論天氣與激光通信的關(guān)系

侯亞萍

摘要：激光通信是運(yùn)用激光進(jìn)行通信傳輸?shù)姆绞?。由于激光在大氣中傳播，通信通道是開放的，所以會(huì)被不同的天氣情況影響到，本文是對(duì)天氣與激光通信之間關(guān)系的探討。首先，概括了一下什么叫做激光通信，激光通信有什么特點(diǎn)，從光纖通信技術(shù)存在哪些優(yōu)勢，以及易受天氣影響的局限性。接下來，詳細(xì)講述了大氣對(duì)激光在傳輸過程中的影響。從晴雨雪三種天氣狀況進(jìn)行論述，大氣對(duì)激光信道則從衰減效應(yīng)、湍流效應(yīng)全面進(jìn)行詳細(xì)介紹。又總結(jié)不同類型的天氣對(duì)大氣信道和大氣激光通信的影響，分論通信質(zhì)量好的天氣還有兩種通信質(zhì)量不高的天氣分別是什么原理。接下來，又簡單講不同的通信質(zhì)量下的天氣進(jìn)行分類。最后，總結(jié)全文指出寫作目的是為了指導(dǎo)今后大氣激光通信事業(yè)的發(fā)展，架構(gòu)出完整的應(yīng)用方案體系。

關(guān)鍵詞：激光通信；大氣；通信質(zhì)量；天氣狀況；效應(yīng)

1 引言

無線激光通信技術(shù)指的是利用激光來進(jìn)行通信傳輸?shù)囊环N通信方式。在這個(gè)過程中，由于激光在大氣中進(jìn)行傳播，通信通道的開放性，使得激光通信與大氣之間關(guān)系密切。大氣層物質(zhì)復(fù)雜，情況多變，常會(huì)出現(xiàn)刮風(fēng)下雨、打雷閃電、臺(tái)風(fēng)等天氣，影響激光通信的正常進(jìn)行。要想解決這個(gè)棘手的問題，就要首先來了解一下天氣對(duì)大氣激光通信信道的影響，即兩者之間存在的關(guān)系。

2 無線激光通信的定義和特點(diǎn)

無線激光通信是無線通信技術(shù)重要的一種，主要指的是以光為通信媒介，以低層大氣層作為傳輸信息通道的通信方式。與其他的無線通信方式相比，也有顯著的優(yōu)勢，如激光通信比微波通信的安全性更高，信息傳輸量更大，對(duì)抗外界因素影響的能力更強(qiáng)。同時(shí)，與另一種無線通信光纖通信技術(shù)相比，激光通信的安裝步驟更加靈活方便、使用成本更低，能夠有效解決寬帶最后接入的問題，在光纖通信技術(shù)無法連接的領(lǐng)域也發(fā)揮著巨大用途，在實(shí)際的應(yīng)用中越來越廣泛的利用。

3.天氣情況對(duì)激光通信的影響

激光通信由于在大氣中進(jìn)行傳播，便不可避免的會(huì)受到天氣情況的影響，所以要想了解兩者之間的關(guān)系，就要從天氣狀況入手。常見的天氣狀況有能見度高的晴天、包含濕氣大、霧氣重、云層濃厚的云霧天，還有水珠雪花尺度較大的雨雪天氣三種。不同的天氣狀況有些自己獨(dú)特的特點(diǎn)，對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懸膊煌?。如由于透明空氣受到渦流和溫度梯度的擾動(dòng)，會(huì)直接導(dǎo)致投射的折射率發(fā)生變化，進(jìn)一步改變激光在大氣中的傳播途徑和方向。而云霧天氣下，會(huì)產(chǎn)生大量的水花，使得正在傳輸中的光產(chǎn)生散射作用和吸收作用，進(jìn)而影響傳輸過程中光的衰減和傳感道路整體的改變。綜上所述我們可以看出，不同的天氣狀況對(duì)激光通信有著不同的影響。主要可以分為湍流效應(yīng)和衰減效應(yīng)兩大類。下面讓我們一起進(jìn)行詳細(xì)了解。

3.1 衰減作用

激光作為光的一種，在大氣層的傳輸過程中通常會(huì)發(fā)生散射作用和吸收作用。學(xué)術(shù)界將這種激光在大氣層中產(chǎn)生的能量的減少稱為衰減作用。很多情況下，散射都會(huì)構(gòu)成衰減，大氣層中激光的散射主要有以下三種情況：

1）光的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大氣中散射的微粒的長度時(shí)，發(fā)生瑞利散射作用。大氣層中的氮、二氧化碳、氧分子等原子分子等對(duì)激光產(chǎn)生的就是瑞利散射作用。

2）當(dāng)光的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大氣層中散射微粒的直徑時(shí)，會(huì)發(fā)生幾何散射作用。如濕氣重的雨滴、冰雪、大霧等天氣就會(huì)產(chǎn)生幾何散射作用。

3）當(dāng)光的波長正好等于或稍微小于散射的物質(zhì)尺寸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生米氏散射作用。這種散射主要發(fā)生在陰霾和霧氣不太重的天氣狀況下。

從這三種情況我們可以看出，三種散射的不同之處主要在于激光波長和散射粒子限度之間的關(guān)系。不同的波長會(huì)產(chǎn)生不同的散射作用。

3.2 大氣湍流

湍流指的是流速達(dá)到一定數(shù)值的物體，在流體中的運(yùn)動(dòng)路徑不再平滑，隨之流體做隨機(jī)的沒有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。由于大氣層中的溫度一直在發(fā)生變化，所以大氣層就是一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的流體系統(tǒng)，當(dāng)激光的流速達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)開始做不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。傳輸質(zhì)量受到影響，主要有一下四種情況：

1）光強(qiáng)閃爍

光強(qiáng)閃爍就是大氣閃爍，這種現(xiàn)象主要是因?yàn)楣獾恼凵潆S機(jī)變化引起的，光在湍流窩傳輸過程中，由于折射使得失真情況出現(xiàn)，相位沒規(guī)律的變化，光的強(qiáng)度也大大小小忽明忽暗。形成光束閃爍的效果，這就是光強(qiáng)閃爍映像。

2）彎曲和漂動(dòng)

光完全被一個(gè)湍流包圍，也就是光的傳播直徑比湍流直徑要小時(shí)，在湍流的作用力下光會(huì)發(fā)生大面積的偏折現(xiàn)象。在這個(gè)過程中，光斑在一定區(qū)域會(huì)發(fā)生變化，這就是光的彎曲。經(jīng)常用偏移量來表示。這種情況下，如果再將光看做是一個(gè)整體，激光的方向就會(huì)產(chǎn)生變化，學(xué)術(shù)界習(xí)慣稱之為光的漂動(dòng)效應(yīng)。

3）光的展寬

激光的光的展寬效應(yīng)指的是，經(jīng)過傳輸后接受到的光束長度和占地面積發(fā)生了明顯的變化。這是由于光的衍射作用和湍流漩渦的共同作用引起的。如果光的傳輸長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大與湍流漩渦的長度，就會(huì)導(dǎo)致漩渦的變大，使得接收到的光發(fā)生衰減，光的半徑進(jìn)一步變大。從這個(gè)角度上說，激光的展寬是激光在大氣層傳輸過程中光的強(qiáng)度明顯下降有關(guān)的一種湍流漩渦作用。

4）其他作用

前面已經(jīng)介紹了大氣變化效應(yīng)中的衰減效應(yīng)和大氣閃爍、光束彎曲和漂移、光束展寬三種湍流效應(yīng)，其實(shí)除這些之外，由于大氣物質(zhì)含量大，情況復(fù)雜，還有其他的情況存在。

常見的有到達(dá)角的起伏變化、光斑的分散、光的影像點(diǎn)抖動(dòng)和光的相位面發(fā)生擾動(dòng)。還有背景噪聲的加強(qiáng)，主要是由大氣的散射作用導(dǎo)致。

大氣層的情況是復(fù)雜多樣，瞬息萬變的，在實(shí)際的激光通信熊，往往不會(huì)只是一種情況單獨(dú)出現(xiàn)，而是兩種或兩種以上的效應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)。對(duì)大氣層的通信工作產(chǎn)生影響，今后的研究工作中要綜合考慮，妥善處理這個(gè)問題。

4 各種天氣情況下的激光通信

研究界使用大量的大氣激光通信設(shè)備進(jìn)行許多實(shí)驗(yàn)，研究了許多天氣狀況下的通信情況，來研究不同的天氣類型與大氣信息通道和激光通信的關(guān)系，成果如下。

4.1 大氣湍流下的激光通信

大氣湍流下的通信條件遭到嚴(yán)重破壞，情況較為復(fù)雜，易出現(xiàn)光強(qiáng)閃爍，信號(hào)不穩(wěn)定，忽大忽小。下面簡要介紹：

1）空氣濕潤、溫度比較高的天氣。一般出現(xiàn)在夏季。

2）太陽光照，霧氣漸漸退去。

3）雨后天氣放晴，溫度快速回升。

4）晴朗天氣時(shí)中午兩點(diǎn)溫度最高時(shí)。

5）通信線路跨越水域時(shí)，氣溫高的時(shí)刻。

4.2 大氣衰減的天氣狀況

云霧和下雨下雪天氣由于空氣中濕度較大，地面溫度和大氣溫度沒有明顯差別，所以幾乎不存在湍流漩渦影響，但是較高的濕度會(huì)導(dǎo)致光嚴(yán)重的散射作用，所以通信質(zhì)量不高的一種情況就是大氣衰減。

4.3 通信質(zhì)量好的天氣

通信質(zhì)量的好壞與大氣作用有些直接的關(guān)系，晴朗的天氣由于受大氣衰減和湍流效應(yīng)影響較小，所以通信質(zhì)量比較好。晴朗天氣下，空氣能見度高，空氣溫度和地面溫度沒有溫差，適宜通信。

5 不同通信狀況的天氣類型

當(dāng)為晴天時(shí)，通信狀況較好，但是晴天中雨過天晴霧氣開始散射的時(shí)候通信質(zhì)量并不算好，是個(gè)例外。云霧、雨雪等空氣濕度比較大的天氣下，通信質(zhì)量不是很好。通信質(zhì)量和天氣息息相關(guān)。

6 結(jié)語

大氣激光通信作為一種新興的無線激光通信技術(shù)，具有其他通訊不可比膩的優(yōu)勢，如通信量大、安全度高、抗干擾性強(qiáng)等，但是美中不足的是受天氣狀況影響較大。本文正是為了解決這一問題，深入探討天氣狀況與激光通信的關(guān)系，為今后研究提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧代竹，榮健 大氣對(duì)近地面無線激光通信鏈路的影響 紅外與激光工程 2004.6，33（3）：243-247

[2] 李曉峰， 胡渝. 空間光通信ATP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本概念及關(guān)鍵參數(shù)探討. 應(yīng)用光學(xué). 2003

[3] 熊金濤， 胡成. 空間激光通信APT系統(tǒng)誤差信號(hào)的特性分析. 電子科技大學(xué)學(xué)