激光大氣信道

激光大氣信道相關(guān)總結(jié)1、大氣對(duì)信道傳輸?shù)挠绊懙?。衰減效應(yīng)對(duì)激光通信的影響的躲避或補(bǔ)償。吸取作用機(jī)理：激光穿過(guò)大氣時(shí)，大氣中的分子在光波電場(chǎng)的作用下被極化，并以入射光的頻率做受迫振動(dòng)，使局部輻射的光能轉(zhuǎn)換成氣體分子的內(nèi)能，消耗了〔經(jīng)相關(guān)爭(zhēng)論說(shuō)明，氣溶膠粒子由于直徑較大，對(duì)光的吸取作用不明顯〕作用特點(diǎn)：使激光功率衰減，但不轉(zhuǎn)變光束的質(zhì)量。打算因素：分子對(duì)光波能量的吸取由分子構(gòu)造、濃度和吸取光頻率所打算，不同的氣體分子對(duì)不同頻率的光吸取的力量不同，具有肯定選擇性。衰減規(guī)律：P(λx)=P(λ0)exp[?k(λ)x]k(λ) 吸取系數(shù)；x 傳輸距離；大氣窗口:大氣對(duì)某些波段光波的吸取較弱，透過(guò)率較高，稱這些透過(guò)率較高的波段為大氣窗口。而變化，并考慮散射等因素影響，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，地球大氣的透過(guò)率如下：1-1不同波長(zhǎng)激光在大氣信道中傳輸?shù)耐高^(guò)率大氣散射散射是光在傳播過(guò)程中遇到微小粒子，使其傳播方向發(fā)生轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，是電磁波在大氣微粒作用下的衍射效應(yīng)造成〔只有當(dāng)微粒的直徑小于或相當(dāng)于輻。其結(jié)果會(huì)使光在原傳播方向上的能量減小，影響光斑外形和光強(qiáng)分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、無(wú)選擇性散射。光斑內(nèi)的強(qiáng)度分布，使光斑內(nèi)部有明暗之分。瑞利散射：產(chǎn)生條件：散射微粒直徑遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生，也稱作氣體分子散射〔108cm級(jí)40nm〔大氣分子〔0.1nm見(jiàn)光400～760nm；近紅外短波〔780~1100nm；近紅外長(zhǎng)波〔1100~2526nm〕主要作用粒子：大氣分子。特點(diǎn)：散射粒子較小，散射光分布較均勻，對(duì)波長(zhǎng)小于40nm的光波才作用明顯比較明顯。隨著散射分子半徑增大，散射增加；隨著波長(zhǎng)的增大，散射減弱。由此可以推論，可見(jiàn)光比紅外光散射猛烈，藍(lán)光比紅外光散射猛烈〔形成藍(lán)色天空。閱歷公式：????=0.827×??×??3/??4A——散射元橫截面積(????2)N——單位體積內(nèi)分子數(shù)(????3)λ——光波波長(zhǎng)(m)T——表示熱力學(xué)溫度1-2散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系米氏散射：產(chǎn)生條件：當(dāng)空氣中粒子的直徑大于入射光的波長(zhǎng)或者和光的波長(zhǎng)可以比較的時(shí)產(chǎn)生，粒子對(duì)入射光散射后的散射光分布比較簡(jiǎn)單且不對(duì)稱，瑞利散射不再適用。作用粒子：云、霧、雨、雪等氣溶膠粒子以及霧霾等微小粒子。特點(diǎn)：散射光角度分布較為簡(jiǎn)單，并且隨著粒子直徑的增加，散射光集中的角度也越〔對(duì)光信號(hào)的影響也相對(duì)更大〕散射系數(shù)閱歷公式：r粒子半徑

????=??(??)????2????(????,??)????——散射效率〔粒子散射的能量與入射到粒子幾何截面上的能量之比〕無(wú)選擇性散射：產(chǎn)生條件：當(dāng)大氣中粒子的直徑遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)發(fā)生的散射。作用粒子：尺寸較大的氣溶膠粒子、微粒、塵埃。作用特點(diǎn)：散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，不具有波長(zhǎng)選擇性，使原傳播方向上的光信號(hào)能量嚴(yán)峻衰減。大氣折射由于大氣的不均勻特性，導(dǎo)致空氣折射率隨空間發(fā)生變化，使激光傳輸路徑發(fā)生偏折的現(xiàn)象。影響因素：大氣溫度、壓強(qiáng)折射率公式：n=1+77.6(1+7,52×103 ??2)(p/T)×106p——大氣壓強(qiáng)T——溫度；λ——入射光波長(zhǎng)；〔pT是隨高度變化的物理量〕反射減弱了電磁波到達(dá)地面的強(qiáng)度。大氣窗口的波段被稱作大氣窗口〔1-1。大氣透過(guò)率計(jì)算〔(Bougher定律：均勻條件下：假設(shè)傳輸路徑上的大氣是介質(zhì)均勻或分層均勻時(shí)，大氣透過(guò)率可表示為：T(λ,L)=

??

=????(??)??非均勻條件下：假設(shè)假設(shè)大氣為非均勻介質(zhì)，其透過(guò)率可表示為：T(λ,L)=exp[ ∫????(??,??)????]0L??0I分別為原始光強(qiáng)和通過(guò)距離L后的光強(qiáng)；??(??)為大氣衰減系數(shù)，與波長(zhǎng)相關(guān)；TL大氣衰減系數(shù)打算于粒子對(duì)光波的吸取和散射，具體關(guān)系如下：??(??,??)=????(??,??)+????(??,??)+????(??,??)+????(??,??)????(??)——分子吸取系數(shù)????(??)——分子散射系數(shù)????(??)——?dú)馊苣z吸取系數(shù)湍流對(duì)激光通信的影響湍流指的是大氣的隨機(jī)不規(guī)章運(yùn)動(dòng)，由于地面的簡(jiǎn)單性和太陽(yáng)輻射的不均勻性，導(dǎo)致大氣的溫度、濕度、壓力、折射率等性質(zhì)的隨機(jī)變化，從而引起大氣折射率的隨機(jī)轉(zhuǎn)變，稱其為湍流效應(yīng)。有機(jī)湍流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致大氣折射率的隨機(jī)轉(zhuǎn)變，嚴(yán)峻影響光波信號(hào)的質(zhì)量，湍流效應(yīng)對(duì)激光信號(hào)的影響主要表現(xiàn)為：光斑漂移與擴(kuò)展、光強(qiáng)閃耀以及到達(dá)角起伏等幾個(gè)方面，嚴(yán)峻限制了空間激光通信的效能。處，是一個(gè)不斷變化的過(guò)程。湍流氣團(tuán)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，能量也在不斷流淌，直徑較大湍流受慣性力起伏影響，形態(tài)往往不穩(wěn)定，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中由于慣性作用不斷分裂成直徑較小的湍流，將尺寸最大的湍流直徑稱作湍流的外徑????〔相當(dāng)于氣流離地面的高度，通常在幾十到幾百米的量級(jí)。當(dāng)湍流尺寸減小的最小的湍流直徑稱作湍流的內(nèi)徑????〔一般為毫米量級(jí)。由于湍流的簡(jiǎn)單性和隨機(jī)性，為了對(duì)其進(jìn)展有效的定量描述，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)Tatarskii：[1][2]。常用爾莫哥洛夫〕模型，Kolmogorov于三個(gè)前提假設(shè)：氣流在微小的區(qū)域可以看作是各向同性的；在各向同性的局部區(qū)域內(nèi)，流體僅僅受摩擦力和慣性的作用；尺度區(qū)間(??0,??0)被稱為慣性范圍；在該范圍之內(nèi)，內(nèi)摩擦力的影響可以無(wú)視，流體運(yùn)動(dòng)由慣性力打算，并且大氣的統(tǒng)計(jì)特制聽(tīng)從“2/3。Kolmogorov模型并不完全適用，于是延長(zhǎng)出了non-Kolmogorov模型。湍流的描述：折射率湍流模型：隨機(jī)特性，可用統(tǒng)計(jì)的方式對(duì)介質(zhì)的特性進(jìn)展描述，可以表現(xiàn)為：n(r,t,λ)=??0(??,??,??)+??1(??,??,??)其中：??0確實(shí)定局部，對(duì)大氣湍流而言??0≈1,??1(??????)表示折射率的隨機(jī)變Kolmogorov??1的構(gòu)造函數(shù)為：可以表述為(2/3):?? (??)=

??2??2;?? ??????????

?? 3 0 0??r??2是與湍流有關(guān)的折射率構(gòu)造常數(shù)。??湍流強(qiáng)度的描述??????2為折射率構(gòu)造常數(shù)，是大氣光學(xué)的根本參數(shù)之一，可用于表征湍流的強(qiáng)度，其值越小，代表湍流越弱。??2隨著地理位置、溫度、高度、氣象條件、太陽(yáng)光照等都親熱聯(lián)系，一般而言，其隨著海拔高度的增加而減小，隨著太陽(yáng)光????3照強(qiáng)度的增加而快速增大。其典型值為1017 ~1012 ??2，其中大于1012 的湍3流被稱作強(qiáng)湍流，1012 到1016 范圍的湍流被稱作中湍流，小于1016 被稱作弱湍流。圖1-3折射率構(gòu)造常數(shù)隨海拔高度的變化圖1-4折射率構(gòu)造常數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系折射率構(gòu)造常數(shù)計(jì)算??很明顯，??2與大氣的溫度、壓強(qiáng)、空氣流淌速度等都有親熱的關(guān)系，是一個(gè)格外簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，一般認(rèn)為其計(jì)算公式可表述如下：????PT2為溫度構(gòu)造化常數(shù)：????〔Hufnagel–ValleyBoundary(HVB)mode：式中V表示風(fēng)速的RMS值，表示離地面的垂直高度。應(yīng)用于海平面大氣中的哈夫那格爾〔Hufngel〕閱歷模型：h，g(h,t)0，具有高斯分布的隨機(jī)變量：??1-4????隨高度變化的曲線??湍流介質(zhì)中光波的傳播模型為了有效描述光波在湍流介質(zhì)中的傳播規(guī)律，常用的描述方法包括：Rytov[3]、馬爾可夫近似方法[4](此局部涉及到光的波動(dòng)學(xué)問(wèn)，看不明白，我認(rèn)為后期假設(shè)需要做有關(guān)相位補(bǔ)償方面的工作，該局部比較有用)。另外，關(guān)于大氣湍流功率譜的主要物理意義不是特別清楚〔應(yīng)當(dāng)與流體力學(xué)有關(guān)，其主要的計(jì)算模型包括：TatarskiiTatarskii理論模型、Tatarskiivon-karmanHillAndrews湍流理論模，并有其計(jì)算功率譜的數(shù)學(xué)模型。大氣湍流對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懺摼植績(jī)?nèi)容由于涉及到光波動(dòng)和流體力學(xué)的學(xué)問(wèn)較多，并且多看的論文中對(duì)該局部缺乏系統(tǒng)的推導(dǎo)和論述，規(guī)律混亂，所以臨時(shí)沒(méi)有深入的學(xué)習(xí)了解。光斑漂移和光束擴(kuò)展當(dāng)光束直徑相對(duì)于湍流尺寸較小時(shí)，湍流會(huì)導(dǎo)致光束作為一個(gè)整體而隨機(jī)偏折，使處于遠(yuǎn)處接收端的光斑中心位置圍繞某一特定位置隨機(jī)跳動(dòng)，這種現(xiàn)〔當(dāng)湍流較強(qiáng)時(shí)，可能導(dǎo)致漂移范圍查過(guò)接收范圍，使通信中不同局部的折射率不同，造成接收端的光斑直徑更大，爭(zhēng)論說(shuō)明，一般狀況下23信的質(zhì)量。其數(shù)學(xué)模型可表示為：??其中??????代表短期擴(kuò)展光束寬,主要由于光的衍射和小湍流造成的光束擴(kuò)展，???2?代表了光束重心位移，其進(jìn)一步表述如下：??θ表示激光傳輸?shù)捻斀?，λ表示工作波長(zhǎng)，0〔H-h〕端和接收端的垂直高度差，k=2π/λ表示波數(shù)，??0表述大氣相干長(zhǎng)度：〔未開展深入學(xué)習(xí)〕光強(qiáng)閃耀到達(dá)近第大氣的光束直徑往往比湍流直徑大得多，此時(shí)，光束截面上可能同時(shí)包含很多個(gè)獨(dú)立的湍流旋渦，導(dǎo)致在光束內(nèi)不同部位產(chǎn)生不同的擾動(dòng)，光斑不同部位的光強(qiáng)度存在起伏，此即為光強(qiáng)閃耀。束的外形具有較為親熱的聯(lián)系，最常用的閃耀模型為：??{??2??2= ?1?? ??{??}2其中I〔具體未開放深入學(xué)習(xí)〕到達(dá)角起伏〔具體未深入爭(zhēng)論〕2、大氣激光通信信道調(diào)研〔該局部信道為統(tǒng)計(jì)模型，適用于強(qiáng)度調(diào)制中〕理論根底 模型名稱 備注基于假設(shè)雷夫近似法的對(duì)數(shù)正態(tài)模型系列(通常只適用于特定的環(huán)境中，缺乏通用性能)基于雙隨機(jī)閃耀的模型〔 doublystochastictheory scintillation〕〔適用于各種湍流強(qiáng)度的環(huán)境〕

對(duì)數(shù)正態(tài)模模型〔lognormalmodel〕負(fù)指數(shù)分布模型〔negativeexponentialdistributionmodal〕[2023:110]萊斯分布模型(Rayleighdistribution)[2023:115]KKdistributionmodal[2023:116]雙隨機(jī)閃耀I(xiàn)-K分布模型doubly-stochasticI-Kdistributionmodal[2023:117、118]對(duì)數(shù)正態(tài)-萊斯模型(log-normalRicemodal)對(duì)數(shù)正態(tài)調(diào)制指數(shù)模型〔log-normally-modulatedexponential〕

1960弱湍流條件下的市區(qū)短距離通信。在長(zhǎng)距離試驗(yàn)中數(shù)據(jù)偏離較為嚴(yán)峻。適用于強(qiáng)湍流信道環(huán)境，主要為后期為了解決對(duì)數(shù)正態(tài)模型無(wú)法應(yīng)用于強(qiáng)湍流環(huán)境的缺乏而提出。K偏離較大，契合度較差?？梢钥醋鲗?duì)數(shù)正態(tài)-萊斯模型的特別狀況。威布爾指數(shù)分布模型〔exponentiatedWeibull〕[2023:109、110、119、120][2023:122]雙威布爾模型〔DoubleWeibulldistribution〕MM-distributionDoubleGeneralizedGammamodel

第一種被廣泛認(rèn)可的通用模型被認(rèn)為是比Gamma-Gamma型，特別是在中湍流條件下，與實(shí)際數(shù)據(jù)契合度更高。近年來(lái)被提出的一種一般性模型，可以涵蓋K和Gamma-Gamma用性。最被提出的模型[2023:125]，性能優(yōu)于DoubleWeibull特別是在強(qiáng)湍流和中湍流環(huán)境下，其準(zhǔn)確性更加明顯。3、其他調(diào)研結(jié)果低軌激光同通信系統(tǒng)的組成低軌激光通信系統(tǒng)的組成信信信信發(fā)接接編射收口碼單單單單元元元元空間激光通信系統(tǒng)光機(jī)分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)空間激光通信系統(tǒng)光機(jī)分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)ATP分系統(tǒng)總控分系統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元光路中繼單元緊密機(jī)械基臺(tái)單元通通通通捕獲單元粗跟蹤單元精跟蹤單元提前量對(duì)準(zhǔn)單元系統(tǒng)總控單元系統(tǒng)熱控單元遙測(cè)遙控單元電源治理單元光學(xué)分系統(tǒng)：光學(xué)望遠(yuǎn)鏡單元(打算了接收單元的靈敏度和放射單元的衍射極限發(fā)散角大小)信設(shè)備體積和重量增加〕功能：完成激光信號(hào)的高質(zhì)量放射與接收；與中繼組件、放射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)等相互連接。光學(xué)中繼單元:連接光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和系統(tǒng)中間組件的單元嚴(yán)密機(jī)械基臺(tái)單元性。通信分系統(tǒng)：通信放射單元組成：激光器〔波長(zhǎng)、調(diào)制器、放大器以及驅(qū)動(dòng)源〔放射功率。通信接收單元組成：光探測(cè)器〔探測(cè)器靈敏度、信號(hào)處理電路波束展寬激光器波束展寬激光器1裝置波束展寬激光器2調(diào)制器下行光514nm上行光830nm掌握器測(cè)器解調(diào)器測(cè)器濾光片雙軸平衡鏡望遠(yuǎn)鏡裝置平衡掌握鏡粗瞄準(zhǔn)CCD制器測(cè)理圖2-2GOLD系統(tǒng)構(gòu)造圖〔粗線條代表光信號(hào)，細(xì)線條代表電信號(hào)〕GOLD重量：22.4kg最大功耗：94w望遠(yuǎn)鏡口徑：7.5cm〔收發(fā)共用；收發(fā)共用除可以使終端設(shè)計(jì)更加緊湊外，還能保證收發(fā)光路的同軸度好〕放大倍數(shù)：15倍放射子系統(tǒng)波長(zhǎng)：830nm30平均輸出功率:13．8mw傳輸數(shù)據(jù)率：1．024Mbit／s〔上行和下行調(diào)制方式：強(qiáng)度調(diào)制／曼徹斯特碼激光在大氣中的衰減狀況調(diào)研對(duì)鏈路設(shè)計(jì)具有格外重要的意義。通過(guò)查閱資料，參考過(guò)外相關(guān)星地通信實(shí)估算出其他波長(zhǎng)的激光在大氣中的衰減水平。星地鏈路距離：374