空中-水下藍綠激光通信信道特性分析?

李寅龍 毛忠陽 劉錫國

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

藍綠激光通信因水下穿透性強、傳輸速率高、保密性好等優點逐漸成為空中對水下目標通信的主要方式［1］。由于空中-水下通信距離長且信道環境復雜，因此需要對信道特性進行分析。眾多學者對信道特性分析問題開展研究，其中司立宏［2］研究了藍綠激光通信上行鏈路的信道特性，何谷強［3］分析了藍綠激光通信下行信道的光學特性，苗希彩［4］建立藍綠激光通信下行信道模型并仿真計算功率衰減特性，胡秀寒等［5］在云層存在的條件下分析藍綠激光通信信道特性。但以上文獻都對信道自身固有特性進行分析，并未考慮信道環境對通信性能的影響。因此本文從實際測量角度出發，將空中-水下信道從為大氣、氣-海、海水三部分結合云霧等天氣情況綜合分析，并研究整體鏈路對通信質量的影響。

2 大氣信道分析

空中-水下信道中大氣信道約占整個信道長度的99%，大氣信道對激光的影響主要體現在大氣和云、霧對激光光強的衰減。

2.1 垂直鏈路大氣衰減

大氣衰減由大氣中的分子與氣溶膠粒子造成，通常使用朗伯定律描述激光在大氣中的透過率。激光垂直傳輸時，對大氣分層計算有［6］：

式中，μa為大氣衰減系數，Ha為光在大氣中的傳輸距離。考慮四種因素對大氣衰減系數的影響［7］：

式中，αm為氣溶膠吸收系數，αa為分子吸收系數，βm為氣溶膠散射系數，βa為分子散射系數。

藍綠激光位于“大氣窗口”中，此時分子吸收對光束的吸收作用很小，可以忽略。本文依據《光學手冊》中緯度地區λ=0.5145μm與λ=0.6328μm的激光在各高度上的吸收與散射系數的測量數值［8］，使用線性內插法近似求出λ=0.532μm時的各項數值，表1所示給出了高度0～10km時的大氣衰減系數，（按不同季節和天氣分為四類）。由表中計算數據可通過式（1）求出不同高度下的大氣衰減系數。

表1 中緯度地區0.532μm大氣衰減系數

2.2 云、霧的影響

機載藍綠激光發射機通常處于6km～8km的高度，在此高度下常伴隨著云和霧的出現。云和霧都是由水滴或冰晶組成的混合物，當激光通過云霧時，這些粒子都對激光產生影響從而造成光強衰減。

1）云層對激光的衰減模型

按照云的所處高度和粒子組成將其分為積云、層云、層積云、積雨云、雨層云、高層云以及卷云等。表2給出了不同類型云的衰減系數。

表2 不同類型云的衰減系數［9］

云的光學厚度與物理厚度存在關系［10］：

式中，τ為光學厚度，kc為云的衰減系數，Zc為云的物理厚度。根據Vande Hulst公式，激光經過云層的能量透過率為

式中，F是與云層的光學入射角有關的函數，當光線垂直入射時F=1，＜cosθ＞為散射角的平均余弦值，通常取θ=30°。

2）海霧對激光的衰減模型

霧通常在200m～500m高度垂直分布，根據地域和形成機理不同，認為海霧屬于平流霧，內陸霧屬于輻射霧。按水平能見度可將霧分為四個等級［11］，如表3所示。

表3 霧的不同等級

Al Naboulsi等于2004年提出了針對輻射霧和平流霧的衰減估算模型：

式中，波長λ的單位是μm，能見度V單位km，范圍為50m～1000m，衰減系數單位km-1。將海霧的光學厚度定義為

3 氣-海界面分析

當光束從機載激光器向下發射時，經過氣-海交界處會產生折射和反射。當海面出現一定角度的傾斜時光斑半徑會發生變化，如圖1所示。

圖1 傾斜海面的光斑變化

相對于入射光線，本文設置順時針轉過角度γ取正值，逆時針轉過取負值，上述計算方法對于任何角度的入射光線都是適用的。由圖1知θ1=θ+γ，θ2=θ-γ，β1=φ1-γ，β2=φ2+γ。對于左側入射光束有

4 海水信道分析

通常將光在水中的衰減系數定義為［12］

式中，αs(λ)為海水吸收系數，βs(λ)為海水散射系數。但實際上海水的吸收和散射系數受多種因素影響，因此其衰減系數很難計算。文獻［13］給出利用海水透明度反演計算藍綠激光水下衰減系數的方法，并建立了適合于波長為412nm～565nm的二類水體衰減系數反演模型。以λ=490nm的激光作為標準，其衰減系數表示為

式中，Kd490為490nm的激光衰減系數，SD為透明度。在黃、渤海區域內，藍綠光其余波段的衰減系數可通過線性回歸擬合求出，對于其他波長有

式中，k()

λ為回歸直線的斜率，λ單位為μm。利用朗泊定律計算海水中激光的衰減，設激光探測器在水下深度為hr，則激光在水下的能量衰減可表示為

式中，I為經過海水信道后探測器接收到的光強，I0為海面入射光強，則λ=532nm的激光在水下透過率為

5 仿真分析

5.1 氣-海界面光斑變化分析

設機載激光器位于8km高度處，接收端位于水下100m處，即Ht=8000m，hr=100m。發射光束發散半角θ=10mrad，大氣折射率n氣=1，海水折射率

圖2給出了在傾斜海面下光斑直徑與海面傾角的關系。由圖可知，在海面發生傾斜時，接收端的光斑直徑隨海面傾斜角度增大而增加，且增加速度逐漸變快，在海面傾斜角度γ≤0.4rad≈23°時，接收光斑直徑由160m增加至260m，此時曲線變化近似于線性關系，當γ＞0.4rad后，曲線近乎成指數上升。

圖2 光斑直徑與海面傾角的關系

圖3給出了光斑中心偏移量與海面傾角的關系，由仿真結果可知，隨著海面傾斜角度的增加，接收端光斑中心偏移量隨之增大，變化呈現線型變化，在0.7rad≤γ≤0.8rad時，曲線會出現微小的斜率增大。光束中心偏移量最大可達到23m左右，此時若接收視場半徑小于23m，光束中心將會偏移出接收視場，導致接收光強分布不均勻，光強衰減等不利影響。

圖3 光斑中心偏移量與海面傾角的關系

5.2 整體鏈路余量分析

1）鏈路余量計算

在只考慮衰減的情況下，通常用鏈路余量衡量一個通信系統能否實現有效通信。當鏈路余量小于探測器靈敏度時將無法進行正常通信。在不考慮湍流影響請情況下，接收端探測器接收到的光功率為［14］

式中，DT為發射孔徑直徑，DR為接收孔徑直徑，θ為光束發散角，Hr為激光發射器距離海平面高度，hr為探測器在水下的深度，Tchannel為鏈路總透射率，由前面分析可知

式中，Ta為大氣透過率，Tc為云層透過率，Tf為海霧透過率，Ti為界面透過率，Ts為海水透過率。

通信鏈路余量可表示為［15］

式中，S為探測器靈敏度。由于激光近似垂直入射，故在本文中并未具體考慮氣海界面處造成的光強衰減，文獻［16］指出當激光通過粗糙海面時，若風速小于8m/s，氣-海界面產生的光強衰減約為0.8dB。因此本文利用-0.8dB表示氣海界面的衰減，同時將鏈路余量改寫為

2）鏈路余量仿真分析

仿真參數取值如表4所示。

表4 鏈路余量仿真參數取值

圖4給出在不同類型云的影響下，系統鏈路余量與發散角的關系，仿真環境為晴天，其中取海水透明度V=50m，接收孔徑Dr=200mrad。有仿真結果可知，在不同類型下的云，鏈路余量與云層的透過率成正比，且與發散角有關，發散角越大，鏈路余量越小。在雨層云存在時，鏈路余量最小，而在卷云存在時，鏈路余量最大。

圖4 不同類型的云下，鏈路余量與發散角的關系

圖5給出在不同海水透明度下，鏈路余量與接收孔徑的關系如所示，仿真中環境為陰天、云層類型為積云，發散角為10mrad。由仿真結果可知：1）不同海水透明度下系統鏈路余量不同，透明度越高則鏈路余量越大，通信質量也越高。2）擴大接收孔徑可使鏈路余量增加，當Dr=250mm時，鏈路余量與Dr=100mm相比提升了2dB左右。因此，可通過增大接收孔徑獲得更高的鏈路余量，在系統條件允許的情況下，應盡量使用大孔徑接收。

圖5 不同海水透明度下，鏈路余量與接收孔徑的關系

6 結語

本文從大氣、氣海界面、海水三部分并結合云霧等特殊環境對空中-水下信道特性進行綜合分析。通過數值仿真分析了激光在空中-水下信道傳輸時的光斑變化和鏈路余量。結果顯示，光斑直徑隨著海面傾角變化，當光斑中心偏移量較大時，通信性能會下降；信道衰減大小與天氣情況有關，在晴天時鏈路余量較大，且增加接收孔徑可以提升鏈路余量。因此，在條件允許的情況下，激光通信應盡可能在良好的天氣下進行并且采用大孔徑接收以提升通信質量。