藍綠激光下行通信大氣衰減信道特性研究*

田厚義 溫 東 付 貞 趙邵蕾

(海軍潛艇學院 青島 266071)

1 引言

藍綠激光作為未來重要的水下通信方式,依據其在水下傳播衰減小的特點,可有效地解決當前潛艇面臨的大深度、高速率、雙向隱蔽通信的問題,且藍綠激光對潛通信不受電磁以及核爆炸的影響,通信頻帶寬,數據傳輸能力強,可發送靜止圖像,波束寬度窄,方向性好,具有較強的抗干擾能力和抗截獲能力,可在天氣不正常、大暴雨、海水混濁等惡劣的條件下使用,是未來有極大潛力和應用前景的對潛通信手段,也是目前來看可實現潛艇隱蔽、雙向、高速通信的有效手段。因此,對藍綠激光對潛通信進行研究,具有十分重要的意義。

從目前掌握的資料看,藍綠激光對潛通信的信道特征,研究得較多,但具體到大氣衰減信道方面,研究的較少,本文在前人研究的基礎上,對藍綠激光下行通信大氣衰減信道進行了進一步的詳細的分析,并給出了相關的數學模型及仿真曲線,得出了大氣信道的特征。

2 大氣衰減信道分析及模型的建立

激光在大氣中的傳輸受氣候條件的影響很大,大氣衰減效應是激光大氣傳輸所受到的主要影響之一,它將造成激光在傳輸主軸方向上的輻射強度受到很大影響,這主要是由于大氣的氣體分子和大氣氣溶膠粒子的“散射”、“吸收”作用造成的。

2.1 大氣透射率

假定在光傳輸的路徑上,大氣是均勻的,則激光的傳播特性可用Bouguer-Lambert定律進行描述,即:

式中,L為傳輸距離;I(λ,Z)和 I(λ,0)分別為波長為 λ的激光束在L處的光強和初始光強;τ(λ)即為波長為λ的光的大氣透射率;σ(λ)是與波長有關的衰減系數,可由下式求得:

式中,u1為分子散射系數;k1為分子吸收系數;u2為氣溶膠散射系數;k2為氣溶膠吸收系數。

2.2 大氣的吸收

大氣的吸收作用主要表現為分子線吸收作用,當激光信號在低層大氣中傳播時尤為明顯,當高度在20km以下時,吸收作用可近似由洛侖茲線型給出:

當高度在20km～60km時,吸收作用可近似由伏格脫線型給出:

當高度在60km以上時,吸收作用可由多普勒展寬線型給出:

式中,M為分子質量;v為激光的波數;v0為激光譜線的中心波數;S為譜線的積分強度;γL為洛侖茲線半寬度。

2.3 大氣分子的散射

大氣散射可分為瑞利散射和米氏散射,當光的波長遠大于粒子尺寸時,其體積散射表現為瑞利散射:

式中,n為粒子的折射率;λ為激光的波長;NS為粒子數密度。

3 模型仿真及分析

本文中用MAT LAB分別取高度h=30km和h=60km對模型進行仿真,得到藍綠激光大氣衰減仿真結果如圖1～2所示。

從仿真結果看,藍綠激光在大氣衰減信道中傳播時,其總的衰減不大,約在(0.9～1)db之間。在30km以上的高空,由于大氣十分稀薄,大氣的吸收、散射作用應該十分不明顯,仿真的結果也驗證了這一點:在30km以上大氣的衰減幾乎為0。當高度小于30km時,由于大氣密度的增加,衰減會急劇減小,且越靠近海平面,衰減越嚴重。從仿真結果看,高度在10km以下時,衰減尤為明顯,因此處是大氣層中的對流層,空氣較為稠密。在接近海平面時,大氣衰減可達到0.9db以上。

4 結語

本文分析了大氣衰減信道中影響藍綠激光通信的三種因素,在分析的基礎上提出了相應的數學模型,并對模型進行了相應的仿真分析,仿真結果與實際情況較為相符。藍綠激光通信是一種非常有應用前景的通信方式,其在大氣中的傳播還會受到大氣折射,大氣湍流等的影響,在后續的工作中將進行研究。

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