激光大气传输吸收衰减效应研究
第36卷 第3期2008年5月
河南师范大学学报(自然科学版)
J ournal of Henan N ormal Universit y(N atural Science)
V ol.36 N o.3
M ay.2008
文章编号:1000-2367(2008)03-0056-03
激光大气传输吸收衰减效应研究
时建群1,魏山城2,韩雪云2,周晓艳2
(1.安阳师范学院物理系,河南安阳455000;2.河南师范大学物理与信息工程学院,河南新乡453007)
摘 要:大气随机信道对激光传输性能的影响是制约激光通信的重要因素之一,因此开展对大气信道的研究对实现激光通信的实用化具有非常重要的意义.通过研究,给出了激光在大气中传输吸收损耗实用计算的数学模型,并经过仿真计算,得到了一些有益结论,并以此提出了激光通信设计时的一些相应的解决途径.
关键词:激光;光通信;大气吸收;损耗
中图分类号:TN012 文献标识码:A
激光因其独特的性质,在众多领域都得到了广泛的应用,尤其是在通信领域.由于激光通信系统具有通信容量大、传输码率高、保密性能好等诸多优点,与其它通信手段相比,是目前大容量空间通信最具竞争力的解决方案.
大气激光通信又称为无线光通信,它是以光波为载体,在大气中传递信息的通信技术.由于大气信道是随机的,激光在通过大气信道传输时会产生大气衰减效应及大气湍流效应,从而造成光束的弯曲、闪烁、漂移、扩展、畸变及光能损失等现象.因此研究大气信道的大气衰减效应和大气湍流效应对于提高无线光通信系统性能具有重要意义.本文主要对激光在大气中的吸收衰减特性进行研究,给出实用的大气吸收衰减计算方法,为无线激光通信系统设计提供依据.
1 激光在大气信道中的吸收衰减特性
当激光在大气中传播时,由于大气中存在着各种气体分子和微粒,如尘埃、烟雾以及刮风,下雨,下雪等气象现象,使部分能量因散射而偏离原来的传播方向(即辐射能量在空间重新分配),部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量(如热能等).
大气对激光引起的吸收衰减主要有大气分子吸收和大气气溶胶吸收.相应的大气吸收衰减系数由两项组成[1]:
α(λ)=α
m
(λ)+αn(λ),(1)式中,αm(λ)为大气分子吸收引起的衰减系数,αn(λ)为气溶胶吸收引起的衰减系数.
1.1 大气分子吸收
大气分子的吸收是将光辐射能量转换成大气组成分子的运动[2,3].吸收能量的衰减与激光束的波长密切相关,在可见光波段和1.06μm波长,大气分子的吸收可以忽略,但对10.6μm波长,大气分子吸收的影响最为严重.图1所示的大气窗口为0.72～15μm,但这只是一种粗略的说法[4].大气分子的吸收还与海拔高度有关[5,6],因为越接近地面(几千米),水蒸汽的浓度越大,水蒸汽吸收的能量也越大,如图2所示.
1.2 气溶胶吸收
大气气溶胶是指极其细小悬浮在空气中缓慢下落的的固体或液体小颗粒(冰,尘埃,烟等).它们的尺寸介于10-2～100μm,如雾,尘埃,海浪的飞沫都是这种浮质.气溶胶的化学性质,大小和浓度影响大气的衰减状况.
收稿日期:2007-09-11
基金项目:国家自然科学基金(HSFC#10674042)
作者简介:时建群(1953-),男,河南内乡人,安阳师范学院讲师,主要从事基础物理研究.
大气气溶胶衰减系数由微粒吸收决定
αn (
λ)=105∫∞
0Q a 2πr λ,n ″?πr 2d N (r )d r d r (km -1),(2)
式中λ为波长(μm );d N (r )/d r 为每单
位体积分布的微粒尺寸(cm -4);n ″指所
研究的微粒的虚构的折射率;r 是微粒半
径(cm );Qa (2
πr /λ,n ″)是给定微粒的吸收截面.
M IE 理论[7]证明,在可见光和红外
线附近,虚构的折射率是极小的,在大气
衰减激计算中可以忽略不计.在远离红
外线的情况下,虚构的那部分折射率必
须考虑在内.2 大气吸收衰减模型
有关氧和水蒸汽吸收系数的计算采用文献[8]给出的数学模型:
(1)氧的吸收系数
α0(f ,p ,T )=2.0058×
10-2p T 3f 2∑45
N =1A N ;(3) (2)水蒸气的吸收系数
αw (f ,p ,T )=1.9014×
10-5f p w 300T 7/
2exp 2.1441-300T F ;(4)
与 αw (res )(f ,p ,T )=7.347×
10-5ρp T 5/2f 2.(5)式中p 为大气压强;T 为大气绝对温度;f 为频率;p w 为水蒸汽的分压;A N ,p w 和F 的计算见文献[8].
实际上,采用标准大气模型时,对流层中的大气压强p ,温度T 及水蒸汽含量是随高度变化的,当重力势高度h g Φ11km 时[9]
T =288.16-6.5h g ,p =101325×T 288.165.2561222,(6)
式中h g 与几何高度的关系为h g =R e h/(R e +h );R e 为地球半径.
大气分子总的吸收系数αm 可由氧和水蒸汽吸收系数线性叠加(按分贝数)得到,而在大气中沿一条路径传播的光波的总吸收可以在整条传输路径上对α(h )进行积分得到.考虑到大气对光波传播的折射效应,需要在大气中对传输路径进行追踪.单程大气吸收损失αabs 的计算公式为
αabs =∫h 1h 0α(h )sin θ
d h ,(7)
式中h 0为光射线初始点高度;h 1为射线终点高度;θ为射线上某点高度为h 的射线仰角.3 仿真与分析
利用上边给出的数学模型,针对激光通信常用的几个波段,选取了0.83μm 、1.06μm 、3.80μm 、10.59μm 4个波段进行了大气吸收衰减的仿真计算,结果见图3.
由图3可知:①在相同仰角相同海拔高度的情况下,波长越长,受到的大气衰减越小.因此,仅从这个角度来讲,光通信采用长波长效果较好;②对相同波长相同仰角的激光来讲,传输受到的大气衰减随海拔高度的增加而减小;③通过分析,在相同波长相同海拔高度处,仰角越大,受到的大气衰减越小.因此,在建立空-地通信链路时,应尽量不采用通信光束低仰角甚至水平路程传输方式;④系统在传输相同距离情况下,在传
7
5第2期 时建群等:激光大气传输吸收衰减效应研究
输信道上所产生的功率衰减不同,对系统误码率的影响也不同
.
参 考 文 献
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Practicality C alculation Method of Laser T ransmitting
Absorption Loss in Atmosphere
SH I Jian 2qun 1,WEI Shan 2cheng 2,HAN Xue 2yun 2,ZHOU Xiao 2yan 2
(1.Physics Deparment ,Anyang Teachers College ,Anyang 453000,China ;2.College of Physics &Information
Engineering ,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 profitable conclusion is gained.Some corresponding solve paths in laser communications design have been found.
K ey w ords :laser ;optical communication ;atmospheric absorption ;loss 85河南师范大学学报(自然科学版) 2008年
大气激光通信系统的研究教材
大气激光通信系统的研究 摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。 本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。 并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。 关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器 一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。 大气激光通信系统的主要应用和优点
激光通信的应用
激光通信的应用 1． 激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2． 激光通信： 定义1：利用激光进行信息传递的通信。 定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3． 激光通信的原理： 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒 子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点： 相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1．无须授权执照 无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2．安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。
大气辐射传输模型
[转载]大气辐射传输模型 已有 968 次阅读2010-11-6 14:31|个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:辐射传输 转自https://www.wendangku.net/doc/a09979995.html,/s/blog_4b700c4c0100jgl7.html 相对辐射校正和绝对辐射校正 基于物理模型的绝对辐射校是利用一系列参数(例如，卫星过境时的地物反射率，大气的能见度，太阳天顶角和卫星传感器的标定参数等)将遥感图像进行校正的方法。仪器引起的误差畸变一般在数据生产过程中由生产单位根据传感器参数进行了校正。对于用户来所，绝对辐射校正的方法主要是辐射传输模型法，该方法校正精度较高，它是利用电磁波在大气中的辐射传输原理建立起来的模型对遥感图像进行大气校正的方法。由于有不同的不同的假设条件和适用的范围，因此产生很多可选择的大气较正模型，例如 6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型、ATCOR模型等。 基于统计模型的相对辐射校正,主要包括不变目标法、黑暗像元法与直方图匹配法等等。不变目标法假定图像上存在具有较稳定反射辐射特性的像元，并且可确定这些像元的地理意义，那么就称这些像元为不变目标，这些不变目标在不同时相的遥感图像上的反射率将存在一种线性关系。当确定了不变目标以及它们在不同时相遥感图像中反射率的这种线性关系，就可以对遥感图像进行大气校正。黑暗像元法的基本原理就是在假定待校正的遥感图像上存在黑暗像元区域、地表朗伯面反射、大气性质均一，忽略大气多次散射辐照作用和邻近像元漫反射作用的前提下，反射率很小的黑暗像元由于大气的影响，而使得这些像元的反射率相对增加，可以认为这部分增加的反射率是由于大气程辐射的影响产生的。利用黑暗像元值计算出程辐射，并代入适当的大气校正模型，获得相应的参数后，通过计算就得到了地物真实的反射率。直方图匹配法是指如果确定某个没有受到大气影响的区域和受到大气影响的区域的反射率是相同的，并且可以确定出不受影响的区域，就可以利用它的直方图对受影响地区的直方图进行匹配处理。此外，还有很多基于统计模型的方法，如有人提出利用小波变换的遥感图像相对辐射校正方法。该方法对源图像小波变换域的低频成分实施辐射变换,并保持高频成分不变,重构的图像具有保持高频信息的特性,因而能够较好地保留原图像中由于地物变化引起的辐射差异；也有人利用主成分分析法把遥感图像中有用的信息和大气影响噪音区分开来。 大气辐射传输模型6S 1986年，法国Université des Sciences et Technologies de Lille（里尔科技大学）大气光学实验室Tanré等人为了简化大气辐射传输方程，开发了太阳光谱波段卫星信号模拟程序5S（SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM），用来模拟地气系统中太阳辐射的传输过程并计算卫星入瞳处辐射亮度。1997年，Eric Vemote对5S进行了改进，发展到6S（SECOND SIMULATION OF THE SATELLITE SIGNAL IN THE SOLAR SPECTRUM）,6S吸收了最新的散射计算方法，使太阳光谱波段的散射计算精度比5S有所提高。 这种模式是在假定无云大气的情况下，考虑了水汽、CO2、O3和O2的吸收、分子和气溶胶的散射以及非均一地面和双向反射率的问题。6S是对5S的改进，光谱积分的步长从5nm 改进到2.5nm，同5S 相比，它可以模拟机载观测、设置目标高程、解释BRDF作用和临近效应，增加了两种吸收气体的计
湍流的统计特性及对激光大气传输的影响
第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析 激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。 4.1大气湍流的成因 在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。形成大气湍流的原因大致有四点。第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。图4.1形象的表述了湍流的形成。
上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度 L，最小的湍涡是内尺度0l。 尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。 4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论 虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。随机性构成了湍流统计理论的基础；涡粘性揭示了湍流相近尺度间的相互作用行为；级串给了我们最直观、最明晰的湍流图像；标度律则成为物理上定量研究湍流问题的数学手段。 在直观的湍流现象中，Richardson首先给出了湍流的级串图：湍流中存在着不同尺度间的逐级能量传递，由大尺度湍涡向小尺度湍涡输送能量。第一级大湍涡的能量来自外界，大湍涡失稳后形成次级的小湍涡，再失稳后产生更次一级的小湍涡。在大雷诺数下，所有可能的运动模式都被激发。 基于Richardson级串模型。Kolmogorov认为在大雷诺数下，这些不同尺度的湍
大气传输对激光后向散射式能见度测试的影响及理论研究
第2卷第6期光学与光电技术V ol. 2, No. 6 收稿日期 2004-08-31；修改稿日期 2004-10-19 作者简介蒋冰莉（1975-），女。硕士研究生。主要从事大气能见度测试仪的研究。E-mail: pop_ice@https://www.wendangku.net/doc/a09979995.html,
18 光 学 与 光 电 技 术 第2卷 取决于在雾和霾中悬浮水滴的密度分布和尺寸分布，折射率及雾和霾的厚度。当激光通过时，液态球形水滴的吸收光谱是不同的。如果同时考虑吸收和散射两种衰减的作用，那么雾和霾的透射率，在任何适当的路程内都是很小的。 雨对激光传输的影响与雾霾不同，激光在雨中仍有较高的透射率，因为雨滴尺寸比激光波长大许多倍，即发生的是无选择性散射，雨滴对激光的散射与波长无关。激光在雨中的衰减系数没有太明显的规律，常用消光系数表示，且同降雨量有关： α＝0.29+53.2R －（3.20R ）2 (3) 式中：α是消光系数（dB/km ）；R 是降雨速率（mm/h ）。消光系数和降雨量的关系如图1所示。 Rainfall/(mm h ) ·-1/(d B k m ) ·-1E x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t 图1 消光系数和降雨量的关系 Fig.1 Relationships between extinction coefficient and rainfall 2.3 大气湍流对激光传输的影响 大气湍流是大气中的大气分子团相对大气整体平均运动的一种不规则的运动。对激光传输的影响是大气分子团折射率的随机变化所致的闪烁效应引起的。在考虑大气湍流对激光传输的影响时，假设激光光束是高斯光束。大气湍流对激光光束的影响程度和效应与激光光束的直径d 和湍流的尺度L 有关。当d<
大气损耗
ITU-R P.676-6建议书修订草案 无线电波在大气气体中的衰减 (ITU-R 201/3号研究课题) （1990-1992-1995-1997-1999-2001-2005）国际电联无线电通信全会， 考虑到 a）评估无线电波在地球表面和倾斜路径由于大气气体造成衰减的必要性， 建议 1对于一般应用，最高至1000 GHz频率上，应采用附件1中的方法来计算大气气体造成的衰减（MA TLAB中的软件编号见无线电通信局）； 21-350 GHz频率范围，应采用附件2中计算强度比较小的方法计算大气气体造成衰减的近似值。 附件 1 逐线计算无线电波在大气气体中的衰减 1 特征衰减 最高至1 000 GHz频率上的无线电波在大气中的特征衰减主要由于干燥空气和水汽所造成。在任何压力、任何温度和任何湿度下，采用累加氧气和水汽各自谐振线的方法，可以相当准确地计算无线电波在大气气体中的特征衰减。这一方法同时也考虑了一些其他相对影响较小的因素，如10 GHz以下氧气的非谐振的Debye频谱，100 GHz以上的主要由大气压力造成的氮气衰减和计算实验上发现的过多水汽吸收的潮湿连续带。下图1给出了在气压1013 hPa、温度15 ℃、水汽密度为7.5 g/m3（曲线A）和水汽密度为0的干燥空气（曲线 B）两种情况下，0-1000 GHz频带的无线电波在大气中的特征衰减（步长为1 GHz）。 图2详细给出了在60 GHz附近频率，在海平面的大气压力作用下，许多氧气吸收线合并形成一个宽的吸收带。该图也表明：在更高的高度上的氧气衰减，其各线在更低的压力上变得清晰。 附件2中列出了在有限的气象条件下的简化算法，在不需要特别高的准确性时，该方法可以快速和近似地计算最高到350 GHz频率的无线电波在大气中的衰减特性。
高平均功率固体激光及其大气传输
强激光与粒子束#$%&!"!’$&()! !第!"卷!增!刊 !*))+年,月-./-0123456(346’70648.953:36;(6<=&!*))+!文章编号!!!))!>,?**"*))+#()>)!??>)+ 高平均功率固体激光及其大气传输" 强希文 "中国人民解放军O?O++部队!新疆马兰@,!"))# !!摘!要!!固体激光器是一种具有重要应用背景的高功率激光器!对包括激光波长$光束发射口径$发射功 率$光束质量等在内的激光器参数的选择进行了分析!研究了大气介质的光学性质$激光大气传输效应以及激 光辐射与靶目标的耦合机制与耦合效率等因素的影响%相关结果表明!))Y2的固体激光器的综合效能可与 *%?倍平均输出功率的7D化学激光器相当!这说明高平均功率固体激光器是一种具有潜在优势和良好发展 前景的高功率激光器% !!关键词!!激光技术&!固体激光&!高功率激光&!激光大气传输 !!中图分类号!!1,?"&8’*,!!!!!文献标识码!!6 !!电驱动的高平均功率固体激光器"((5#与化学激光器相比!由于不使用化学物质!所以没有废气排出!而且不需要特别的保障条件!只需要利用车载发动机即可保证其正常工作&另外!由于它不产生高温及烟雾!同时系统运行时无噪音!仅受车载电源及驱动系统的限制!所以高功率固体激光器具有化学激光器无法比拟的优势%现有的实验已经证实利用热容方式运行的固体激光器!其平均功率可超过!)Y2!而且有望在将来达到!))Y2’!!*(%目前!已经开始了!))Y2热容固体激光器的概念设计!它可以对所感兴趣的靶目标形成显著的破坏!所以!!))Y2已经作为固体激光器系统及其对靶目标形成破坏的功率标准%另外!热容固体激光器具有较高的功率质量比!这在系统的小型化方面具有无可比拟的优势!而且便于机动化% !!选择固体激光器的一个重要问题是其到达目标处的平均功率为多大%由于这不但涉及到激光器系统的性能!包括光束发射功率$光束质量$光束发射口径$激光波长等!而且与其传输的大气介质的光学性质$激光大气传输效应以及激光辐射与靶目标的耦合机制与耦合效率等因素密切相关%所以!需要对以上因素进行综合考虑%本文对影响高平均功率固体激光大气传输的相关参数进行了探讨!并根据国外有关文献!讨论这些参数对!&)O"J的固体激光与?&@"J的7D化学激光大气传输的影响效果% $!激光器系统参数设计 $&$!激光器的波长选择 !!高平均功率固体脉冲激光器是基于在固体晶体中掺入钕"’K#离子和镱"E N#离子!从而激发产生!"J波长的激光!其波长位于电磁波谱的近红外区!与位于中红外的7D激光的波长相差较远!大致是7D激光波长的!),!所以其特征也与7D激光明显不同% !!对于激光系统而言!激光波长与由于衍射而引起的光束发散$大气湍流引起的光束畸变$大气分子和气溶胶粒子的吸收与散射导致的光束能量的衰减以及由此而引起的大气热晕效应等因素密切相关!所以激光波长是激光器系统的一个重要参数% !!由于!"J波长的激光其波长相对较短!所以在减小衍射方面具有明显的优势!另外!在某些情况下!它在减小分子吸收上也同样有明显的优势%由于大气对激光束能量的吸收可导致传输光束形成热晕效应!从而使得激光束形状产生畸变$光束质量下降!影响激光与靶目标耦合效果%虽然大气湍流对!"J波长的固体激光的影响与7D激光相比较大!但是由于目前自适应光学技术的应用!可使得大气湍流对以上两种激光的影响甚小!其差别也不显著% $&%!光学衍射与发射口径 !!由于光波的波动性!发射的激光束均具有由于衍射引起的较小的光束发散角!该发散角正比于波长!另外!光束在焦斑处的最大光强和束散角的平方成反比%基于这个原因!假设光束直径和功率相同!则!"J的固体 "收稿日期!*)),>!!>**&!!修订日期!*))+>)?>!O 基金项目!国家@O?计划项目资助课题 作者简介!强希文"!P O"*#!男!陕西西安人!硕士!副研究员!主要从事激光大气光学等方面的研究&3>J G H%+Q H R L A＿V H G A F!!O?&S$J%
大气散射模型
入射光衰减模型：描述了光从场景点到 观测点之间的削弱衰减过程。 大气散射模型 大气光成像模型：描述了周围环境中的 各种光由于大气粒子的散射作用,对观 测点所接收到的光强的影响。 表现：室外视觉系统所捕获的场景图像其对比度、颜色和分辨率等特征衰减明显。 原因：光线在从场景点到接收点的传播过程中,遇到悬浮于大气中粒径较大的气溶胶粒子,与之发生,从而使光能的亮度、 颜色等特性发生改变。 其中散射是可见光波段导致雾天图像降质的主要因素, 而吸收和福射作用所造成的影响则相对较小。
瑞利散射(Rayleigh)（分子散射）：粒子尺度远小于入射 波长的散射现象。 散射 米氏(Mie)散射：粒子尺度与波长可比拟。 瑞利散射：使天空呈现蓝色,纯净的水面由于反射天空的光线,也呈现蓝色。 散射体中往往包含很多散射粒子,因此每个粒子的散射光都可能会被其他粒子再散射。根据入射光在传播过程中被大气粒子散射后是否再次发生散射,可以将散射分为单散射现象和多散射现象。 雾天散射：一方面部分物体表面的反射光因散射而损失,使得到达观测点的光强降低,并随着传播距离的增大而呈指数衰减; 另一方面,大气粒子的散射作用还来自附加在目标图像上的大气光,以使大气表现出光源的特性,且环境光的强度随着传播距离的增大而逐渐增加。 以上两方面的作用导致雾天捕获图像的对比度、颜色等特征衰减明显。
入射光衰减模型：大气散射引起观测点接收到的场景点福射光强随景深的增而呈指数衰减。 大气光成像模型：由于光路上粒径较大的大气微粒对周围环境中的入射光具有反射作用,因此会有部分光沿着观测路线射向观测点,这部分光照可以看作是由大气产生的光源,称为大气光。大气光的主要来源为直射的阳光、散射的天空光以及由地面反射的光等。
激光无线通信技术
激光无线通信技术 激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。 激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。
美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。
应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率 卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信 由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信 此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm 的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。 限制因素： 但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。 其次，空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。
大气对光衰减
大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射导致光束能量损失，工程上常称大气衰减。 一、大气吸收 1、分子吸收与大气窗口 对于可见光和红外光来说，分子散射的作用是很小的，但分子的吸收对任一光频段的辐射都是不可忽略的。对于弱吸收，可以把它看作折射率的虚部来计算，但是对于强吸收，在分子吸收谱线附近，吸收随波长的变化而剧烈的变化。 气体分子的大量的吸收谱线组成了谱线群，当谱线十分密集时，可以对光辐射产生连续的吸收，仅在几个波长区中不存在吸收和吸收较弱，形成所谓的“大气窗口”。最重要的吸收窗口有可见光波段，3-5μm波段和8-12μm波段。 图1大气辐射和吸收光谱 图1中表明了主要吸收气体的吸收线(或吸收带)所在位置。大气对激光吸收的主要特点是:激光穿过整层大气时，由于NZ，0:和03等分子的吸收，波长小于0.3μm的紫外光几乎都全部被大气吸收;由于水分子有强的吸收光谱，大于20μm的红外光几乎全部被大气吸收。 表1为气体分子的主要吸收谱线。 表1 可见光和近红外区的主要吸收谱线 从表1可以看出，在可见光区域（0.4-0.76μm）内，只有少量分子存在较弱的吸收线，整个可见光区内激光有较高的透射率;在红外区域(0.8-20μm)内，吸收是由于分子振动和转动吸收光谱振动产生.的，吸收特性较为复杂;红外光波段大气窗口在lμm附近，3-5μm和8-12μm，而这也正是无线激光通信的主要传输波段，至于分子对红外波段的吸收应该从微观角度分析。 2、分子吸收对谱线的加宽 2.1分子吸收对谱线加宽原理
2.1.1自然加宽 每个分子辐射能级都有自然寿命，可用阻尼振子模型分析。自然加宽线型函数为 洛仑兹(Lorentz)线型，其表达式为 2.1.2多普勒加宽 气体分子总是处于无规律的热运动中，‘由于多普勒频移会造成谱线的加宽。从分 子热运动的麦克斯韦分布率得到多普勒加宽的线性函数公式为 2.1.3碰撞加宽 在一定压强下，气体分子因互相碰撞引起寿命缩短和吸光谱线的加宽，称为碰撞加宽。碰撞加宽的线型函数为洛仑兹线型，其表达式为
为什么说激光通信最保密
自上个世纪以来，由于通信技术发展极为迅速，中波、长波、超长波、短波、超短波以及微波通信以惊人的速度向前发展。然而事物的发展总是离不开矛和盾，随着电子通信技术的发展，电子对抗也就随之产生并发展起来了，电子侦察已成为现代作战获取情报的重要手段。无线电通信的电磁波犹如空气一样遍及全球，给敌方的无线电侦听带来了十分便利的条件，很容易泄密，给军事行动造成意想不到的损失。因此世界各国无不在保密方面狠下功夫，制定了各种保密措施防止无线电通信泄密。利用有线电通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失的。因为信号电流在导线周围会产生磁场，根据电磁感应原理：电生磁，磁生电，同样也很容易遭到敌方的窃听造成泄密。无线电波很容易被敌方接收，即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年代里也很容易被破译，于是人们感到必须改变传统的通信手段，才能适应保密的需要。１９６０年７月，光家族的新秀―――激光问世了，伴随激光的产生，一种新颖奇特的通信―――激光通信也进入了人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点给通信业的发展带来了明媚的春天，成为现代通信领域中引人入胜的“热门”。激光作为一种光波，虽然和电磁波有所不同，但是它仍属于电磁波家族中的成员，具有电磁波的特性，能在空间以波动的形式传播。但是它和电磁波又有区别，它的频率极高，具有奇特的粒子性。 随着激光技术的发展，激光通信也出现了两种方式：一是“有线”的光纤通信；二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有自己的保密特性。 光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江、河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏，尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非，使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现，它也不像金属导线那样容易“旁路”窃听；弄不好纤细的玻璃纤维竟会立即断成几节，散落四处，使侦听的企图落空，可谓“宁碎不泄密”。 大气激光通信中激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好，不像电磁波那样在空中到处乱窜，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，由于激光通信的频率极高，比微波的频率起码高１０万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，难以截获和破译。 因此看来，激光通信具有天然的保密性，它将给军事通信事业开辟崭新而广阔的天地。
大气激光通信机基本参数测试
大气激光通信机基本参数测试 2011/08/19 【产品介绍】 此红外线传输设备为上海毅得通讯设备有限公司生产的AO-1系列，可以在300m 至4000m 之内保证高质量的宽带数据通信，通信速率为155Mb/s （11/13/14）和622Mb/s(12)，通信端机正面示意图如图1： Pin 探测器 口径 红光指示发射器 图1 通信端机正面示意图 通信端机背面示意图如图2： 尾纤 外置光源尾纤 显示区 PIN 探测器显示区 显示区域 接线区域 望远目镜 图2 通信机背面示意图
图2中， TX：外接光源指示灯，灯亮表示正常 PW：电源接通指示灯，灯亮表示正常 LD1：指示红光指示灯，灯亮表示正常 LD2：内置光源指示灯，灯亮表示正常，内置LD6dBmW（4mW），发散角为0.8mrad。 PIN探测器显示区显示1023为最小，显示0000为最大，155M动态范围为：-4~-30db。 电源红线接地，黄线接负极。 1.通信机信号光源发射端前功率 使用3Sigma功率计及PM3探头，因为通信机光源发射端面处的光斑直径比较小（小于PM3探头面积），且功率小于4mW ，故将光直接打在PM3探头上分别测量信号光源发射功率，测试结果如表1： 表1通信机信号光源发射端前功率 1号通信机相比2号通信机功率略小。 产品说明中提到内置LD的发散角为0.8mrad，在做整体实验前，我们需要对其进行测量。在科技楼12楼楼道内，将通信端机置于楼道一端，因激光器有一定的发散角，（假定激光器束腰在距发射端口较近的距离下，在相距40m的距离处形成一定直径的光场分布（初步估计约约3~4cm）。我们采用3Sigma功率计及OP-2功率探头（直径5mm）对此处光场分布进行测量。）。在试验时，距离发射机端口有近及远测量中，发现在约40m处，OP-2（直径5mm）探头接收到的功率最大，说明激光器的束腰在该位置。要想测得其发散角需要进行远距离测试。 2.1（2）号指示红光与2（1）号接收口径轴线夹角
大气衰减效应对光通信影响及仿真分析
第４７卷 第12期 激光与红外 Ｖol.４７，Ｎo.12 201７年12月 LＡSER & ＩＮFRＡRED December，201７ 文章编号:1001-50７8(201７)12-1525-06四光纤及光通讯技术四 大气衰减效应对光通信影响及仿真分析 刁红翔1，张义浦1，唐雁峰2，常丽敏1 (1.空军航空大学，吉林长春130022;2.长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春130022)摘 要:为了准确把握近地光通信时大气因素的作用机制和影响效果，有效提升通信质量，考虑针对首要影响因子 大气衰减效应进行建模二分析和仿真三首先细化了衰减效应分类，然后结合大气参数和类别特点建立了相关描述模型;在此基础上，利用大气窗口下的光通信常用波段进行了模型仿真和分析三主要结果表明，长波长激光和高海拔通信有利于光通信的进行，而大高差斜距通信模式则需要规避三这些结论的得出为大气光通信信道模型的建立以及光通信的开展提供了参考和依据，具有一定的指导意义三 关键词:光通信;大气衰减;大气吸收;大气散射;大气折射 中图分类号:TＮ929.12 文献标识码:Ａ DOＩ:10.3969/j.issｎ.1001-50７8.201７.12.013 Simuｌatioｎaｎaｌysis of atmospｈeｒic atteｎuatioｎeffect oｎopticaｌcommuｎicatioｎ DＩＡO Ｈoｎg-ｘiaｎg 1，ZＨＡＮG Yi-pu 1，TＡＮG Yaｎ-feｎg 2，CＨＡＮG Li-miｎ1 (1.Uｎiｖersity of Ａir Force，Chaｎgchuｎ130022，Chiｎa;2.School of Electroｎics aｎd ＩｎformatioｎEｎgiｎeeriｎg，ChaｎgchuｎUｎiｖersity of Scieｎce aｎd Techｎology，Chaｎgchuｎ130022，Chiｎa) Abstｒact :Ｉｎorder to accurately grasp the mechaｎism aｎd the effect of atmospheric factors iｎoptical commuｎicatioｎｎear grouｎd aｎd improｖe the commuｎicatioｎquality effectiｖely，the modeliｎg，aｎalysis aｎd simulatioｎwere carried out for the atmospheric atteｎuatioｎ.Firstly，the classificatioｎof atteｎuatioｎeffect was refiｎed，aｎd theｎcorrelatioｎdescrip-tioｎmodel was established accordiｎg to atmospheric parameters aｎd the characteristics of categories;oｎthis basis，simulatioｎaｎd aｎalysis of the model were doｎe by usiｎg commoｎoptical commuｎicatioｎbaｎd uｎder the atmospheric wiｎdow.The results show that the loｎg waｖeleｎgth laser aｎd commuｎicatioｎuｎder high altitude makes for optical com-muｎicatioｎ，aｎd the commuｎicatioｎmode with eleｖatioｎaｎd slaｎt distaｎce ｎeeds to be aｖoided.These coｎclusioｎs proｖide refereｎces aｎd basis for the establishmeｎt of atmospheric optical commuｎicatioｎchaｎｎel model aｎd the deｖel-opmeｎt of optical commuｎicatioｎ.Key ｗoｒds :optical commuｎicatioｎ;atmospheric atteｎuatioｎ;atmospheric absorptioｎ;atmospheric scatteriｎg;atmos-pheric refractioｎ 基金项目:武器装备军内科研项目(Ｎo.KJ2015023300B４1068)资助三 作者简介:刁红翔(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向为激光通信技术三E-mail:106４619821@https://www.wendangku.net/doc/a09979995.html, 收稿日期:201７-0４-19;修订日期:201７-06-051 引 言激光信号在近地大气中传播时，主要会受到大气衰减和大气湍流两种因素的影响，其中大气衰减会削弱激光信号的能量，造成接收端功率减弱，影响 光通信质量，是大气激光通信中应该首要考虑的影 响机制[1]三大气衰减效应根据具体的作用形式可以进一步分为大气吸收二大气散射和大气折射:大气 吸收是通过将光波能量转换为其他形式的能量造成万方数据
因吸收和散射而引起的特殊的大气衰减atmo
ITU-R P.1814建议书* 设计地面自由空间光链路所需的预测方法 （ITU-R 228/3号研究课题） （2007年） 范围 本新的建议书提供了用于规划地面自由空间光系统的传播预测方法。它包括用于估计晴天、雾天、雨天和雪天中衰减的方法。它还涉及因阳光而引起的闪烁和不利影响。 国际电联无线电通信全会， 考虑到 a) 在地球上，可见光和红外光谱可用于无线电通信； b) 为正确规划工作于可见光和红外光谱的自由空间光（FSO）无线电通信系统，需要具备适当的传播数据； c) 已开发了一些方法，以便计算在规划工作于可见光和红外光谱的自由空间光系统时所需的、最重要的传播参数； d) 已尽可能利用可用的数据对这些方法进行了测试，结果表明，这些方法完全兼容传播现象的自然可变性，以及完全可用于规划工作于可见光和红外光谱的系统。 认识到 a) 国际电联《组织法》第12款第78条规定，无线电通信部门的功能之一是“……不受频率范围和所用建议书的限制，开展各项研究工作……”， 建议 1应采用附件1中所提供的传播参数预测方法，分别在本附件中所指明的有效范围内规划自由空间光（FSO）系统。 注1 –对可见光和红外光谱中频率的传播预测方法，有一些相关的增补信息，这些信息可以在有关设计地面自由空间光链路所需之预测方法的ITU-R P.1817建议书中找到。 ________________ *应提请无线电通信第1研究组和第9研究组注意本建议书。
附件1 1 引言 在设计FOS 链路时，必须考虑到若干影响因素，包括因大气吸收而引起的损耗、散射和湍流、小气候环境和局部影响、链路距离和链路未对准。还必须考虑到波长的选择、数据率、眼睛安全问题和周围的太阳辐射等。 FSO 系统的运营要求在视距（LOS ）内。当测试视距时，由于FSO 系统使用波束扩展和经校准的波束，因此波束中心与任何障碍物之间所需的空隙实际上等于波束半径。这与RF 系统形成对比，后者需要菲涅耳区空隙。 FOS 系统的主要缺点是它们容易受到大气的影响，如衰减和闪烁的影响，这些影响会降低链路的可用性。窄的波束还使激光通信终端的布局要求比RF 系统的布局要求更严格。 设计FOS 链路时的一个关键参数是功率预算因素。链路余量link M （dB ）是指超出接收机灵敏度的可用功率，可以通过公式（1）计算得到： int link e r geo atmo sc illation system M P S A A A A =----- （1） 其中： P e (dBm)： 发射机总的功率； S r (dBm)： 接收机的灵敏度，它取决于带宽（数据率）； A geo (dB)： 因发射波束随距离增大而扩展所引起的链路几何衰减； A atmo (dB)： 因吸收和散射而引起的大气衰减； A scintillation (dB)： 因大气湍流而引起的衰减； A system (dB)： 代表所有其他与系统有关的损耗，包括因未对准波束方向而引起的损耗、接收机光损耗、因波束漂移而引起的损耗、因周围光线而引起的灵敏度降低（阳光辐射）等。 在下面各节中给出这些项的定义和计算，以及对规划一条FSO 链路所做的最初考虑。 2 设计FSO 链路时最初的考虑因素 选择合适的链路位置是事关FSO 系统能否成功运行的一个重要问题。FSO 链路的安装必须考虑到路径沿途的主要气候条件、物理障碍、表面类型以及收发器的安装情况，以确保链路的最佳性能。 2.1 天气 – 选定链路路径附近的气候条件，尤其是当地的气候，将影响雪、雨、毛毛雨、霾、气溶胶和灰尘/沙粒的出现，而这些因素将造成所发射信号的吸收与散射。
激光通信技术简介
激光通信技术简介 日前，由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波，在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强，还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点，将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。 未来，空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术，并实现与地面光纤网络的互补，从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网，彻底颠覆现有的全球通信系统，成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好，世界!”这句看似普通的话，或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频，跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技术，传统的无线电传输则至少需要10分钟。 从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷，不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量，想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是，随着空间通信数据形式的不断丰富，单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求，易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。 曾几何时，人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信，将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后，利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信，可能还有点陌生，但如果一提到光纤通信，我想大家都耳熟能详。其实，光纤通信只是激光通信的一个具体应用，是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送，并在外太空等自由空间内进行信息传输，到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。