淺議大氣湍流對無線光通信系統(tǒng)的影響

摘要：當(dāng)激光波束通過大氣湍流時，大氣湍流效應(yīng)造成了光束漂移、強度起伏，光束擴展和像點抖動等現(xiàn)象，導(dǎo)致相干性退化削弱激光通信的質(zhì)量，從而破壞了激光的相干性。文章介紹了大氣湍流的形成及基本特性，對強度起伏、光束漂移及擴展與到達(dá)角起伏進行了分析，并通過研究分析穿過大氣湍流后激光波束的變化特征，將會對無線光通信的發(fā)展具有十分重要的實際意義。

關(guān)鍵詞:大氣湍流光束漂移光束擴展強度起伏到達(dá)角起伏

自激光問世以來，具有保密性好，抗干擾能力強，信息容量大，傳輸率高，系統(tǒng)尺寸小，重量輕，建造和維護經(jīng)費低，無需頻率許可證等優(yōu)點。在通信、雷達(dá)、測距、遙感和檢測等方面的大量應(yīng)用有力地促進了無線光通信等方面的研究。

同時，激光特有的高強度、高單色性、高相干性和高方向性諸多特性，使它成為空間通信最理想的載體，因為它增益更高、速度更快、抗干擾性更強和保密性更好，同時容量更大、波束更窄。然而，在許多使用激光工作的系統(tǒng)，其性能會受到大氣的影響，激光的傳輸介質(zhì)包含了長距離的大氣，如自由空間光通信、激光雷達(dá)、激光測距等，其中湍流效應(yīng)是對激光大氣傳輸影響最大的因素之一。由于大氣湍流引入的相位擾動，光束會產(chǎn)生展寬和漂移，光場的時－空相干性受到干擾甚至破壞；由于大氣湍流的存在，當(dāng)激光穿過其中時，會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，光場強度分布也會發(fā)生起伏，大氣折射率會發(fā)生微小的起伏。這些效應(yīng)會削弱光束質(zhì)量，本文具體分析了隨機大氣信道湍流效應(yīng)的各種影響因素，為避免影響自由空間光通信系統(tǒng)、激光雷達(dá)系統(tǒng)、激光測距系統(tǒng)的性能，提出了一些具有實用價值的建議，將會對提高大氣光學(xué)系統(tǒng)的性能有實際的意義。

1 大氣湍流效應(yīng)

大氣溫度的隨機變化引起大氣密度的隨機變化，人類活動和太陽輻照等因素將引起大氣微小溫度的隨機變化，從而形成大氣的湍流，它是大氣折射率導(dǎo)致的隨機變化。這些變化使湍流大氣中傳輸光束的波前也將作隨機起伏，它們的變化的累積效應(yīng)導(dǎo)致折射率輪廓的明顯不均勻性，由此引起光束漂移和擴展，強度起伏和像點抖動等一系列光傳輸?shù)拇髿馔牧餍?yīng)。我們通常把折射率場的變化主要是由溫度起伏引起的湍流稱為光學(xué)湍流，量度這種折射率起伏強度的量，稱為大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C■■，它在均勻各向同性湍流的下定義為：

C■■=<[n(■)-n(■+■■)]2>r-2/3 l0<

式中n是大氣折射率■和■是位置矢量，r是矢量■的大小，l0和L0分別是湍流的內(nèi)尺度和外尺度。一般地，對于可見光和近紅外波段，大氣折射率的起伏主要是由于溫度的不均勻性（溫度起伏）引起的，溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)C■■的定義與（1）式相似：

C■■<[T(■)-T(■+■■)]2>r-2/3 l0<

2 大氣湍流對光通信系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊?/p>

激光束通過有湍流的大氣傳輸時，其強度、相位和傳輸方向會受到擾動而出現(xiàn)相應(yīng)的隨機變化，變化情況與激光束寬和湍流尺度的相對大小相關(guān)。大氣湍流效應(yīng)造成了光束漂移、強度起伏，光束擴展和像點抖動等現(xiàn)象，從而破壞了激光的相干性，導(dǎo)致相干性退化削弱激光通信的質(zhì)量。

2.1 光束漂移和擴展

由于大氣湍流的干擾，當(dāng)波束在湍流大氣中傳播時，有限束寬激光在湍流大氣中傳輸時光束會出現(xiàn)擴展和漂移。當(dāng)觀察時間很短時，這兩種效應(yīng)基本上是獨立的。當(dāng)觀察時間較長時，擴展了的光束實際上包括了漂移的影響，稱為長期擴展，所以當(dāng)談到湍流大氣中傳輸光束擴展時我們要區(qū)分短期和長期光束擴展。通常稱<ρs>為短期平均光斑半徑，<ρL>為長期平均光斑半徑，<ρc>為平均束漂移量，三者的關(guān)系表示為：<ρL2><ρs2><ρc2> “短期”和“長期”的時間判據(jù)是Δt=D/v。D是光的直徑，v是橫向風(fēng)速。當(dāng)觀察時間遠(yuǎn)小于Δt時，則得短期觀察效果，而當(dāng)觀察時間遠(yuǎn)大于Δt時，則得長期觀察效果。Δt的量級在0.05秒左右。通常情況下大氣湍流造成的光束擴展可以比光束自身的衍射極限大到2到3個數(shù)量級，從而使通過隨機大氣傳輸?shù)募す夤鈴娊档汀鬏敼馐钠坪蛿U展現(xiàn)象體現(xiàn)了對傳輸光束成像的所形成接收光斑的空間位置的時間變化情況。它比較全面的反映了湍流對光傳輸?shù)挠绊懗潭取?/p>

2.2 強度起伏和大氣閃爍

激光通信在湍流大氣中傳輸時由于折射率的起伏使其散射強度會發(fā)生起伏，即出現(xiàn)所謂的閃爍現(xiàn)象。大氣閃爍效應(yīng)實際上就是通常情況下，當(dāng)光束直徑比湍流尺度大很多時，光束截面內(nèi)包含多個湍流旋渦，每個旋渦各自對照射其上的那部分光束獨立散射和衍射，使光束的強度和相位在空間和時間上出現(xiàn)隨機分布，相干性退化，光束面積擴大，引起接收端的光強起伏和衰減。大氣湍流使信號變得不易把握，對光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定通信造成很高誤碼率通信質(zhì)量下降。

2.3 到達(dá)角起伏

激光在湍流大氣中傳播時由于光束截面內(nèi)不同部分的大氣折射率的起伏，在均勻介質(zhì)中傳播具有均勻波前，這將導(dǎo)致光束波前的不同部位具有不同的相移，這種相位形變導(dǎo)致光束波前到達(dá)角起伏，相移導(dǎo)致隨機起伏形狀的等相位面，從而也導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡中像點抖動。

3 結(jié)束語

本文通過分析穿過大氣湍流后激光波束的變化特征及在某些條件下的大氣信道特征，將會對無線光通信的發(fā)展具有十分重要的實際意義。大氣湍流效應(yīng)造成了光束漂移、強度起伏，光束擴展和像點抖動等現(xiàn)象，從而破壞了激光的相干性，導(dǎo)致相干性退化削弱激光通信的質(zhì)量。通過對大氣湍流對光通信系統(tǒng)影響的研究，有助于我們了解激光通過大氣信道傳輸時所產(chǎn)生變化的特征，以便對激光通信系大氣中傳輸?shù)脑O(shè)計中尋找到合理的措施來降低或緩解其影響。激光束通過有湍流的大氣傳輸時，會發(fā)生變化，變化情況與激光束寬和湍流尺度的相對大小相關(guān)，其強度、相位和傳輸方向會受到擾動而出現(xiàn)相應(yīng)的隨機變化。

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