李小明，張廣城，劉偉達(dá)

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)　空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春　130022；2.長(zhǎng)春工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春　130021）

后向散射對(duì)陸戰(zhàn)激光通信影響分析

李小明1，張廣城2，劉偉達(dá)1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春工程技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130021）

激光通信抗干擾能力強(qiáng)、保密性好，非常適用于陸戰(zhàn)條件下抗電磁干擾通信，對(duì)提升陸軍作戰(zhàn)能力具有重大推動(dòng)作用。陸戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜煙塵較重，發(fā)射的激光受到大氣后向散射的影響會(huì)反射到己方的接收系統(tǒng)中，對(duì)接收產(chǎn)生一定影響，因此必須對(duì)激光通信系統(tǒng)后向散射的強(qiáng)度進(jìn)行分析。根據(jù)陸戰(zhàn)激光通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)收發(fā)獨(dú)立口徑和收發(fā)共口徑的兩類激光通信光系統(tǒng)大氣后向散射進(jìn)行了分析，并對(duì)系統(tǒng)發(fā)散角、接收視場(chǎng)、光軸間距等參數(shù)與后向散射強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了仿真，為優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)、減小大氣后向散射對(duì)系統(tǒng)影響提供了參考。

激光通信；大氣后向散射；陸戰(zhàn)通信

大氣激光通信是以激光為信息載體，在大氣信道中進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑哂锌垢蓴_能力強(qiáng)、保密性好、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。但激光在大氣中傳輸時(shí)極易受到大氣的影響，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。大氣對(duì)激光通信的影響主要有折射、吸收、散射和湍流等，其中散射是由大氣分子和大氣中的氣溶膠離子等引起的傳輸方向上激光能量的減弱［3，4］，散射方向與激光傳輸方向相反的散射稱為后向散射。后向散射帶來(lái)的逆向傳輸會(huì)導(dǎo)致發(fā)射的激光經(jīng)后向散射進(jìn)入自己的接收系統(tǒng)中，在同波長(zhǎng)雙向通信時(shí)嚴(yán)重干擾系統(tǒng)對(duì)通信激光的接收探測(cè)，影響通信性能［5］。

在傳統(tǒng)鏈路的激光通信系統(tǒng)中（衛(wèi)星-衛(wèi)星、衛(wèi)星-地面等）通信節(jié)點(diǎn)較少，采用通信收、發(fā)系統(tǒng)使用不同波長(zhǎng)激光，結(jié)合窄帶濾光的方法能夠很好解決后向散射的影響［6］。但是在陸戰(zhàn)激光通信中通信節(jié)點(diǎn)較多，為了保證通信網(wǎng)絡(luò)中不同作戰(zhàn)單位通信的需要，要求通信網(wǎng)絡(luò)中的各通信節(jié)點(diǎn)間均有相互通信能力，因此系統(tǒng)必須采用收、發(fā)同波長(zhǎng)方案，這樣就必須考慮后向散射對(duì)通信的干擾問(wèn)題。

1　激光通信系統(tǒng)

因?yàn)榧す馔ㄐ畔到y(tǒng)的通信光束散角比較?。◣资珟装佴蘲ad），為了保證通信時(shí)雙方的通信光軸能夠快速捕獲和相互對(duì)準(zhǔn)，激光通信系統(tǒng)一般都設(shè)計(jì)有束散角相對(duì)較大、光軸與通信光光軸平行的主動(dòng)信標(biāo)光單元，通信雙方互相發(fā)射一束信標(biāo)激光，然后通過(guò)相互跟蹤對(duì)方信標(biāo)光束保證雙方通信光光軸的對(duì)準(zhǔn)，信標(biāo)光單元一般采用收發(fā)獨(dú)立口徑設(shè)計(jì)。為了壓縮束散角、提高接收能量，通信光單元一般采用收發(fā)共口徑方案，既通信激光的發(fā)射和接收采用同一個(gè)大口徑光學(xué)天線，在后續(xù)光路中采用分光片將收發(fā)光分開(kāi)。某激光通信系統(tǒng)的光學(xué)原理和光學(xué)結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1　某激光通信系統(tǒng)光學(xué)原理圖

圖2　光學(xué)構(gòu)示意圖

2　后向散射強(qiáng)度模型

激光在大氣中傳輸時(shí)，主要受到空氣密度不均造成的分子散射、氣溶膠粒子造成的氣溶膠散射和大氣湍流引起的不均勻性散射的影響。根據(jù)粒子的尺度與光波長(zhǎng)的關(guān)系，散射可以分為：直徑遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)粒子產(chǎn)生的瑞利散射、粒子的尺度和激光波長(zhǎng)相比不能忽略時(shí)的米氏散射［7］。霧霾、煙塵等粒子的半徑和激光波長(zhǎng)滿足x=2pr/l＞0.3，米氏散射起到主要作用，所以用米氏散射理論來(lái)計(jì)算粒子對(duì)激光的散射作用，忽略瑞利散射的影響［8］。

為了分析獨(dú)立口徑（信標(biāo)）光系統(tǒng)和共口徑（通信）光系統(tǒng)后向散射的程度，分別建立了兩系統(tǒng)的物理模型，如圖3和圖4所示。

圖3　共口徑光學(xué)系統(tǒng)（通信光）示意圖

圖4　獨(dú)立口徑光學(xué)系統(tǒng)（信標(biāo)光）示意圖

圖中，θx和θt分別為信標(biāo)光和通信光發(fā)射束散角，φx和φt分別為信標(biāo)光和通信光接收視場(chǎng)角，激光器輸出功率分別為Px0和Pt0，dv為接收視場(chǎng)內(nèi)的散射體積元，l為發(fā)射端與散射體積元的距離，D為通信光學(xué)天線口徑，d為發(fā)射和接收口徑間距。為了簡(jiǎn)化散射模型，這里只考慮了單散射的情況。

根據(jù)散射公式，發(fā)射功率為P0，束散角為θ的激光，在距離為l的截面上輻射照度為［9-11］：

其中βex為體消光系數(shù)，從散射體dv散射到方向角為α的輻射強(qiáng)度為：

式中βsc為體散射系數(shù)；P（α）為散射相函數(shù)，其中α為散射方向角。根據(jù)輻射光束的傳播公式，接收系統(tǒng)接收到的散射光輻射強(qiáng)度為：

將公式（2）帶入得：

對(duì)接收視場(chǎng)內(nèi)的散射體積分得到接收到的散射光輻射強(qiáng)度為：

對(duì)于激光通信系統(tǒng)，無(wú)論是通信單元還是信標(biāo)單元，發(fā)射光軸與接收光軸互相平行，且視場(chǎng)角都較小，因此散射角α為180°。散射單元dv對(duì)接收口徑D所成的立體角為Ω（l）=π，則接收單元接收到的散射功率為：

d為發(fā)射與接收口徑間距離。于是，信標(biāo)光單元接收到的后向散射的強(qiáng)度為：

通信光系統(tǒng)接收到的向后散射射強(qiáng)度為：

3　散射影響仿真分析

為了分析系統(tǒng)參數(shù)對(duì)后向散射的影響，根據(jù)文獻(xiàn)中［12］提供的鄉(xiāng)村輕霾條件下的大氣參數(shù)，對(duì)信標(biāo)光和通信光后向散射的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，仿真時(shí)所取的大氣參數(shù)如表1所示，通信系統(tǒng)的主要參數(shù)如表2所示。

對(duì)激光通信系統(tǒng)發(fā)射端與霧霾的距離、發(fā)射束散角、接收視場(chǎng)、口徑間距等參數(shù)對(duì)信標(biāo)光和通信光后向散射強(qiáng)度的影響進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖5～9所示。

圖5　信標(biāo)光后向散射強(qiáng)度與發(fā)射端和粒子距離的關(guān)系

圖6　信標(biāo)光后向散射強(qiáng)度與接收視場(chǎng)關(guān)系（l=100m）

圖7　信標(biāo)光后向散射強(qiáng)度與發(fā)散角間關(guān)系（l=100m）

表1　輕霧霾大氣參數(shù)

表2　激光通信系統(tǒng)參數(shù)

圖8　信標(biāo)光后向散射強(qiáng)度與收發(fā)光軸距離關(guān)系（l=100m）

圖9　通信光后向散射強(qiáng)度與距離l的關(guān)系

4　結(jié)論

由以上分析可見(jiàn)，對(duì)于獨(dú)立口徑的激光通信系統(tǒng)，后向散射強(qiáng)度隨接收視場(chǎng)的加大而增大，隨發(fā)射束散角的加大而減小，隨發(fā)射與接收光軸間距增大而減?。粚?duì)于共口徑激光通信系統(tǒng)，產(chǎn)生后向散射的大氣粒子與激光通信系統(tǒng)的距離是影響后向散射的強(qiáng)度的主要因素，后向散射強(qiáng)度隨大氣粒子與發(fā)射端的距離的減小而增大。上述結(jié)論，可以為激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)減小后向散射的影響提供優(yōu)化依據(jù)。

［1］ 吳從均，顏昌翔，高志良.空間激光通信發(fā)展概述［J］.中國(guó)光學(xué)，2013，6（5）：670-679.

［2］ 付強(qiáng)，姜會(huì)林，王曉曼，等.空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國(guó)光學(xué)，2012，5（2）：116-125.

［3］ 姜會(huì)林.空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［4］ 曾文鋒，李東，李申鵬，等.一種便攜式大氣激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.激光與紅外，2012，42（6）：617-619.

［5］ 仲健.大氣激光后向散射特性的研究和應(yīng)用［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

［6］ 賈旭，李少輝.國(guó)外星地激光通信試驗(yàn)及其鏈路分析［J］.航天器工程，2013，22（1）：120-126.

［7］ 楊雨川，龍超，譚碧濤，等.大氣后向散射對(duì)主動(dòng)探測(cè)激光脈沖的影響［J］.激光與紅外，2013，43（5）：482-485.

［8］ 黃朝軍，劉亞鋒，吳振森.煙塵簇團(tuán)粒子光學(xué)截面和散射矩陣的數(shù)值計(jì)算［J］.物理學(xué)報(bào)，2007，56（7）：4068-4073.

［9］ 榮微，陳思穎，張寅超，等.Raman-Mie方法反演氣溶膠后向散射系數(shù)［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2012，32（11）：3024-3027.

［10］ 王海華，孫賢明，劉萬(wàn)強(qiáng)，等.輻射傳輸方程中的單次散射參數(shù)計(jì)算［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，48：0229021-10229021-5.

［11］ 王一然.后向散射對(duì)激光雷達(dá)工作性能的影響［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2014.

［12］ 許曉軍.陸啟生舒柏宏等激光照明的大氣后向散射理論模擬和試驗(yàn)研究［J］.紅外與激光工程，2001，30（1）：60-65.

The Effect of Back Scattering on Land-battlefield Laser Communication

LI Xiaoming1，ZHANG Guangcheng2，LIU Weida1
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Technology，Changchun 130021）

Laser communication is characterized by anti-electromagnetic interference and security，it is fit for near-earth anti-electromagnetic communication and security-information transmission.The condition of land battlefield is complex and smoke heavily，the laser will be reflected to its own receiving terminal because of back scattering and have a strong impact on communication performance，it necessary to study the effect of back scattering on laser communication. For improving the performance of system，analyze the effect of back scattering on beacon and communication laser，then simulate the relation between intensity of back scattering and caliber divergent-angle receiving-filed axle-distance. It is reference for laser communication system of land battlefield.

laser communication；back scattering；land battlefield communication

TN927

A

1672-9870（2015）06-0030-04

2015-09-30

李小明（1984-），男，研究實(shí)習(xí)員，E-mail：lxmkidd@163.com