考慮到a）在地球上，可見光和紅外光譜可用于無線電通信；b）為正確規(guī)劃工作于可見光和紅外光譜的自由空間光（FSO）無線電通信系統(tǒng)，需要具備適當的傳播數據；c）已開發(fā)了一些方法，以便計算在規(guī)劃工

2、作于可見光和紅外光譜的自由空間光系統(tǒng)時所需的、最重要的傳播參數；d）已盡可能利用可用的數據對這些方法進行了測試，結果表明，這些方法完全兼容傳播現象的自然可變性，以及完全可用于規(guī)劃工作于可見光和紅外光譜的系統(tǒng)。認識到a）國際電聯(lián)組織法第12款第78條規(guī)定，無線電通信部門的功能之一是“不受頻率范圍和所用建議書的限制，開展各項研究工作”，建議應采用附件1中所提供的傳播參數預測方法，分別在本附件中所指明的有效范圍內規(guī)劃自由空間光（FSO）系統(tǒng)。注1-對可見光和紅外光譜中頻率的傳播預測方法，有一些相關的增補信息，這些信息可以在有關設計地面自由空間光鏈路所需之預測方法的ITU-RP.1817建議書中找到。

3、1引言在設計FOS鏈路時，必須考慮到若干影響因素，包括因大氣吸收而引起的損耗、散射和湍流、小氣候環(huán)境和局部影響、鏈路距離和鏈路未對準。還必須考慮到波長的選擇、數據率、眼睛安全問題和周圍的太陽輻射等。FSO系統(tǒng)的運營要求在視距(LOS)內。當測試視距時，由于FSO系統(tǒng)使用波束擴展和經校準的波束，因此波束中心與任何障礙物之間所需的空隙實際上等于波束半徑。這與RF系統(tǒng)形成對比，后者需要菲涅耳區(qū)空隙。FOS系統(tǒng)的主要缺點是它們容易受到大氣的影響，如衰減和閃爍的影響，這些影響會降低鏈路的可用性。窄的波束還使激光通信終端的布局要求比RF系統(tǒng)的布局要求更嚴格。設計FOS鏈路時的一個關鍵參數是功率預算因素。鏈

4、路余量Mlink(dB)是指超出接收機靈敏度的可用功率，可以通過公式(1)計算得到：M=P-S-A-A-A.-A(1)linkergeoatmoscintillationsystem其中：Pe(dBm)：發(fā)射機總的功率；Sr(dBm)：接收機的靈敏度，它取決于帶寬(數據率)；Ageo(dB)：因發(fā)射波束隨距離增大而擴展所引起的鏈路幾何衰減；geoAatmo(dB)：因吸收和散射而引起的大氣衰減；atmoAscintillation(dB)：因大氣湍流而引起的衰減；scintillationAsystem(dB)：代表所有其他與系統(tǒng)有關的損耗，包括因未對準波束方向而引起的損system耗、接收機

5、光損耗、因波束漂移而引起的損耗、因周圍光線而引起的靈敏度降低(陽光輻射)等。在下面各節(jié)中給出這些項的定義和計算，以及對規(guī)劃一條FSO鏈路所做的最初考慮。設計FSO鏈路時最初的考慮因素選擇合適的鏈路位置是事關FSO系統(tǒng)能否成功運行的一個重要問題。FSO鏈路的安裝必須考慮到路徑沿途的主要氣候條件、物理障礙、表面類型以及收發(fā)器的安裝情況，以確保鏈路的最佳性能。天氣-選定鏈路路徑附近的氣候條件，尤其是當地的氣候，將影響雪、雨、毛毛雨、霾、氣溶膠和灰塵/沙粒的出現，而這些因素將造成所發(fā)射信號的吸收與散射。ITU-RP.1814建議書 #ITU-RP.1814建議書 路徑特性必須明確避免發(fā)射機與接收機之間

6、路徑的物理障礙。非常值得注意的是，成年樹木在一年內可以長高0.51米，并且一年內其樹葉密度也會發(fā)生變化。建筑物之間的鏈路應考慮到熱氣通風口，它會造成整個鏈路路徑上熱空氣的上升，并且因此而產生的湍流會導致接收機上明顯的閃爍效應。FSO視距路徑之下的地形和表面類型可對鏈路性能產生巨大的影響?？缭缴焦然蜷_放海域的FSO鏈路常常會受到霧的影響。鏈路之下的建筑物結構可能引起其上空氣額外的熱活動，并因此而可能導致接收信號上更強的閃爍效應。收發(fā)器安裝大多數FSO系統(tǒng)的波束寬度都非常窄，結果是，準確安裝發(fā)射機與接收機變得至關重要；任何不當的安裝都有可能引起巨大的信號損耗。望遠鏡的座架必須穩(wěn)固，應直接安裝于堅固

7、的墻上，或安裝于單根柱子的頂部，對一段時間內可靠的性能而言，這些都被認為是必不可少的條件。應盡可能減小因不均勻熱膨脹而引起的移動或因風而引起的振動。幾何衰減即使在晴朗的天氣條件下，波束也會分岔，結果是，檢測設備收到的信號功率變小了。因發(fā)射波束隨距離增大而擴展所引起的衰減稱為幾何衰減，通過以下公式來計算：SA（dB）=10log（2）geo10IScapture其中：St:接收機捕捉表面積（m2）；captureSd：距離d處發(fā)射波束表面積，它通過以下公式來近似計算：d兀Sd二匚（d-滬d4其中：0：波束分叉（mrad）；d：發(fā)射機一接收機之間的距離（km）。對短的鏈路，捕捉面積有可能大于波束面

8、積。在這些情況下，由于聚集了所有的波束能量，因此A的值應設為0。geo ITU-RP.1814建議書ITU-RP.1814建議書 4)因吸收和散射而引起的特殊的大氣衰減特殊的大氣衰減丫嘰（dB/km）可計為以下兩個項的和：Y=Y+Y（3）atmoclear_airexcess其中：Yl:晴空條件下的特殊衰減（因存在氣體分子）；clear_airYexcess：因偶爾出現的霧、薄霧、霾、毛毛雨、雨、雪、冰雹等而引起的特殊衰excess減。大氣是一個隨時間變化的傳輸媒介，因此，Yt是一個隨機過程。不過，如公式（1）所atmo示，對系統(tǒng)可用性及其影響所施加的限制通常從統(tǒng)計學角度進行處理。鏈路余量M廠

9、k代表衰link減數量，它是特定系統(tǒng)在特定范圍內可以容許的。4.1特殊的晴天衰減Yclear_air晴天條件下的衰減主要是指因氣體分子吸收而引起的衰減。在特定光波長上的大氣吸收源自光子、原子或分子（氮N2、氧02、氫h2、水h2o、二氧化碳CO2、臭氧03等）之間的相互作用，這種相互作用導致入射光子的吸收和溫度的升高。吸收系數取決于：氣體分子類型；及其濃度。分子吸收是一種波長選擇性現象，它帶來大氣傳輸窗和大氣吸收區(qū)。在紅外波段中具有高吸收性的重要大氣分子包括水H2O、二氧化碳CO2、臭氧03和氧02。由于氣體分子的尺寸大大小于波長，因此，來自氣體分子的散射栓見可以忽略不計。通常情況下，激光的波

10、長選擇在大氣傳輸窗之內，因此，Yclear_air可以忽略不計。在FSOclear_air系統(tǒng)中所用的波長通常接近690、780、850和1550nm。不過，與相對未受污染的郊區(qū)位置相比，在氣溶膠含量很高的密集市區(qū)的應用，可能受益于不同的波長。4.2特殊的額外衰減額外衰減是指因霧、薄霧、霾、毛毛雨、雨和雪顆粒的偶爾出現而引起的衰減。這些顆粒的出現會引起入射通量的角度再分布，稱為散射，它減少了初始方向上的通量傳播。不過，這里不存在類似于吸收的能量損耗。發(fā)射激光波長散射體的物理大小決定了散射類型。表1顯示了三種不同的散射形式，它們取決于散射體的大小以及波長與散射體衰減系數之間的大致關系有效截面積）

11、。表1還顯示了各種形式中有關可見光和紅外波長的散射體類型。取決于相對發(fā)射激光波長九之散射體大小r的散射形式。還顯示了波長與散射體衰減系數Q（Q之間的大致關系。瑞利散射米氏散射非選擇性散射或幾何散射rXQ(X)X0散射體類型空氣分子霾霾霧氣溶膠霧雨J-雪冰雹由于瑞利形式的Q（九）九-4關系式，因此氣體分子的散射對總的衰減系數的影響可以忽略不計。由于顆粒比波長大得多，因此可以通過幾何光學來描繪與激光波長無關的散射。雨滴、雪、冰雹、云中的小水滴和濃霧將在幾何上散射激光。由于顆粒的尺寸可以相比激光波長，因此可應用米氏散射理論。霧和氣溶膠顆粒是米氏散射過程的主要作用因素。可以使用一種解析法，它基于理論上

12、獲得的大氣顆粒有效截面積來計算預測特定的衰減，對大氣顆粒，假設了其顆粒大小的分布。不過，氣溶膠或霧的顆粒大小分布都是決定其物理和光學特性的重要參數，難以對它們進行建模和度量。4.2.1估計因霧天而引起的特殊的衰減（米氏散射）由于解析法在計算因米氏散射而引起的衰減時常常不太實用，因此FSO界采用了一些經驗法。在這些方法中，因米氏散射而引起的衰減系數與能見度有關。能見度或視距在技術上定義為：光的最初功率降至2%所經過的距離，或者，質量上的能見度是指剛好能夠參照地平線辨別一個黑體的距離。能見度參數易于度量并存儲于氣象站或機場數據庫中，它允許使用該參數的分布來對這些電信系統(tǒng)做本地性能評估。不過，在機場

13、收集到的能見度數據可能不一定代表在城市或農村環(huán)境中的條件，這兩種環(huán)境在地形學上差異巨大，接近水體。以下是一個經驗簡化公式，在FSO界用來計算因霧而引起的特殊衰減比/九）（dB/km）：V(550nm丿其中：V：能見度（km）；九：波長（nm）；q：取決于散射顆粒之大小分布的一個系數。它由實驗數據決定，如下所示q=1.6V50km=1.36kmV50km(5)=0.585V1/3V6km為獲得超過某個特定時間百分比p的衰減值（即針對某個特定的概率），要求公式（4）不超過該百分比p的能見度值。4.2.2因雨天而引起的特殊的衰減丫伽特殊的雨衰減y.（dB/km）通過以下關系式來計算：rainY=k-

14、Ra（6）rainITU-RP.837建議書提供了降雨率R（p）（mm/h），超過了平均年的任何特定百分比p和任何位置的降雨率，公式（6）提供了超過時間百分比p的特殊衰減。參數k和a取決于雨的特性，表2提供了從這些指標確定的一些值。圖1和圖2描繪了y.rain與降雨率R之間的關系，使用了表2中有關日本的參數。表2用于估計因下雨而引起的特殊衰減的參數位置ka日本1.580.63法國1.0760.67ITU-RP.1814建議書 #ITU-RP.1814建議書 0IE14-020IE14-02圖1因降雨而引起的大氣衰減(UE-.9P)聲啤r41KI4-U降雨率（mmh圖2因降雨而引起的大氣衰減(E

15、MHPj測得的派長：800inn40100降l：|：j率(Trun/h) ITU-RP.1814建議書 #ITU-RP.1814建議書因雪天而引起的特殊的衰減Ysnow作為降雪之函數的衰減通過以下公式來計算：Y=a-Sb（7）snow其中：Y:因降雪而引起的特殊衰減（dB/km）；snowS：降雪率（mm/h）；a和b：波長的函數九（nm）。表3中給出了干雪和濕雪的估計值。表3用于估計因下雪而引起的特殊衰減的參數ab濕雪0.000102尢+3.790.72干雪0.0000542尢+5.501.38閃爍的影響影響激光通信系統(tǒng)性能的第二個主要大氣過程是因湍流而引起的大氣閃爍，它將引起接收信號功率出

16、現劇烈波動。大氣湍流產生臨時性的氣囊，其溫度稍有不同，密度和折射率也不同。當激光束穿越這些折射率不同的大氣時會發(fā)生變形，因波束漂移和閃爍，會出現數據丟失現象。各種影響的大小取決于這些湍流單元相對激光束直徑的大小。如果湍流單元大于波束直徑，那么若波束漂移開接收機孔徑，則整個激光束將發(fā)生隨機彎曲，導致信號損耗。盡管波長依賴性較弱，但較長的波長將比較短的波長更少地發(fā)生波束漂移。更常見的是，如果湍流單元的尺寸小于激光束直徑，那么射線彎曲和衍射將在激光束波前產生失真。這將在接收機處引起激光束強度的暫時波動，頻譜范圍為0.01Hz200Hz，稱為閃爍。對流層閃爍的影響一般從被觀測信號的幅度對數（dB）（“

17、對數一幅度”角度進行研究，定義為其瞬時幅度與其平均值之間的比，以分貝數計。強度和波動率（閃爍頻率）隨波長的增大而增大。對平面波和弱湍流，閃爍變化G2（dB2）可以通過以下關系式來表示：x吟23-17-譏C小（8） ITU-RP.1814建議書ITU-RP.1814建議書 10)其中：k2n:波的數量（m-i）；九L：鏈路長度（m）；C2:折射率結構參數（m-2/3）。n閃爍具有4。的峰值振幅，因閃爍而引起的衰減為2。對強湍流，可觀測到由以上關系XX式給出的變化飽和度。參數C2在光波長上的值與在毫米波長上的值是不同的。在毫米波長上n的閃爍主要源于濕度的波動，而在光波長上的閃爍主要源于溫度的作用。

18、在毫米波長上，C2約n等于10-13m-2/3（般而言，在毫米波長上，C2介于10-14與10-12m-2/3之間），而在光波長上,n對弱湍流，C2的值約等于2x10-15m-2/3（一般而言，在光波長上，C2介于10-16與10-13m-2/3nn之間）。圖3描繪了1550nm波長光束在弱、中和強湍流時的衰減變化，距離最大可為2000米。顯然，隨著湍流的增大，衰減也增大。表4顯示了湍流對光和無電線波傳播的影響。光的波長越長，衰減則越大。圖31550nm處依據不同湍流類型距離的、閃爍引起之衰減的變化屮湍流強湍流L814-W1km路徑長度預期閃爍衰減深度表湍流低中高C2光波（m-2/3）n10-

19、1610-1410-13衰減（0.98gm）（dB）0.515.0616.00衰減（1.55gm）（dB）0.393.8712.25C2毫米波（m-2/3）10-1510-1310-12衰減（40GHz）（dB）0.030.090.27衰減（60GHz）（dB）0.030.110.35要么通過使用多個發(fā)射波束，要么通過使用大的接收機孔徑，可以減少閃爍。另外，為了盡可能減輕閃爍對傳輸路徑的影響，不應將FSO系統(tǒng)安裝在熱表面附近。由于閃爍與高度成反比，因此建議將FSO系統(tǒng)安裝在略高于屋頂（1米）的地方，如果在類似沙漠的環(huán)境中進行安裝，那么應遠離邊墻。為補償霧或雨衰減而分配的余量也可用于補償閃爍的影

20、響。周圍光線的影響當太陽或太陽反射的圖像處于或接近光接收機的瞬時視場（IFOV）時，將出現日光交叉現象。接收IFOV通常至少與傳輸散度一樣大。當太陽位置與光鏈路平行時，問題就變得嚴重起來，進入接收機內的太陽功率大于在發(fā)射機處收到的功率。通常通過調整接收機的安放位置來減小日光的干擾，因此，太陽總是偏離軸線。圖4描述了有關自由空間光鏈路的、太陽路徑在空中的幾何關系（A為接收機，B為發(fā)射機）。圖4有關自由空間光鏈路的太陽路徑示意圖太陽輻射的功率Pradiated（W/m2）通過以下關系式來定義:PradiatedI兀=1200-cos-E12ls丿9)其中，E為太陽高度（rad）。ls接收到的功率通

21、過以下公式來計算P=F-Psolarsolarradiated-S-W/100capturereceiver其中：Fsolar：作為波長之函數的太陽光譜功率S：capture接收機捕捉表面積（m2）；Wreceiver：receiver接收機帶寬（nm）；Fsolar：通過以下曲線擬合來建模：F=8.97x10-13九54.65x10-9九4+9.37x10-6九39.067x10-3九2+4.05九-5.70（11）solar其中：九：波長（nm）。計算鏈路邊際接收機距離發(fā)射機d（km）的FSO系統(tǒng)的鏈路衰減余量可以通過以下步驟來估計：步驟1：可以從公式（1）獲得幾何衰減A。geo步驟2：通常選擇激光波長落于大氣傳播窗口內，因此認為可以忽略不計丫，。不過，對晴clear_air天特殊衰減的估計可以從ITU-RP.1817建議書中獲得。步驟3：可以從公式（4）和公式（5）獲得因霧而引起的特殊衰減y。在缺少本地數據的情況fo