空間光通信中高斯光束傳輸閃爍指數測量系統

王佳斌，陳子陽，蒲繼雄（.華僑大學工學院，福建泉州360；.華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門360）

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空間光通信中高斯光束傳輸閃爍指數測量系統

王佳斌1，陳子陽2，蒲繼雄2
（1.華僑大學工學院，福建泉州362021；2.華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門361021）

摘要：基于ARM9嵌入式MCU設計并制作了閃爍參數測量系統，利用該系統對激光在實際湍流中的閃爍指數進行實驗測量.在實際測量中，證明該系統能實時地測量激光在湍流大氣中傳輸的閃爍指數.實驗結果表明：當高斯光束在湍流大氣中的傳輸距離越大，其閃爍指數越大；在相同位置處，高斯光束的閃爍指數隨著湍流強度的增加而增大.

關鍵詞：高斯光束；閃爍指數；激光；湍流大氣；嵌入式

由于激光光束在光通信和遙感探測等眾多領域中的應用，其在大氣湍流中的傳輸特性一直是一個重要的研究內容［1］.與理想的自由空間不同，大氣湍流中存在不同類型的散射介質，這些介質使在其中傳輸的激光光束的光強出現了漲落，即閃爍現象.光束的光強出現漲落會影響基于光強進行信息編碼的光通信的應用.因此，研究光束在大氣湍流中的閃爍指數，具有非常重要的意義［2－13］.學者對高斯光束［14］、平頂高斯光束［15］、高階高斯貝塞爾光束［16］、隨機電磁光束［17］等各種類型光束經過不同強度湍流的閃爍特性，進行深入地研究.通過合理地調制光束的特性，減小光束的閃爍指數.對光束的偏振狀態的調控，可以有效地減小光束的閃爍指數［18］.研究表明，部分相干光束具有比完全相干光束更小的閃爍，例如，降低準部分相干高斯－謝爾模型光束的相干度可以降低光束的閃爍大小［19－20］.此外，利用多光束進行組束，獲得陣列光斑，并合理地調節各光束之間的相對位置，也可以有效地降低光束的閃爍［21］.然而，目前關于光束在大氣湍流中的閃爍的研究，大多局限于理論方面的研究或仿真計算，使用真實測量系統采集數據進行研究的很少.本文基于ARM9嵌入式系統及數據的網絡傳輸技術，設計并構建了閃爍參數測量系統，利用該系統對高斯光束在400m實際湍流大氣中的光強和閃爍指數進行實驗測量［22］.

1　閃爍參數測量系統的設計與實現

由于沒有湍流大氣影響光強及閃爍指數的測量儀器，文中基于ARM9嵌入式系統設計并制作了閃爍測量系統.測量系統結構［23－24］，如圖1所示.

測量系統主要包括光電傳感器模塊、數據采集模塊、數據分析處理及傳輸模塊和客戶端軟件［25］.數據傳輸采用TCP/IP協議，因此，該系統可以方便地擴展為遠程測量系統.其中，采用了一套基于ARM9核心的嵌入式系統，用以協調各模塊之間的工作.

1.1 光電傳感器

系統光電傳感器采用了連續型激光器發射接收模塊，其結構框圖，如圖2所示.

光電探測器負責激光信號的接收、檢波、放大，并對該信號進行解調解碼的輸出.接收探測器采用了優質器件及優化過的電路結構以確保靈敏度高，響應速度快，線性度好.該探測器的輸出信號有兩種工作模式：一種是開關量信號，用以表明是否收到相應波段的激光信號；另外一種可以將接收到的激光信號強度轉換為電壓信號，供后續處理使用.本測量系統采用了后一種工作模式.

圖2　光電傳感器結構框圖Fig.2　Block of photosensor structure

1.2 數據采集和傳輸系統

為了使系統可以有效地處理經大氣湍流影響后的相應波段激光信號，系統采用以ARM9為核心的S3C2440芯片組成數據集及處理系統.該芯片是基于32位高性能RISC指令集的嵌入式CPU，工作頻率為400MHz，4路高速DMA通道，8通道10位高精度A/D轉換器，精度可滿足本系統要求.為確保數據采集后的運算處理及實時傳輸，配置了64M內存及256M的Nandflash.

系統移植了嵌入式Linux操作系統，作為協調整個系統的數據采集工作及數據傳輸操作的控制模塊［26］.通過進程間通信的方法向A/D轉換器發送命令，在A/D轉換器轉換結束后，向系統發信息以通知系統進行數據的采集及存儲；隨后，在系統端對采集的數據進行初步處理及計算；再向網絡模塊發送數據傳輸的命令，使數據可以通過TCP/IP協議在普通網絡中傳輸；最終，傳送到客戶端軟件.

為了減輕客戶端軟件的數據處理和數據傳輸壓力，系統采用分布式計算方式設計，采集到的數據在嵌入式端做初步的處理后再進行傳輸.

1.3 網絡傳輸

系統在嵌入式設備端進行了數據采集及初步處理后，就可以將數據發送到客戶端軟件做進一步的運算和處理.測量系統通常采用RS－232或485等常用現場總線作為傳輸介質.系統采用遵循TCP/IP協議網絡接口進行數據傳輸.通信硬件是10M/100M的DM9000網絡芯片，其通信帶寬完全可以滿足系統對數據傳輸的實時性要求.為保障通信的實時性，采用TCP/IP協議簇中的UDP協議完成數據傳輸任務.UDP協議是一種面向無連接的網絡通信協議，它的特點是通信無需事先建立連接、傳輸速度快、可滿足實時通信要求.

網絡傳輸模塊的加入，使本系統擺脫了傳統的并口或串口等接口束縛，使數據傳輸可在100M的網絡帶寬中進行，大大提高了數據傳輸的速度，提高了系統的實時性；同時，使得系統可以方便地接入互聯網，實現遠程測量.

1.4 用戶操作界面

作為用戶界面PC端的客戶端軟件，采用基于可視化編程的Delphi語言編寫.該程序既是數據的匯聚中心，也是數據處理最終的展示窗口.以圖表的方式展示經過算法處理的接收到的數據，并可進行相關的數據運算，數據統計等工作.為了適應不同強度激光信號的測量，圖表坐標的設計采用動態可調節的方式，輸出波形可以展示出令人滿意的幅度.客戶端軟件通過網絡接收嵌入式系統組成的數據采集處理端傳來的數據.也可以通過互聯網對測量儀器進行遠程的數據讀取及操作.如果系統位于無線局域網，還可實現無線的測量，該模式奠定了測量方式的物聯網化基礎.

圖3　實驗裝置Fig.3　Experimental installation

2　實驗測量

測量高斯光束在實際湍流大氣中閃爍指數的實驗裝置，如圖3所示.以波長為632.8nm的氦氖光束為入射光，經過一個由焦距分別為5，30 cm的兩個透鏡組成的擴束系統擴束后，將其入射到實際湍流大氣中.由于大氣中各種散射介質的存在，使光束在其中傳輸時，光強出現了漲落，利

用閃爍儀對光束的閃爍指數進行實驗測量.閃爍儀包括一個光電探測器，所獲得的信號經過計算得到光強的閃爍指數.閃爍儀的接收孔徑大約為5cm，因此，實驗上所測量的是一個面范圍內的閃爍指數.

根據Rytov理論，高斯光束在Kolmogorov大氣湍流中的閃爍指數可以表示為［1］式（1）中：r為徑向距離；z為傳輸距離；σ2R＝1.23Cn2k7/6z11/6為平面波的Rytov方差其中，R0和w0為入射高斯光束的曲率半徑以及光斑大小，k＝2π/λ，λ為入射光波長，k為波數.

圖4　高斯光束在湍流大氣中傳輸軸上的閃爍指數Fig.4　Scintillation index of Gaussian beam on the axis of the propagation in atmosphere

根據式（1）可以對高斯光束在大氣湍流中的閃爍進行數值模擬.相關的數值模擬結果表明［1］：高斯光束軸上點光強在湍流大氣中的閃爍指數隨著傳輸距離的增加而增大，并且隨著徑向距離的增加而增大；在相同距離處，高斯光束的閃爍指數隨著湍流強度的增加而變大.

利用閃爍儀器對高斯光束在實際湍流大氣中的閃爍指數進行測量.由于實驗條件的限制，只測量了在大氣中傳輸距離為400m的閃爍指數.將探測器放置在光軸上，探測軸上一個小區域的閃爍指數.3個不同時間所測量的閃爍指數，如圖4所示.圖4中：實線、虛線和點線所對應的曲線的湍流強度依次增加.由圖4可知：當傳輸距離為100m時，3種不同湍流條件下的閃爍指數都很小；隨著傳輸距離的增加，閃爍指數逐漸變大在較強湍流的情況下，閃爍指數增加得更快；在相同距離處，不同強度的湍流造成光強漲落有較大的區別；高斯光束在較強湍流中的閃爍指數比較弱湍流中的更大.

除了軸上的閃爍指數，還研究了固定距離處，閃爍指數隨著徑向距離（即探測器的中心與光軸之間的距離）的變化情況，如圖5，6所示.圖5，6中：σ2I為閃爍指數；r為徑向距離.圖5的實驗結果與圖4的實線是同一天測量的結果；圖6的實驗結果與圖4的虛線是同一天測量的結果.

圖5　高斯光束在大氣湍流中的閃爍指數隨徑向距離的變化（對應圖4的實線）Fig.5　Scintillation index of Gaussian beam on propagation in atmosphere vary with the radial distance（refer to the full line in figure 4）

圖6　高斯光束在大氣湍流中的閃爍指數隨徑向距離的變化（對應圖4的虛線）Fig.6　Scintillation index of Gaussian beam on propagation in atmosphere vary with the radial distance（refer to the dashes line in figure 4）

由圖5，6可知：隨著傳輸距離的增加，光斑的大小也在逐漸增大；當傳輸距離為100m時，光斑的半徑約為1cm；當傳輸距離增加到400m時，光斑的半徑增加到約為5cm；激光光束的閃爍指數隨著徑向距離的增加而逐漸增加.這與理論模擬的結果一致.

3　結論

基于ARM9嵌入式系統設計并制作了閃爍參數測量系統.利用該儀器對高斯光束在400m的實際湍流中的閃爍指數進行了實驗測量，主要測量高斯光束軸上位置在不同強度湍流中的閃爍指數隨傳輸距離增加的變化，以及在相同湍流中閃爍指數隨著離軸距離增加的變化規律.

閃爍儀器的測量數據表明：在同一湍流中，高斯光束軸上位置的閃爍指數隨著傳輸距離的增加而逐漸增大；在不同湍流中，同一位置處高斯光束的閃爍指數在較強的湍流中更大；此外，高斯光束閃爍指數隨著閃爍儀器離軸距離的增加也逐漸增大.

通過自制嵌入式測量系統對激光在湍流大氣傳輸中的光強進行實際測量，為后續計算研究高斯光束閃爍指數與傳輸距離之間的關系提供參考.實際測量計算的結果有效地驗證了理論曲線的正確性.

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（責任編輯：黃曉楠 英文審校：吳逢鐵）

Scintillation Index Measuring System of Gaussian Beam on Space Optical Communication

WANG Jia－bin1，CHEN Zi－yang2，PU Ji－xiong2
（1.College of Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China；2.College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Abstract：A scintillation index measuring system based on embedded MCU of ARM9is designed.The scintillation index of laser beams in a real turbulent atmosphere is experimentally measured，and the experimental result shown that the scintillation index of a Gaussian beam increases with the increasing of the propagation distance.Moreover，at the same location，the scintillation index is larger in a stronger turbulent atmosphere.

Keywords：Gaussian beam；scintillation index；laser；turbulent atmosphere；embedded system

通信作者：王佳斌（1974－），男，副教授，主要從事激光應用、嵌入式系統開發、測量技術、智能儀器的研究.E－mail：fatwang＠hqu.edu.cn.

中圖分類號：O 439

文獻標志碼：A

文章編號：1000－5013（2015）04－0412－05

doi：10.11830/ISSN.1000－5013.2015.04.0412

收稿日期：2015－04－16

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61178015，11304104）；福建省科技創新平臺資助課題（2013H2002）；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（10QZR04）；福建省泉州市科技項目計劃重點項目（2013Z12）