劉坤明++張立中

摘 要：在現(xiàn)代激光通信傳輸中，大氣對光傳輸過程中的衰減和起伏影響，已嚴(yán)重影響了激光通信的發(fā)展。為提高通信距離、速率和通信質(zhì)量，抑制大氣對激光通信的不利影響是十分重要的。本文針對野戰(zhàn)激光通信環(huán)境，對激光在大氣中的傳輸模型進(jìn)行通信鏈路功率計算，對大氣對光功率的衰減和損耗進(jìn)行了分析，為實際大氣激光通信的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信 大氣衰減 通信鏈路功率

中圖分類號：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2014）03（c）-0001-02

在通信手段不斷更新?lián)Q代的今天，微波通信和光纖通信已經(jīng)發(fā)展的越來越成熟，但是，考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭對通信手段的需求，與這兩種通信相比，激光通信正越來越憑借其獨特的優(yōu)勢，嶄露頭角。隨著電磁干擾的不斷升級，在戰(zhàn)時條件下，復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)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，更好的抗電磁干擾能力，必將成為未來戰(zhàn)爭中的重要通信手段，對取得未來戰(zhàn)爭中的制信息權(quán)有著重要地位[1]。

但是激光通信受環(huán)境條件制約，通信中必須滿足通視條件，且光在大氣中傳輸，大氣引起的光強(qiáng)閃爍、光強(qiáng)衰減等都對光通信產(chǎn)生較大影響。因此，對通信鏈路的光功率計算是十分必要的。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動等現(xiàn)象。對于能量較大的強(qiáng)激光，還會出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

本文以一種野戰(zhàn)用激光通信光端機(jī)的參數(shù)為計算模型，對大氣信道下通信鏈路的光功率進(jìn)行分析計算。激光通信既是信息傳遞系統(tǒng)，又是能量傳遞系統(tǒng)[2]。對系統(tǒng)中的圓形光斑，大氣激光通信鏈路傳輸方程可簡單描述為：

（1）

其中，為光端機(jī)接收功率，為發(fā)射功率，=43 mm為小口徑接收光學(xué)天線孔徑，=1.8 mrad為激光發(fā)射光束束散角，為大氣衰減系數(shù)（NP/Km），、為接收、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率，=10 km為傳輸距離。各分量如下：

（1）發(fā)射功率：；

（2）發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)透過率分別為：=0.8，=0.8；

（3）幾何衰減

；

（4）大氣衰減損耗。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動等現(xiàn)象。對于能量較大的強(qiáng)激光，還會出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

大氣中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，從 um到 um，對光的散射存在一定的隨機(jī)性，因此不同大小粒子造成的散射對光的影響的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分類，對粒子半徑≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，稱為散射；當(dāng) um時，適用米氏定律，稱為散射。

（1）散射。

對粒子尺寸較小，粒子半徑，時，產(chǎn)生散射，為單位體積內(nèi)粒子數(shù)，其散射系數(shù)為[4]：

為折射率，為波長，一般理想大氣條件下，散射系數(shù)：

可以看出，散射的一個最大特點是散射強(qiáng)度和波長的四次方成反比，散射的散射系數(shù)可表示為：

其中，為大氣折射率，為單位體積內(nèi)的分子個數(shù)，為入射光波的波長，為散射的退偏振因子，通常為0.035。

（2）Mie米氏散射。

Mie散射理論即球體粒子的光散射理論，在大氣近地面的散射一般都為Mie散射，造成Mie散射的懸浮粒子直徑和波長相當(dāng)，主要由大氣氣溶膠粒子引起，且其散射強(qiáng)度要比散射強(qiáng)的多。目前常用的相函數(shù)[5]：

為散射角，是的平均值。此函數(shù)的好處在于函數(shù)相對簡單，能較好描述Mie散射前向散射的特點。

這里根據(jù)各影響的參數(shù)，依據(jù)傳輸時具體情況，對大氣衰減損耗進(jìn)行計算，激光傳輸中大氣造成衰減的衰減系數(shù)為，其中為大氣分子吸收系數(shù)，為懸浮微粒的吸收系數(shù)，為氣體分子散射系數(shù)，為懸浮微粒的散射系數(shù)，對于本實驗通信環(huán)境，主要衰減是Mie散射。

的經(jīng)驗公式為：，

其中為能見度（Km），為激光波長（），q值根據(jù)可見度不同選取如下：

根據(jù)實驗現(xiàn)場背景條件，能見度為：25Km，則；所以大氣衰減損耗為：

實驗中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。計算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實際接收功率大于探測器靈敏度，傳輸距離10 km時，系統(tǒng)仍可正常進(jìn)行正常工作。對系統(tǒng)的正常工作性進(jìn)行了驗證。

本文針對一種實際野戰(zhàn)激光通信用光端機(jī)的參數(shù)為模型，對大氣激光通信鏈路功率進(jìn)行了計算，作為一種簡單模型的功率計算，可以對系統(tǒng)的合理性和光端機(jī)關(guān)鍵器件的選擇都用很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙尚弘，吳繼禮，李勇軍，等.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，9：28-42.

[2] 徐亞寧.激光波束掃描與通信目標(biāo)捕獲問題的研究[J].無線光通信，2008：57-59.

[3] 柯熙政，席曉莉.無線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：10-15.

[4] Levi L.Applied Optics[M].New York： John Wiley&Sons，1980.

[5] Kin I I，Koontz J，Hakakha H，et al. Measurement of scintillation and link margin for the terralink laser communication system[J].SPIE，1998，3232：100-118.endprint

摘 要：在現(xiàn)代激光通信傳輸中，大氣對光傳輸過程中的衰減和起伏影響，已嚴(yán)重影響了激光通信的發(fā)展。為提高通信距離、速率和通信質(zhì)量，抑制大氣對激光通信的不利影響是十分重要的。本文針對野戰(zhàn)激光通信環(huán)境，對激光在大氣中的傳輸模型進(jìn)行通信鏈路功率計算，對大氣對光功率的衰減和損耗進(jìn)行了分析，為實際大氣激光通信的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信 大氣衰減 通信鏈路功率

中圖分類號：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2014）03（c）-0001-02

在通信手段不斷更新?lián)Q代的今天，微波通信和光纖通信已經(jīng)發(fā)展的越來越成熟，但是，考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭對通信手段的需求，與這兩種通信相比，激光通信正越來越憑借其獨特的優(yōu)勢，嶄露頭角。隨著電磁干擾的不斷升級，在戰(zhàn)時條件下，復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)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，更好的抗電磁干擾能力，必將成為未來戰(zhàn)爭中的重要通信手段，對取得未來戰(zhàn)爭中的制信息權(quán)有著重要地位[1]。

但是激光通信受環(huán)境條件制約，通信中必須滿足通視條件，且光在大氣中傳輸，大氣引起的光強(qiáng)閃爍、光強(qiáng)衰減等都對光通信產(chǎn)生較大影響。因此，對通信鏈路的光功率計算是十分必要的。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動等現(xiàn)象。對于能量較大的強(qiáng)激光，還會出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

本文以一種野戰(zhàn)用激光通信光端機(jī)的參數(shù)為計算模型，對大氣信道下通信鏈路的光功率進(jìn)行分析計算。激光通信既是信息傳遞系統(tǒng)，又是能量傳遞系統(tǒng)[2]。對系統(tǒng)中的圓形光斑，大氣激光通信鏈路傳輸方程可簡單描述為：

（1）

其中，為光端機(jī)接收功率，為發(fā)射功率，=43 mm為小口徑接收光學(xué)天線孔徑，=1.8 mrad為激光發(fā)射光束束散角，為大氣衰減系數(shù)（NP/Km），、為接收、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率，=10 km為傳輸距離。各分量如下：

（1）發(fā)射功率：；

（2）發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)透過率分別為：=0.8，=0.8；

（3）幾何衰減

；

（4）大氣衰減損耗。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動等現(xiàn)象。對于能量較大的強(qiáng)激光，還會出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

大氣中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，從 um到 um，對光的散射存在一定的隨機(jī)性，因此不同大小粒子造成的散射對光的影響的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分類，對粒子半徑≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，稱為散射；當(dāng) um時，適用米氏定律，稱為散射。

（1）散射。

對粒子尺寸較小，粒子半徑，時，產(chǎn)生散射，為單位體積內(nèi)粒子數(shù)，其散射系數(shù)為[4]：

為折射率，為波長，一般理想大氣條件下，散射系數(shù)：

可以看出，散射的一個最大特點是散射強(qiáng)度和波長的四次方成反比，散射的散射系數(shù)可表示為：

其中，為大氣折射率，為單位體積內(nèi)的分子個數(shù)，為入射光波的波長，為散射的退偏振因子，通常為0.035。

（2）Mie米氏散射。

Mie散射理論即球體粒子的光散射理論，在大氣近地面的散射一般都為Mie散射，造成Mie散射的懸浮粒子直徑和波長相當(dāng)，主要由大氣氣溶膠粒子引起，且其散射強(qiáng)度要比散射強(qiáng)的多。目前常用的相函數(shù)[5]：

為散射角，是的平均值。此函數(shù)的好處在于函數(shù)相對簡單，能較好描述Mie散射前向散射的特點。

這里根據(jù)各影響的參數(shù)，依據(jù)傳輸時具體情況，對大氣衰減損耗進(jìn)行計算，激光傳輸中大氣造成衰減的衰減系數(shù)為，其中為大氣分子吸收系數(shù)，為懸浮微粒的吸收系數(shù)，為氣體分子散射系數(shù)，為懸浮微粒的散射系數(shù)，對于本實驗通信環(huán)境，主要衰減是Mie散射。

的經(jīng)驗公式為：，

其中為能見度（Km），為激光波長（），q值根據(jù)可見度不同選取如下：

根據(jù)實驗現(xiàn)場背景條件，能見度為：25Km，則；所以大氣衰減損耗為：

實驗中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。計算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實際接收功率大于探測器靈敏度，傳輸距離10 km時，系統(tǒng)仍可正常進(jìn)行正常工作。對系統(tǒng)的正常工作性進(jìn)行了驗證。

本文針對一種實際野戰(zhàn)激光通信用光端機(jī)的參數(shù)為模型，對大氣激光通信鏈路功率進(jìn)行了計算，作為一種簡單模型的功率計算，可以對系統(tǒng)的合理性和光端機(jī)關(guān)鍵器件的選擇都用很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙尚弘，吳繼禮，李勇軍，等.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，9：28-42.

[2] 徐亞寧.激光波束掃描與通信目標(biāo)捕獲問題的研究[J].無線光通信，2008：57-59.

[3] 柯熙政，席曉莉.無線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：10-15.

[4] Levi L.Applied Optics[M].New York： John Wiley&Sons，1980.

[5] Kin I I，Koontz J，Hakakha H，et al. Measurement of scintillation and link margin for the terralink laser communication system[J].SPIE，1998，3232：100-118.endprint

摘 要：在現(xiàn)代激光通信傳輸中，大氣對光傳輸過程中的衰減和起伏影響，已嚴(yán)重影響了激光通信的發(fā)展。為提高通信距離、速率和通信質(zhì)量，抑制大氣對激光通信的不利影響是十分重要的。本文針對野戰(zhàn)激光通信環(huán)境，對激光在大氣中的傳輸模型進(jìn)行通信鏈路功率計算，對大氣對光功率的衰減和損耗進(jìn)行了分析，為實際大氣激光通信的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大氣激光通信 大氣衰減 通信鏈路功率

中圖分類號：TN929.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號1672-3791（2014）03（c）-0001-02

在通信手段不斷更新?lián)Q代的今天，微波通信和光纖通信已經(jīng)發(fā)展的越來越成熟，但是，考慮現(xiàn)代戰(zhàn)爭對通信手段的需求，與這兩種通信相比，激光通信正越來越憑借其獨特的優(yōu)勢，嶄露頭角。隨著電磁干擾的不斷升級，在戰(zhàn)時條件下，復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)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，更好的抗電磁干擾能力，必將成為未來戰(zhàn)爭中的重要通信手段，對取得未來戰(zhàn)爭中的制信息權(quán)有著重要地位[1]。

但是激光通信受環(huán)境條件制約，通信中必須滿足通視條件，且光在大氣中傳輸，大氣引起的光強(qiáng)閃爍、光強(qiáng)衰減等都對光通信產(chǎn)生較大影響。因此，對通信鏈路的光功率計算是十分必要的。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動等現(xiàn)象。對于能量較大的強(qiáng)激光，還會出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

本文以一種野戰(zhàn)用激光通信光端機(jī)的參數(shù)為計算模型，對大氣信道下通信鏈路的光功率進(jìn)行分析計算。激光通信既是信息傳遞系統(tǒng)，又是能量傳遞系統(tǒng)[2]。對系統(tǒng)中的圓形光斑，大氣激光通信鏈路傳輸方程可簡單描述為：

（1）

其中，為光端機(jī)接收功率，為發(fā)射功率，=43 mm為小口徑接收光學(xué)天線孔徑，=1.8 mrad為激光發(fā)射光束束散角，為大氣衰減系數(shù)（NP/Km），、為接收、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率，=10 km為傳輸距離。各分量如下：

（1）發(fā)射功率：；

（2）發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)透過率分別為：=0.8，=0.8；

（3）幾何衰減

；

（4）大氣衰減損耗。

激光在大氣中傳輸，受大氣的影響較大，強(qiáng)度衰減很快。這主要是由于大氣中的各種氣體和其他懸浮粒子的散射和吸收造成的，在傳輸過程中還受大氣湍流的影響，引起光強(qiáng)閃爍、光束漂移、抖動等現(xiàn)象。對于能量較大的強(qiáng)激光，還會出現(xiàn)熱暈效應(yīng)、大氣擊穿和受激拉曼散射效應(yīng)。

大氣中，造成光的散射的粒子的大小各不相同，從 um到 um，對光的散射存在一定的隨機(jī)性，因此不同大小粒子造成的散射對光的影響的分析方法也不相同[3]。按粒子大小分類，對粒子半徑≤0.3 um的粒子，可由瑞利定律分析，稱為散射；當(dāng) um時，適用米氏定律，稱為散射。

（1）散射。

對粒子尺寸較小，粒子半徑，時，產(chǎn)生散射，為單位體積內(nèi)粒子數(shù)，其散射系數(shù)為[4]：

為折射率，為波長，一般理想大氣條件下，散射系數(shù)：

可以看出，散射的一個最大特點是散射強(qiáng)度和波長的四次方成反比，散射的散射系數(shù)可表示為：

其中，為大氣折射率，為單位體積內(nèi)的分子個數(shù)，為入射光波的波長，為散射的退偏振因子，通常為0.035。

（2）Mie米氏散射。

Mie散射理論即球體粒子的光散射理論，在大氣近地面的散射一般都為Mie散射，造成Mie散射的懸浮粒子直徑和波長相當(dāng)，主要由大氣氣溶膠粒子引起，且其散射強(qiáng)度要比散射強(qiáng)的多。目前常用的相函數(shù)[5]：

為散射角，是的平均值。此函數(shù)的好處在于函數(shù)相對簡單，能較好描述Mie散射前向散射的特點。

這里根據(jù)各影響的參數(shù)，依據(jù)傳輸時具體情況，對大氣衰減損耗進(jìn)行計算，激光傳輸中大氣造成衰減的衰減系數(shù)為，其中為大氣分子吸收系數(shù)，為懸浮微粒的吸收系數(shù)，為氣體分子散射系數(shù)，為懸浮微粒的散射系數(shù)，對于本實驗通信環(huán)境，主要衰減是Mie散射。

的經(jīng)驗公式為：，

其中為能見度（Km），為激光波長（），q值根據(jù)可見度不同選取如下：

根據(jù)實驗現(xiàn)場背景條件，能見度為：25Km，則；所以大氣衰減損耗為：

實驗中，=100mw；=808nm；=0.5； =0.8；=1.8 mrad；L=10 km；=43 mm；=0.5。計算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，實際接收功率大于探測器靈敏度，傳輸距離10 km時，系統(tǒng)仍可正常進(jìn)行正常工作。對系統(tǒng)的正常工作性進(jìn)行了驗證。

本文針對一種實際野戰(zhàn)激光通信用光端機(jī)的參數(shù)為模型，對大氣激光通信鏈路功率進(jìn)行了計算，作為一種簡單模型的功率計算，可以對系統(tǒng)的合理性和光端機(jī)關(guān)鍵器件的選擇都用很大的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙尚弘，吳繼禮，李勇軍，等.衛(wèi)星激光通信現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，9：28-42.

[2] 徐亞寧.激光波束掃描與通信目標(biāo)捕獲問題的研究[J].無線光通信，2008：57-59.

[3] 柯熙政，席曉莉.無線激光通信概論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004：10-15.

[4] Levi L.Applied Optics[M].New York： John Wiley&Sons，1980.

[5] Kin I I，Koontz J，Hakakha H，et al. Measurement of scintillation and link margin for the terralink laser communication system[J].SPIE，1998，3232：100-118.endprint