基于非視線紅外激光大氣散射通信技術研究

劉 兵，王巨勝，楊澤后，李曉鋒，樊 冬，任 鵬，李 斌，羅 雄，馮力天

（1.中國人民解放軍駐第二○九所軍事代表室，成都610041；2.博彥科技（上海）有限公司，上海201204；3.西南技術物理研究所，成都610041）

基于非視線紅外激光大氣散射通信技術研究

劉 兵1，王巨勝2，楊澤后3，李曉鋒3，樊 冬3，任 鵬3，李 斌3，羅 雄3，馮力天3

（1.中國人民解放軍駐第二○九所軍事代表室，成都610041；2.博彥科技（上海）有限公司，上海201204；3.西南技術物理研究所，成都610041）

為了實現非視線激光大氣散射通信，根據米氏散射理論，建立了非視線通信鏈路模型，研究了1.06μm激光的大氣散射通信技術，分析了激光接收功率、激光發(fā)射功率、激光發(fā)散角、接收視場、探測器靈敏度、發(fā)射機傾角、接收機傾角、大氣衰減和通信距離的關系，并搭建了試驗原理系統，進行了1km距離的散射通信試驗，獲得了激光散射信號。結果表明，在一定的天氣條件下，采用波長為1.06μm的紅外激光進行信號傳輸，有望實現遠距離的大氣散射通信。

大氣光學；非視線；大氣散射通信；米氏散射；紅外激光

引 言

目前通信方式主要有無線電通信、光纖通信及點對點視線激光通信等方式。傳統的無線電通信技術已經發(fā)展得非常成熟，且種類繁多、技術完備，但這種通信方式容易受到干擾、隱蔽性差，在復雜電磁環(huán)境下使用會受到很大的限制；光纖通信抗電磁干擾能力強、傳輸速率高、保密性好，但需要預先鋪設好光纜通信線路，這使其在海上通信、野外應急通信等不能快速鋪設光纜或者根本無法鋪設光纜的特殊情況下的應用受到很大限制；點對點視線激光大氣通信相對靈活、機動性強、傳輸速率很高，保密性也好，但對精確對準的要求極高，且只能進行點對點之間的通信，若通信節(jié)點間傳輸路徑被阻擋，接收方將接收不到信號。因此，上述幾種通信方式在一些緊急特殊情況下的應用受到一定的限制。非視線（non-line-of-sight，NLOS）激光大氣散射通信是利用大氣中氣溶膠粒子對光的散射作用實現光信號異地傳輸。通信途徑是在發(fā)射端將待傳輸的信息進行編碼，再將其加載調制到待發(fā)射的激光脈沖序列中，然后利用大氣低層氣溶膠粒子對激光的前向散射來建立信息傳輸鏈路，在接收端進行信號的解調、解碼，恢復出發(fā)送的信息。由于大氣粒子對激光的散射具有一定的方向性，因此，將信息加載到激光脈沖串中并向目標區(qū)域上空進行大致的定向發(fā)射，相對于無線電的廣域發(fā)射，具有一定的定向保密優(yōu)點。這種非視線激光散射通信既具備了點對點激光通信機動性強、布置靈活的特點，又具有不需要精確對準的優(yōu)點，甚至可以實現點-點、點-多點甚至多點-多點的網絡式通信，故該通信方式收到了越來越多的關注［1-13］。因此，在災難搶險應急通信、海面軍艦通信、直升機編隊協作通信，在山區(qū)、沙漠、草原、沼澤等地區(qū)的緊急通信等場合，非視線激光大氣散射通信都可以發(fā)揮特殊作用，實現緊急情況下的“最低通信保障”功能。

1 基本原理

非視線激光大氣散射通信系統屬于雙工通信，通信雙方可同時向對方發(fā)射激光信號并接收對方的信息。其工作原理是利用氣溶膠粒子對激光的前向米氏散射效應，來實現激光信息傳輸通信。如圖1所示，將待發(fā)射的信息加載到激光脈沖串中進行信號編碼調制，該激光脈沖信號經氣溶膠粒子的前向散射后而被接收機接收，接收機根據約定的編碼協議進行快速信息解碼，還原出有用信息，實現非視線激光通信。

Fig.1 Schematic diagram of NLOS laser scattering communication

通信時，發(fā)射機和接收機朝向一定的空域進行信號發(fā)射和接收，該通信方式不需要精確對準，以實現最低的應急通信保障目標。使用時，可以調節(jié)發(fā)射機、接收機激光發(fā)射／接收方向，利用地物目標、云團、人工散射體等物體實現更遠距離的散射通信。

2 理論計算

非視線激光大氣散射通信系統的幾何鏈路示意圖如圖2所示［14-15］。定義發(fā)射機（Tx）和接收機（Rx）的仰角分別為βT和βR，它們分別滿足條件0≤βT≤π和0≤βR≤π；發(fā)射機的發(fā)散（半）角為θT，接收機的視場（半）角為θR，它們分別滿足條件0≤和為發(fā)射光束的立體角，它滿足條件；V為發(fā)射機和接收機視場交疊區(qū)域的體積；r為發(fā)射機和接收機之間的水平距離，r1和r2分別為散射體V中點P到接收機和發(fā)射機的距離；ke為大氣消光系數，ks為大氣散射系數，ka為大氣吸收系數，三者滿足關系式ke＝ks＋ka，其單位為km－1。

Fig.2 Geometry link of NLOS scattering transmission

在空間交疊情況良好的情況下，近似得到接收機接收到的光功率為［14-16］：

式中，PT為發(fā)射激光脈沖的功率，PR為接收機接收到的散射激光功率，r為發(fā)射機和接收機間的水平距離，Ar為接收孔徑的面積，V為散射體的體積，θs為入射光傳播的方向和接收機觀察方向的夾角（θs＝βT＋βR），Mie散射相函數沒有解析解，采用HENYEY和GREESTEIN提出的經驗公式（H-G相函數）可將散射相函數P（μ）表示為［17］：

根據相關文獻［18-21］中提供的參量，g＝0.72，f＝0.5，μ＝cosθs，τ1為散射體到接收機間大氣的透過率，τ2為發(fā)射機到散射體間的大氣透過率，ηr為接收機的光學效率。根據（1）式，計算發(fā)射機和接收機在不同的系統參量下，接收機接收到的散射信號光功率隨傳輸距離的變化關系。

激光波長為1064nm，發(fā)射激光脈沖功率為10MW，接收光學孔徑為80mm，水平傳輸距離r＝3km，大氣能見度取5km，大氣散射系數取8.54× 10－4km－1，大氣透過率取99.9%。接收視場角θR取不同數值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。取激光發(fā)射束散角θT＝0.4 mrad，發(fā)射機仰角βT＝5°，接收機仰角βR＝10°。θR分別取0.5mrad，2.5mrad，5mrad和10mrad時，計算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況，計算結果見圖3。從圖3可以看出，隨著傳輸距離增加，接收功率急劇降低。原因在于隨著傳輸距離增加，大氣對激光的衰減也不斷增加。由圖3還可看出，θR參量對接收功率的影響較大，隨著接收機視場角的增大，接收機散射激光功率變大。因此，在接收視場角參量選取時，要盡量選擇大的視場角，以提高散射激光功率的接收能力，但接收機視場增加時會導致背景噪聲變大，故進行通信系統的設計時需要考慮背景噪聲的影響。

Fig.3 Receiver power vs.range at different receiving field of view

Fig.4 Receiver power vs.range at different transmitting field of view

圖4 中發(fā)射機的激光束散角θT取不同數值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。接收視場角θR取0.5mrad，其它參量不變，θT分別取0.5mrad，2.5mrad，5mrad時，計算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況。可以看出，θT選取不同數值時，計算得到的接收功率曲線基本重合，說明發(fā)射機的束散角參量對激光的接收功率影響較小。原因在于增加發(fā)射機束散角雖然可以增大發(fā)射機與接收機視場的空間交會區(qū)域，但降低了激光的功率密度。因此在系統設計時，可適當增大發(fā)射機的束散，以增加散射體體積，有利于接收機的方位調整。

圖5為接收機仰角βR取不同數值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。取θT＝0.4mrad，θR＝0.5mrad，βT＝5°，βR分別取5°，15°和20°時，計算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況。從圖5中可以看出，接收機的仰角越大，接收到的光信號功率越小。原因在于發(fā)射機幾何參量不變的情況下，接收機仰角變大導致激光散射角變大，接收方向上的激光散射信號變弱。

Fig.5 Receiver power vs.range at different receiver elevation

圖6 為發(fā)射機仰角βT取不同數值情況下，PR隨傳輸距離變化情況。取θT＝0.4mrad，θR＝0.5mrad，βR＝10°，βT分別取5°，15°和20°時，計算出接收散射激光功率隨傳輸距離的變化情況。從圖6可以看出，減小發(fā)射機的仰角可以提高接收機收到的激光功率。原因在于發(fā)射機仰角增加會導致激光的散射角變大。根據米氏散射理論，在激光傳輸方向上的激光散射最強，在偏離傳輸方向的角度上，散射信號隨角度變大而減弱。與圖5比較可以看出，接收機仰角的變化對系統的影響較發(fā)射機要小，因此可以在通信時根據地形等情況靈活布局接收機的位置，實現通信系統的快速建立。

Fig.6 Receiver power vs.range at different transmitter elevation

3 試驗及結果分析

為了研究低空氣溶膠對激光的非視線散射傳輸情況，為激光大氣散射通信系統的設計及指標選取提供依據，在一個開闊地面進行了外場實驗。試驗布局示意圖見圖2。發(fā)射機與接收機相距放置約3km。發(fā)射機的仰角為βT，接收機的仰角為βR，則散射角γ＝βT＋βR。r1和r2分別為散射體V中點P到接收機和發(fā)射機的距離，h為散射體距地面的高度，Vs為接收到的信號電壓。發(fā)射的激光波長為1.06μm，激光脈沖能量約為80mJ，脈沖寬度約為12ns，束散為2.5mrad，接收機視場為3mrad，接收光學系統孔徑為100mm，接收機的光學效率約為80%。當天的大氣能見度約為10km，接收機采用雪崩管探測器。根據（1）式，計算得出接收機的接收功率PR，見表1。

Table 1 Data of laser receiver parameters in theory and in experiment

試驗中，調整發(fā)射機和接收機俯仰位置，以確保接收機與發(fā)射機空間交匯。在發(fā)射機和接收機不同仰角情況下，利用示波器記錄散射回波脈沖信號，見圖7和圖8。

Fig.7 Scattering pulse signal whenβT＝3°，βR＝12°

Fig.8 Scattering pulse signal whenβT＝4°，βR＝14°

從示波器信號幅度來看，第2組試驗信號要弱于第1組試驗信號。原因是第1組參量的發(fā)射機仰角及散射角參量都要小，根據前面理論分析，原因是偏離傳輸方向的角度越小，接收到散射回波相對較強。

4 結 論

非視線激光大氣散射通信系統在軍事和民用上具有迫切的應用需求和巨大的應用前景。但由于系統的研制難度大，仍然需要通過技術的進一步發(fā)展才能夠實現工程化和實用化的技術目標。由于其發(fā)展狀況與激光器件技術、探測接收技術及微弱信號的處理技術等的發(fā)展密切相關，因此目前仍然應該關注相關單元技術的進展，在相關技術發(fā)展的基礎上不斷完善非視線激光散射通信系統，盡快達到實用化水平。

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Study on non-line-of-sight infrared laser scattering communication in atmosphere

LIU Bing1，WANG Jusheng2，YANG Zehou3，LI Xiaofeng3，FAN Dong3，REN Peng3，LIBin3，LUO Xiong3，FENG Litian3
（1.Military Deputy Room of Chinese People’s Liberation Army in No.209 Institute，Chengdu 610041，China；2.Beyondsoft（Shanghai）Co.Ltd.，Shanghai201204，China；3.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

In order to realize non-line-of-sight（NLOS）laser scattering communication in atmosphere，the NLOS communication link model was founded according to Mie scattering theory and 1.06μm laser scattering communication in atmosphere was studied.The relationship of laser receiving power，laser transmitting power，laser beam divergence angle，receiver field of view，detector sensitivity，emission inclination angle，receiver inclination angle，atmosphere attenuation and communication distance were analyzed.After establishing the experimental system，an experiment of 1km scattering communication was taken on and laser scattering signal was gotten.The experimental result shows that atmosphere scattering communication at long distance can be realized by choosing 1.06μm laser for signal communication under a certain weather condition.

atmospheric optics；non-line-of-sight；scattering communication in atmosphere；Mie scattering；infrared laser

TN929.12

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.028

1001-3806（2014）06-0854-05

劉 兵（1968-），男，工程師，主要研究方向為激光技術、電視跟蹤和激光制導。

E-mail：229817210＠qq.com

2013-12-31；

2014-02-20