激光大氣信道

激光大氣信道相關總結1、大氣對信道傳輸?shù)挠绊懙?。衰減效應對激光通信的影響的躲避或補償。吸取作用機理：激光穿過大氣時，大氣中的分子在光波電場的作用下被極化，并以入射光的頻率做受迫振動，使局部輻射的光能轉換成氣體分子的內(nèi)能，消耗了〔經(jīng)相關爭論說明，氣溶膠粒子由于直徑較大，對光的吸取作用不明顯〕作用特點：使激光功率衰減，但不轉變光束的質量。打算因素：分子對光波能量的吸取由分子構造、濃度和吸取光頻率所打算，不同的氣體分子對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:大氣對某些波段光波的吸取較弱，透過率較高，稱這些透過率較高的波段為大氣窗口。而變化，并考慮散射等因素影響，通過統(tǒng)計分析，地球大氣的透過率如下：1-1不同波長激光在大氣信道中傳輸?shù)耐高^率大氣散射散射是光在傳播過程中遇到微小粒子，使其傳播方向發(fā)生轉變的現(xiàn)象，是電磁波在大氣微粒作用下的衍射效應造成〔只有當微粒的直徑小于或相當于輻。其結果會使光在原傳播方向上的能量減小，影響光斑外形和光強分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、無選擇性散射。光斑內(nèi)的強度分布，使光斑內(nèi)部有明暗之分。瑞利散射：產(chǎn)生條件：散射微粒直徑遠小于波長時產(chǎn)生，也稱作氣體分子散射〔108cm級40nm〔大氣分子〔0.1nm見光400～760nm；近紅外短波〔780~1100nm；近紅外長波〔1100~2526nm〕主要作用粒子：大氣分子。特點：散射粒子較小，散射光分布較均勻，對波長小于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；隨著波長的增大，散射減弱。由此可以推論，可見光比紅外光散射猛烈，藍光比紅外光散射猛烈〔形成藍色天空。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(m)T——表示熱力學溫度1-2散射強度與波長的關系米氏散射：產(chǎn)生條件：當空氣中粒子的直徑大于入射光的波長或者和光的波長可以比較的時產(chǎn)生，粒子對入射光散射后的散射光分布比較簡單且不對稱，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：散射光角度分布較為簡單，并且隨著粒子直徑的增加，散射光集中的角度也越〔對光信號的影響也相對更大〕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〕無選擇性散射：產(chǎn)生條件：當大氣中粒子的直徑遠大于波長時發(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：散射強度與波長無關，不具有波長選擇性，使原傳播方向上的光信號能量嚴峻衰減。大氣折射由于大氣的不均勻特性，導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、壓強折射率公式：n=1+77.6(1+7,52×103 ??2)(p/T)×106p——大氣壓強T——溫度；λ——入射光波長；〔pT是隨高度變化的物理量〕反射減弱了電磁波到達地面的強度。大氣窗口的波段被稱作大氣窗口〔1-1。大氣透過率計算〔(Bougher定律：均勻條件下：假設傳輸路徑上的大氣是介質均勻或分層均勻時，大氣透過率可表示為：T(λ,L)=

??

=????(??)??非均勻條件下：假設假設大氣為非均勻介質，其透過率可表示為：T(λ,L)=exp[ ∫????(??,??)????]0L??0I分別為原始光強和通過距離L后的光強；??(??)為大氣衰減系數(shù)，與波長相關；TL大氣衰減系數(shù)打算于粒子對光波的吸取和散射，具體關系如下：??(??,??)=????(??,??)+????(??,??)+????(??,??)+????(??,??)????(??)——分子吸取系數(shù)????(??)——分子散射系數(shù)????(??)——氣溶膠吸取系數(shù)湍流對激光通信的影響湍流指的是大氣的隨機不規(guī)章運動，由于地面的簡單性和太陽輻射的不均勻性，導致大氣的溫度、濕度、壓力、折射率等性質的隨機變化，從而引起大氣折射率的隨機轉變，稱其為湍流效應。有機湍流運動導致大氣折射率的隨機轉變，嚴峻影響光波信號的質量，湍流效應對激光信號的影響主要表現(xiàn)為：光斑漂移與擴展、光強閃耀以及到達角起伏等幾個方面，嚴峻限制了空間激光通信的效能。處，是一個不斷變化的過程。湍流氣團在運動的過程中，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，在運動的過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????〔相當于氣流離地面的高度，通常在幾十到幾百米的量級。當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。由于湍流的簡單性和隨機性，為了對其進展有效的定量描述，國內(nèi)外都進Tatarskii：[1][2]。常用爾莫哥洛夫〕模型，Kolmogorov于三個前提假設：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視，流體運動由慣性力打算，并且大氣的統(tǒng)計特制聽從“2/3。Kolmogorov模型并不完全適用，于是延長出了non-Kolmogorov模型。湍流的描述：折射率湍流模型：隨機特性，可用統(tǒng)計的方式對介質的特性進展描述，可以表現(xiàn)為：n(r,t,λ)=??0(??,??,??)+??1(??,??,??)其中：??0確實定局部，對大氣湍流而言??0≈1,??1(??????)表示折射率的隨機變Kolmogorov??1的構造函數(shù)為：可以表述為(2/3):?? (??)=

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

?? 3 0 0??r??2是與湍流有關的折射率構造常數(shù)。??湍流強度的描述??????2為折射率構造常數(shù)，是大氣光學的根本參數(shù)之一，可用于表征湍流的強度，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，隨著太陽光????3照強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折射率構造常數(shù)隨海拔高度的變化圖1-4折射率構造常數(shù)隨時間的變化關系折射率構造常數(shù)計算??很明顯，??2與大氣的溫度、壓強、空氣流淌速度等都有親熱的關系，是一個格外簡單的系統(tǒng)，一般認為其計算公式可表述如下：????PT2為溫度構造化常數(shù)：????〔Hufnagel–ValleyBoundary(HVB)mode：式中V表示風速的RMS值，表示離地面的垂直高度。應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變量：??1-4????隨高度變化的曲線??湍流介質中光波的傳播模型為了有效描述光波在湍流介質中的傳播規(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學問，看不明白，我認為后期假設需要做有關相位補償方面的工作，該局部比較有用)。另外，關于大氣湍流功率譜的主要物理意義不是特別清楚〔應當與流體力學有關，其主要的計算模型包括：TatarskiiTatarskii理論模型、Tatarskiivon-karmanHillAndrews湍流理論模，并有其計算功率譜的數(shù)學模型。大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊懺摼植績?nèi)容由于涉及到光波動和流體力學的學問較多，并且多看的論文中對該局部缺乏系統(tǒng)的推導和論述，規(guī)律混亂，所以臨時沒有深入的學習了解。光斑漂移和光束擴展當光束直徑相對于湍流尺寸較小時，湍流會導致光束作為一個整體而隨機偏折，使處于遠處接收端的光斑中心位置圍繞某一特定位置隨機跳動，這種現(xiàn)〔當湍流較強時，可能導致漂移范圍查過接收范圍，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，爭論說明，一般狀況下23信的質量。其數(shù)學模型可表示為：??其中??????代表短期擴展光束寬,主要由于光的衍射和小湍流造成的光束擴展，???2?代表了光束重心位移，其進一步表述如下：??θ表示激光傳輸?shù)捻斀牵吮硎竟ぷ鞑ㄩL，0〔H-h〕端和接收端的垂直高度差，k=2π/λ表示波數(shù)，??0表述大氣相干長度：〔未開展深入學習〕光強閃耀到達近第大氣的光束直徑往往比湍流直徑大得多，此時，光束截面上可能同時包含很多個獨立的湍流旋渦，導致在光束內(nèi)不同部位產(chǎn)生不同的擾動，光斑不同部位的光強度存在起伏，此即為光強閃耀。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〔具體未開放深入學習〕到達角起伏〔具體未深入爭論〕2、大氣激光通信信道調研〔該局部信道為統(tǒng)計模型，適用于強度調制中〕理論根底 模型名稱 備注基于假設雷夫近似法的對數(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)基于雙隨機閃耀的模型〔 doublystochastictheory scintillation〕〔適用于各種湍流強度的環(huán)境〕

對數(shù)正態(tài)模模型〔lognormalmodel〕負指數(shù)分布模型〔negativeexponentialdistributionmodal〕[2023:110]萊斯分布模型(Rayleighdistribution)[2023:115]KKdistributionmodal[2023:116]雙隨機閃耀I-K分布模型doubly-stochasticI-Kdistributionmodal[2023:117、118]對數(shù)正態(tài)-萊斯模型(log-normalRicemodal)對數(shù)正態(tài)調制指數(shù)模型〔log-normally-modulatedexponential〕

1960弱湍流條件下的市區(qū)短距離通信。在長距離試驗中數(shù)據(jù)偏離較為嚴峻。適用于強湍流信道環(huán)境，主要為后期為了解決對數(shù)正態(tài)模型無法應用于強湍流環(huán)境的缺乏而提出。K偏離較大，契合度較差?？梢钥醋鲗?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

第一種被廣泛認可的通用模型被認為是比Gamma-Gamma型，特別是在中湍流條件下，與實際數(shù)據(jù)契合度更高。近年來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特別是在強湍流和中湍流環(huán)境下，其準確性更加明顯。3、其他調研結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)光機分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)空間激光通信系統(tǒng)光機分系統(tǒng)通信分系統(tǒng)ATP分系統(tǒng)總控分系統(tǒng)光學望遠鏡單元光路中繼單元緊密機械基臺單元通通通通捕獲單元粗跟蹤單元精跟蹤單元提前量對準單元系統(tǒng)總控單元系統(tǒng)熱控單元遙測遙控單元電源治理單元光學分系統(tǒng)：光學望遠鏡單元(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)信設備體積和重量增加〕功能：完成激光信號的高質量放射與接收；與中繼組件、放射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)等相互連接。光學中繼單元:連接光學望遠鏡和系統(tǒng)中間組件的單元嚴密機械基臺單元性。通信分系統(tǒng)：通信放射單元組成：激光器〔波長、調制器、放大器以及驅動源〔放射功率。通信接收單元組成：光探測器〔探測器靈敏度、信號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調制器下行光514nm上行光830nm掌握器測器解調器測器濾光片雙軸平衡鏡望遠鏡裝置平衡掌握鏡粗瞄準CCD制器測理圖2-2GOLD系統(tǒng)構造圖〔粗線條代表光信號，細線條代表電信號〕GOLD重量：22.4kg最大功耗：94w望遠鏡口徑：7.5cm〔收發(fā)共用；收發(fā)共用除可以使終端設計更加緊湊外，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：830nm30平均輸出功率:13．8mw傳輸數(shù)據(jù)率：1．024Mbit／s〔上行和下行調制方式：強度調制／曼徹斯特碼激光在大氣中的衰減狀況調研對鏈路設計具有格外重要的意義。通過查閱資料，參考過外相關星地通信實估算出其他波長的激光在大氣中的衰減水平。星地鏈路距離：374