航空平臺間激光通信捕獲鏈路功率分析與仿真

徐春鳳， 韓成， 姜會林

(1.長春理工大學 光電工程學院, 吉林 長春 130022； 2.長春理工大學 計算機科學技術學院, 吉林長春 130022)

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航空平臺間激光通信捕獲鏈路功率分析與仿真

徐春鳳1,2， 韓成2， 姜會林1

(1.長春理工大學 光電工程學院, 吉林 長春 130022； 2.長春理工大學 計算機科學技術學院, 吉林長春 130022)

為研究航空平臺間激光通信系統中主要環節和信道對信標光功率的影響，根據捕獲探測器的信噪比和探測概率關系，分析激光器發射到探測器接收全環節的信標光功率變化情況，建立了空空激光通信捕獲鏈路仿真系統。通過該仿真系統，分析不同大氣能見度所對應的探測概率，在此基礎上討論要實現探測概率為99%，需要的最小發射功率和最長通信距離。仿真結果表明：發射功率越大，大氣能見度對航空平臺間激光通信探測概率的影響越明顯；發射功率不變，大氣能見度越高時，最長鏈路距離越遠；當發射功率為5 W，地面能見度大于等于10 km時，即可實現150 km的激光鏈路。通過仿真系統得出了信標光發射功率與探測概率之間的關系，對激光器的選擇起到一定的借鑒作用。在仿真的基礎上，開展的飛機間野外試驗，可以有效地模擬飛機間激光通信系統的捕獲探測概率。

通信技術； 空空激光通信； 捕獲鏈路； 能見度； 信噪比； 探測概率

0 引言

多年來，作為一種先進的通信技術，自由空間激光通信一直受到國內外學者的高度重視，開展了眾多方面的研究，取得了很多研究成果。相對于衛星平臺或地面平臺，航空平臺空間激光通信裝置由于受到平臺強振動的擾動、強天空背景光大氣信道和高動態等因素的影響，因此，以航空平臺為節點的激光通信鏈路的技術難度是最大的，并受到了各國的高度重視[1-4]。捕獲、對準、跟蹤(APT) 系統是激光通信的前提和保證。由于外界環境因素的嚴重干擾，APT技術成為航空平臺間激光通中最復雜、最困難的技術之一[5]，其中捕獲是建立激光通信鏈路的第一步。

對于航空平臺間激光通信，1989年美國成功進行了飛機間激光通信試驗，但通信速率只有19.2 kb/s；1999年，利用兩架T39-A飛機開展了50 km到500 km的激光通信試驗，在試驗過程中，使用4個激光器融合成兩個信道，每個信道的速率為600 Mb/s. 隨后的十年，各國主要進行了星間或飛機到其他平臺間激光通信試驗，并取得了豐碩的成果。直到2011年，美國TT公司將自己研制的FALCON通信終端安裝到無人機或載人飛行器，成功建立了132 km、2.5 Gb/s通信鏈路，并維持了30 min，期間經歷了飛機轉向、傾斜飛行和大氣湍流[6]。

相對星間激光通信而言，空地、空空、星空等激光通信系統在搭載平臺、通信信道、背景光等方面具有很多新的特性[7-10]。現有的研究主要集中在空地激光通信APT系統、 外界環境和通信性能等方面， 對航空平臺間激光通信的研究并不多。捕獲時間和捕獲概率是自由空間激光通信捕獲系統的主要技術指標，其中捕獲概率由統計覆蓋率、掃描覆蓋率、探測概率構成，探測概率主要與捕獲器件的信噪比有關，而捕獲器件上的光斑能量的噪聲決定著信噪比。對于航空平臺激光通信，基于仿真系統來研究捕獲鏈路中光功率的變化，并對在不同條件下分析捕獲探測概率是非常有意義的。

1 捕獲鏈路功率分析

對于航空平臺間的空間激光通信，由于兩個搭載平臺的位置和姿態都不確定，需要進行一段時間的初始指向，即將兩個通信終端的視軸旋轉到一個特定的區域，稱為捕獲不確定區域。由于存在測量等誤差，在接收和發射終端完成初始指向后，被測終端期望的姿態與實際測量得到的姿態間存在角度誤差，即初始指向誤差。信標光離開發射口徑，經過遠距離傳輸后，接收口徑平面上得到的光斑不再是理想的平面波，因此，指向誤差將直接影響捕獲探測器上的光功率，在文中將對這種影響進行建模。在航空平臺間激光通信系統中，由激光器發射的信標光功率，經過一系列的增益和衰減，獲得探測器接收的信標光功率， 如圖1所示。

圖1 航空平臺間激光通信捕獲鏈路的仿真系統 鏈路圖Fig.1 Laser communication acquisition link in air-air laser communication

激光捕獲鏈路的功率變化，可以近似表示為接收光功率、發射功率、發射天線增益、發射光學效率、自由空間衰減、大氣信道衰減、初始指向誤差衰減、接收天線增益、接收光學系統效率的乘積。發射天線的增益與信標光的束散角有一定的關系。收發光學單元的光學表面質量會影響激光光束的波前功率分布。對于能量服從高斯分布的光斑，初始指向誤差引起的衰減[11]可近似為

G(θdir)≈e-8(θdir/θdiv)2，

(1)

式中：θdir為初始指向誤差角度；θdiv為激光器輸出的束散角。

2 大氣信道分析

航空平臺既有低空平臺(如低空飛艇、直升機等)，又有高空平臺(臨近空間平臺)，對于高空平臺間激光通信受到的大氣信道的影響比較小，但對于低空平臺間的激光通信受到的大氣的影響比較大。因此，激光通信的信道包括自由空間信道和大氣信道，自由空間信道損耗不考慮大氣引起的損耗[11]。自由空間信道引起的損耗LS，其關系為

(2)

式中：λ為激光波長；L為通信距離。

對于空空激光通信來說， 激光在大氣中傳播時，由于兩個航空平臺近似位于相同高度，因此其激光通信鏈路可以認為是水平的，可以忽略高度對激光通信的影響。散射衰減系數與激光波長和不同海拔高度處的壓強p及溫度T有關[12]：

(3)

式中：R=287.05 J/(kg·K)；Kb為波爾茲曼常數；nNN為在0 km海拔高度處的空氣折射率；ρNN為在0 km海拔高度處的空氣密度。大氣衰減系數為

(4)

式中：v為能見度(m)；λ0=550 nm；q是與能見度有關的系數[13]，關系為

(5)

大氣湍流閃爍效應使遠場光斑的功率在時域和空域產生強烈的波動，從而使得匯聚到探測器上的光功率呈現較強烈波動，極大地增加了光功率偏離的程度。在中、弱湍流條件下，平面波和球面波的對數振幅起伏方差[14]分別為

3<α<5；

(6)

3<α<5.

(7)

式中：a(α)可由(8)式[14]表示：

3<α<5；

(8)

(9)

(10)

在高速飛行時，位于航空平臺艙壁表面處的氣體被壓縮。根據文獻[16]可知，由于溫度的差異，引起流體加速變化，導致航空平臺艙壁上的氣體密度與自由氣體的密度有較大差異，由此可以得到飛機艙壁處和自由氣流密度間的關系為

(11)

式中：ρw為平臺艙壁處的密度；ρ0為大氣密度；M0為自由氣流馬赫數；r為回收參數；u為等壓與等容時的比熱之比。

由于靜壓力不變，因此大多數附面層流的密度會出現波動。層流附面層的密度變化是平穩的，因此不需要考慮其引起的能量衰減。由于流層有序的活動受到破壞，演變成無序的運動，產生湍流附面層。在弱像差條件下，附面層主要是引起Strehl比的下降，近似為

(12)

式中：σ2為波前方差。假定湍流是各向的，預計的波前方差為

(13)

式中：G表示氣體的一種特性；lz為沿光軸的相關長度；ρ為波動密度；l為通過擾動的總光程。

3 信噪比和捕獲探測概率分析

對于大多數空間激光通信系統來說，都選用電荷耦合器件(CCD)作為捕獲探測器。探測器的信噪比直接影響探測概率，因此需要對CCD的噪聲進行分析。假設CCD噪聲信號統計服從標準的正態分布，若采用強度調制/直接探測方式，由虛警率、丟失率和探測概率的定義可知，對于CCD探測器的一個像元來說，探測概率為

(14)

式中：iA為CCD接收到的平均有效信號對應的電流；It為CCD的閾值電流；iN為CCD均方噪聲電流；erfc(·)為余補誤差函數；erf(·)為誤差函數。

通過前面的分析可知，捕獲探測概率主要與探測器的信噪比有關。大多數情況下，捕獲探測器采用CCD，CCD信噪比[16]為

(15)

式中：Ns為信號等效電荷數；NB為背景光信號等效電荷數；NN-RMS為暗電流等效電荷數；NN-AD為量化誤差等效電荷數。探測器接收到的天空背景光功率PB與天空背景光亮度譜密度φ(λ)、系統的接收口徑d、接收視場角θ、窄帶濾光片的帶寬Δλ有關，其表達式為

(16)

4 仿真結果與分析

根據上述的理論可知，信標光的信噪比直接決定著探測概率，因此構建了捕獲鏈路功率仿真分析子系統，該系統的仿真界面如圖2所示，系統中的主要參數如表1所示。通過該系統，可以分析不同參數條件下，激光通信系統接收到的光功率和信噪比。在此基礎上，就可以進一步分析不同參數與探測概率的關系。

運行此仿真系統，可以得到不同CCD信噪比條件下的捕獲探測概率，如圖3所示。當信噪比大于6時，一個通信終端的捕獲探測概率優于99%.

從前面的分析可知，大氣湍流對信標光功率的影響主要與大氣折射率結構常數有關，比較典型的模型如圖4所示，在仿真系統中采用Hufnagel-Valley模型[17]。

在上述條件下，初始指向誤差與功率衰減之間的關系如圖5所示，指向誤差為3 mrad時，信標光功率損耗大約50%。假設初始指向誤差為2 mrad(其他參數不變)，如圖6所示，曲線A是地面大氣能見度為10 km條件得到的，曲線B是地面大氣能見度為20 km條件得到的，曲線C是地面大氣能見度為30 km條件得到的。為了使捕獲探測概率優于99%，需要的最小發射功率分別為4.2 W、2.5 W、1 W.

圖2 捕獲鏈路功率分析仿真系統Fig.2 Simulation system for power analysis of laser communication acquisition link

發射功率/W2量化噪聲等效CCD輸出電壓值/μV141激光器輸出的束散角/mrad3CCD每個電荷數等效輸出電壓值/μV345波長/nm1550CCD像元數256×256安全裕量14量子效率03發射光學系統透過率07CCD積分時間/ms8發射口徑/mm230CCD響應靈敏度7光學放大系數10亮度譜密度/(W·m-2·nm-1·sr-1)02通信距離/km100接收視場角/mrad10航空平臺的海拔高度/km5窄帶濾光片帶寬/nm3接收天線口徑/mm230接收光學系統透過率07

圖3 信噪比與探測概率的關系Fig.3 SNR vs. detection probability

圖4 大氣折射率結構常數模型Fig.4 Model of atmospheric refractive index structure parameter

圖5 指向誤差與功率衰減之間的關系Fig.5 Pointing error vs. power attenuation

圖6 信標光發射功率與探測概率之間的關系Fig.6 Relationship between transmitting power of beacon and detection probability

假設初始指向誤差為3 mrad(其他參數不變)，如圖7所示，圖7中曲線A是地面大氣能見度為10 km條件得到的，曲線B是地面大氣能見度為20 km條件得到的，曲線C是地面大氣能見度為30 km條件得到的。為了使捕獲探測概率優于99%，所需要的最小發射功率分別為4.5 W、2.9 W、1.3 W.

圖7 信標光發射功率與探測概率之間的關系Fig.7 Relationship between transmitting power of beacon and detection probability

假設初始指向誤差為4 mrad(其他參數不變)，如圖8所示，曲線A是地面大氣能見度為10 km條件得到的，曲線B是地面大氣能見度為20 km條件得到的，曲線C是地面大氣能見度為30 km條件得到的。為了使捕獲探測概率優于99%，所需要的最小發射功率分別為5 W、3.5 W、2 W.

圖8 信標光發射功率與探測概率之間的關系Fig.8 Relationship between transmitting power of beacon and detection probability

假設信標光的發射功率為2 W(其他參數不變)，如圖9所示，曲線A是地面大氣能見度為10 km條件得到的，曲線B是地面大氣能見度為20 km條件得到的，曲線C是地面大氣能見度為30 km條件得到的。使捕獲探測概率優于99%的條件下，最大的通信距離分別約為小于100 km、200 km、280 km.

圖9 通信距離與探測概率之間的關系Fig.9 Communication distance vs. detection probability

假設信標光的發射功率為3 W(其他參數不變)，如圖10所示，曲線A是地面大氣能見度為10 km條件得到的,曲線B是地面大氣能見度為20 km條件得到的，曲線C是地面大氣能見度為30 km條件得到的。使捕獲探測概率優于99%的條件，最大的通信距離分別約為100 km、250 km、320 km.

圖10 通信距離與探測概率之間的關系Fig.10 Communication distance vs. detection probability

假設信標光的發射功率為5 W(其他參數不變)，如圖11所示，曲線A是地面大氣能見度為10 km條件得到的，曲線B地面大氣能見度為20 km條件得到的，曲線C地面大氣能見度為30 km條件得到的。在滿足捕獲探測概率優于99%的條件下，最大的通信距離分別約為150 km、300 km、350 km.

圖11 通信距離與探測概率之間的關系Fig.11 Communication distance vs. detection probability

在上述仿真的基礎上，開展了飛機間野外試驗，其中與捕獲相關的數據如表2所示，表中記錄了多次捕獲試驗的部分數據和仿真結果。根據圖3給出的仿真結果，當信噪比大于6時，一個通信終端的捕獲探測概率優于99%，可以看到試驗數據中捕獲成功的概率和仿真結果是一致的。因此，本文所構建的仿真模型可以有效地模擬飛機間激光通信系統的捕獲探測概率。

5 結論

捕獲概率與多種因素有關，例如：大氣吸收、湍流、漂移、折射率結構常數；信標光激光波長、功率、束散角；光端機平臺的穩定強度、運動角速度、角加速度；激光接收的效率、靈敏度等多要素強關聯的指標。文中只針對探測概率分析了從激光器發射到探測器接收全環節的信標光功率變化情況，建立了仿真模型。在不同的條件下，利用本仿真系統分析了航空平臺間激光通信捕獲性能，通過分析可知，當參數如表1所示的情況下，地面大氣能見度大于25 km時，信標光發射功率為3 W就可滿足捕獲概率優于99%的要求。其他條件不變，要滿足捕獲概率優于99%的要求，在地面大氣能見度分別為10 km、20 km、30 km的條件下，得到的最小發射功率分別約為4.5 W、2.9 W、1.3 W. 發射功率越大，對捕獲概率的影響越明顯。

表2 捕獲不確定區域試驗

References)

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Analysis and Simulation of the Power of Laser Communication Acquisition Link in Air-Air Optical Communication

XU Chun-feng1,2, HAN Cheng2, JIANG Hui-lin1

(1.School of Opto-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022, Jilin, China; 2.School of Computer Science and Technology, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022, Jilin, China)

In order to study the effects of the key link and channel in air-air laser communication system on beacon power, the change of beacon power from laser emission to detector receiving is analyzed, and the simulation system of air-air optical communication acquisition link is established based on the relation between signal-to-noise ratio and detection probability of acquisition detector. A simulation system is used to analyze the detection probabilities under different atmospheric visibility. The required minimum transmitting power and maximum communication distance are analyzed with detection probability of 99%. The results show that the greater the transmitting power is, the more obvious the impact of atmospheric visibility on the detection probability of the air-air laser communication is. When the transmitting power is constant, the atmospheric visibility is higher, and the longest link distance is greater. When the transmitting power of beacon is 5 W and the ground atmospheric visibility is or more than 10 km, the relevant maximum communication link of 150 km can be achieved. The relationship between the transmitting power of beacon and the detection probability is explored by the simulation system. The field experiment is carried out on the basis of simulation, which could effectively simulate the acquisition and detection probability of air-air laser communication.

communication technology; air-air laser communication; acquisition link; atmospheric visibility; signal-to-noise ratio; detection probability

2016-02-02

國家自然科學基金項目( 91338116)

徐春鳳(1977—)，女，講師，博士研究生。E-mail:xcf@cust.edu.cn； 韓成(1978—)，男，副教授，碩士生導師。E-mail: hchwork@sina.com; 姜會林(1945—)，男，工程院院士，博士生導師。E-mail: hljiang@cust.edu.cn

TN929.12

A

1000-1093(2016)11-2015-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.008