后向散射對陸戰激光通信影響分析

李小明，張廣城，劉偉達

（1.長春理工大學　空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春　130022；2.長春工程技術學院，長春　130021）

后向散射對陸戰激光通信影響分析

李小明1，張廣城2，劉偉達1

（1.長春理工大學空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，長春130022；2.長春工程技術學院，長春130021）

激光通信抗干擾能力強、保密性好，非常適用于陸戰條件下抗電磁干擾通信，對提升陸軍作戰能力具有重大推動作用。陸戰環境復雜煙塵較重，發射的激光受到大氣后向散射的影響會反射到己方的接收系統中，對接收產生一定影響，因此必須對激光通信系統后向散射的強度進行分析。根據陸戰激光通信系統的特點，對收發獨立口徑和收發共口徑的兩類激光通信光系統大氣后向散射進行了分析，并對系統發散角、接收視場、光軸間距等參數與后向散射強度的關系進行了仿真，為優化系統參數、減小大氣后向散射對系統影響提供了參考。

激光通信；大氣后向散射；陸戰通信

大氣激光通信是以激光為信息載體，在大氣信道中進行無線傳輸的通信方式，它具有抗干擾能力強、保密性好、通信速率高等優點［1，2］。但激光在大氣中傳輸時極易受到大氣的影響，導致通信質量下降。大氣對激光通信的影響主要有折射、吸收、散射和湍流等，其中散射是由大氣分子和大氣中的氣溶膠離子等引起的傳輸方向上激光能量的減弱［3，4］，散射方向與激光傳輸方向相反的散射稱為后向散射。后向散射帶來的逆向傳輸會導致發射的激光經后向散射進入自己的接收系統中，在同波長雙向通信時嚴重干擾系統對通信激光的接收探測，影響通信性能［5］。

在傳統鏈路的激光通信系統中（衛星-衛星、衛星-地面等）通信節點較少，采用通信收、發系統使用不同波長激光，結合窄帶濾光的方法能夠很好解決后向散射的影響［6］。但是在陸戰激光通信中通信節點較多，為了保證通信網絡中不同作戰單位通信的需要，要求通信網絡中的各通信節點間均有相互通信能力，因此系統必須采用收、發同波長方案，這樣就必須考慮后向散射對通信的干擾問題。

1　激光通信系統

因為激光通信系統的通信光束散角比較?。◣资珟装佴蘲ad），為了保證通信時雙方的通信光軸能夠快速捕獲和相互對準，激光通信系統一般都設計有束散角相對較大、光軸與通信光光軸平行的主動信標光單元，通信雙方互相發射一束信標激光，然后通過相互跟蹤對方信標光束保證雙方通信光光軸的對準，信標光單元一般采用收發獨立口徑設計。為了壓縮束散角、提高接收能量，通信光單元一般采用收發共口徑方案，既通信激光的發射和接收采用同一個大口徑光學天線，在后續光路中采用分光片將收發光分開。某激光通信系統的光學原理和光學結構分別如圖1和圖2所示。

圖1　某激光通信系統光學原理圖

圖2　光學構示意圖

2　后向散射強度模型

激光在大氣中傳輸時，主要受到空氣密度不均造成的分子散射、氣溶膠粒子造成的氣溶膠散射和大氣湍流引起的不均勻性散射的影響。根據粒子的尺度與光波長的關系，散射可以分為：直徑遠小于激光波長粒子產生的瑞利散射、粒子的尺度和激光波長相比不能忽略時的米氏散射［7］。霧霾、煙塵等粒子的半徑和激光波長滿足x=2pr/l＞0.3，米氏散射起到主要作用，所以用米氏散射理論來計算粒子對激光的散射作用，忽略瑞利散射的影響［8］。

為了分析獨立口徑（信標）光系統和共口徑（通信）光系統后向散射的程度，分別建立了兩系統的物理模型，如圖3和圖4所示。

圖3　共口徑光學系統（通信光）示意圖

圖4　獨立口徑光學系統（信標光）示意圖

圖中，θx和θt分別為信標光和通信光發射束散角，φx和φt分別為信標光和通信光接收視場角，激光器輸出功率分別為Px0和Pt0，dv為接收視場內的散射體積元，l為發射端與散射體積元的距離，D為通信光學天線口徑，d為發射和接收口徑間距。為了簡化散射模型，這里只考慮了單散射的情況。

根據散射公式，發射功率為P0，束散角為θ的激光，在距離為l的截面上輻射照度為［9-11］：

其中βex為體消光系數，從散射體dv散射到方向角為α的輻射強度為：

式中βsc為體散射系數；P（α）為散射相函數，其中α為散射方向角。根據輻射光束的傳播公式，接收系統接收到的散射光輻射強度為：

將公式（2）帶入得：

對接收視場內的散射體積分得到接收到的散射光輻射強度為：

對于激光通信系統，無論是通信單元還是信標單元，發射光軸與接收光軸互相平行，且視場角都較小，因此散射角α為180°。散射單元dv對接收口徑D所成的立體角為Ω（l）=π，則接收單元接收到的散射功率為：

d為發射與接收口徑間距離。于是，信標光單元接收到的后向散射的強度為：

通信光系統接收到的向后散射射強度為：

3　散射影響仿真分析

為了分析系統參數對后向散射的影響，根據文獻中［12］提供的鄉村輕霾條件下的大氣參數，對信標光和通信光后向散射的強度進行了仿真分析，仿真時所取的大氣參數如表1所示，通信系統的主要參數如表2所示。

對激光通信系統發射端與霧霾的距離、發射束散角、接收視場、口徑間距等參數對信標光和通信光后向散射強度的影響進行了仿真分析，結果如圖5～9所示。

圖5　信標光后向散射強度與發射端和粒子距離的關系

圖6　信標光后向散射強度與接收視場關系（l=100m）

圖7　信標光后向散射強度與發散角間關系（l=100m）

表1　輕霧霾大氣參數

表2　激光通信系統參數

圖8　信標光后向散射強度與收發光軸距離關系（l=100m）

圖9　通信光后向散射強度與距離l的關系

4　結論

由以上分析可見，對于獨立口徑的激光通信系統，后向散射強度隨接收視場的加大而增大，隨發射束散角的加大而減小，隨發射與接收光軸間距增大而減??；對于共口徑激光通信系統，產生后向散射的大氣粒子與激光通信系統的距離是影響后向散射的強度的主要因素，后向散射強度隨大氣粒子與發射端的距離的減小而增大。上述結論，可以為激光通信系統設計時減小后向散射的影響提供優化依據。

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The Effect of Back Scattering on Land-battlefield Laser Communication

LI Xiaoming1，ZHANG Guangcheng2，LIU Weida1
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Technology，Changchun 130021）

Laser communication is characterized by anti-electromagnetic interference and security，it is fit for near-earth anti-electromagnetic communication and security-information transmission.The condition of land battlefield is complex and smoke heavily，the laser will be reflected to its own receiving terminal because of back scattering and have a strong impact on communication performance，it necessary to study the effect of back scattering on laser communication. For improving the performance of system，analyze the effect of back scattering on beacon and communication laser，then simulate the relation between intensity of back scattering and caliber divergent-angle receiving-filed axle-distance. It is reference for laser communication system of land battlefield.

laser communication；back scattering；land battlefield communication

TN927

A

1672-9870（2015）06-0030-04

2015-09-30

李小明（1984-），男，研究實習員，E-mail：lxmkidd@163.com