激光大气传输吸收衰减效应研究

1、第36卷第3期2008年5月河南师范大学学报(自然科学版J ournal of Henan N ormal Universit y(N atural ScienceV ol.36N o.3M ay.2008文章编号:1000-2367(200803-0056-03激光大气传输吸收衰减效应研究时建群1,魏山城2,韩雪云2,周晓艳2(1.安阳师范学院物理系,河南安阳455000;2.河南师范大学物理与信息工程学院,河南新乡453007摘要:大气随机信道对激光传输性能的影响是制约激光通信的重要因素之一,因此开展对大气信道的研究对实现激光通信的实用化具有非常重要的意义.通过研究,给出了激光在大气中传输

2、吸收损耗实用计算的数学模型,并经过仿真计算,得到了一些有益结论,并以此提出了激光通信设计时的一些相应的解决途径.关键词:激光;光通信;大气吸收;损耗中图分类号:TN012文献标识码:A激光因其独特的性质,在众多领域都得到了广泛的应用,尤其是在通信领域.由于激光通信系统具有通信容量大、传输码率高、保密性能好等诸多优点,与其它通信手段相比,是目前大容量空间通信最具竞争力的解决方案.大气激光通信又称为无线光通信,它是以光波为载体,在大气中传递信息的通信技术.由于大气信道是随机的,激光在通过大气信道传输时会产生大气衰减效应及大气湍流效应,从而造成光束的弯曲、闪烁、漂移、扩展、畸变及光能损失等现象.因此

3、研究大气信道的大气衰减效应和大气湍流效应对于提高无线光通信系统性能具有重要意义.本文主要对激光在大气中的吸收衰减特性进行研究,给出实用的大气吸收衰减计算方法,为无线激光通信系统设计提供依据.1激光在大气信道中的吸收衰减特性当激光在大气中传播时,由于大气中存在着各种气体分子和微粒,如尘埃、烟雾以及刮风,下雨,下雪等气象现象,使部分能量因散射而偏离原来的传播方向(即辐射能量在空间重新分配,部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量(如热能等.大气对激光引起的吸收衰减主要有大气分子吸收和大气气溶胶吸收.相应的大气吸收衰减系数由两项组成1:(=m(+n(,(1式中,m(为大气分子吸收引起的衰减系数,n

4、(为气溶胶吸收引起的衰减系数.1.1大气分子吸收大气分子的吸收是将光辐射能量转换成大气组成分子的运动2,3.吸收能量的衰减与激光束的波长密切相关,在可见光波段和1.06m波长,大气分子的吸收可以忽略,但对10.6m波长,大气分子吸收的影响最为严重.图1所示的大气窗口为0.7215m,但这只是一种粗略的说法4.大气分子的吸收还与海拔高度有关5,6,因为越接近地面(几千米,水蒸汽的浓度越大,水蒸汽吸收的能量也越大,如图2所示.1.2气溶胶吸收大气气溶胶是指极其细小悬浮在空气中缓慢下落的的固体或液体小颗粒(冰,尘埃,烟等.它们的尺寸介于10-2100m,如雾,尘埃,海浪的飞沫都是这种浮质.气溶胶的化

5、学性质,大小和浓度影响大气的衰减状况.收稿日期:2007-09-11基金项目:国家自然科学基金(HSFC#10674042作者简介:时建群(1953-,男,河南内乡人,安阳师范学院讲师,主要从事基础物理研究. 大气气溶胶衰减系数由微粒吸收决定n (=1050Q a 2r ,n r 2d N (r d r d r (km -1,(2式中为波长(m ;d N (r /d r 为每单位体积分布的微粒尺寸(cm -4;n 指所研究的微粒的虚构的折射率;r 是微粒半径(cm ;Qa (2r /,n 是给定微粒的吸收截面.M IE 理论7证明,在可见光和红外线附近,虚构的折射率是极小的,在大气衰减激计算中

6、可以忽略不计.在远离红外线的情况下,虚构的那部分折射率必须考虑在内.2大气吸收衰减模型有关氧和水蒸汽吸收系数的计算采用文献8给出的数学模型:(1氧的吸收系数0(f ,p ,T =2.0058×10-2p T 3f 245N =1A N ;(3(2水蒸气的吸收系数w (f ,p ,T =1.9014×10-5f p w 300T 7/ 2exp 2.1441-300T F ;(4与w (res (f ,p ,T =7.347×10-5p T 5/2f 2.(5式中p 为大气压强;T 为大气绝对温度;f 为频率;p w 为水蒸汽的分压;A N ,p w 和F 的计算见

7、文献8.实际上,采用标准大气模型时,对流层中的大气压强p ,温度T 及水蒸汽含量是随高度变化的,当重力势高度h g 11km 时9T =288.16-6.5h g ,p =101325×T 288.165.2561222,(6式中h g 与几何高度的关系为h g =R e h/(R e +h ;R e 为地球半径.大气分子总的吸收系数m 可由氧和水蒸汽吸收系数线性叠加(按分贝数得到,而在大气中沿一条路径传播的光波的总吸收可以在整条传输路径上对(h 进行积分得到.考虑到大气对光波传播的折射效应,需要在大气中对传输路径进行追踪.单程大气吸收损失abs 的计算公式为abs =h 1h 0(

8、h sin d h ,(7式中h 0为光射线初始点高度;h 1为射线终点高度;为射线上某点高度为h 的射线仰角.3仿真与分析利用上边给出的数学模型,针对激光通信常用的几个波段,选取了0.83m 、1.06m 、3.80m 、10.59m 4个波段进行了大气吸收衰减的仿真计算,结果见图3.由图3可知:在相同仰角相同海拔高度的情况下,波长越长,受到的大气衰减越小.因此,仅从这个角度来讲,光通信采用长波长效果较好;对相同波长相同仰角的激光来讲,传输受到的大气衰减随海拔高度的增加而减小;通过分析,在相同波长相同海拔高度处,仰角越大,受到的大气衰减越小.因此,在建立空-地通信链路时,应尽量不采用通信光束

9、低仰角甚至水平路程传输方式;系统在传输相同距离情况下,在传75第2期时建群等:激光大气传输吸收衰减效应研究 输信道上所产生的功率衰减不同,对系统误码率的影响也不同 .参考文献1徐娟.大气的光散射特性及大气对散射光偏振态的影响D .南京:南京信息工程大学,2005.2邹进上,刘长盛,刘文保.大气物理基础M .北京:气象出版社,1982:293-314.3曹百灵,邬承就,魏合理,等.碘激光的大气衰减特性J .光学学报,2003,23(4:496-500.4许春玉,谢德林,杨虎.激光大气传输透过率的分析J .光电工程,1999,26:7-11.5Robert Meneghini ,Toshio Ig

10、uchi.Ground 2to 2Space Optical Power TransferJ .SPIE ,1999,2120:108-117.6李现勤,程兆谷,蒋金波,等.激光束在大气中长距离传输聚焦特性的研究J .光学学报,2001,21(3:324-329.7Brain R Strickland ,Michael J Lavan ,Eric Woodbridge ,et al.Effect s of fog on t he bit 2error rate of a free 2space laser communication sys 2temJ .Applied Optics ,199

11、9,38(3:424-431.8Blake L V.Rader Range 2Performance Analysis R .New Y ork :D C Heat h and Company ,1980.9孙景群.激光大气探测M .北京:科学出版社,1982.Practicality C alculation Method of Laser T ransmittingAbsorption Loss in AtmosphereSH I Jian 2qun 1,WEI Shan 2cheng 2,HAN Xue 2yun 2,ZHOU Xiao 2yan 2(1.Physics Deparmen

12、t ,Anyang Teachers College ,Anyang 453000,China ;2.College of Physics &InformationEngineering ,Henan Normal University ,Xinxiang 453007,China Abstract :The effect of atmospheric random channel to the laser propagation characteristics is one of the important fac 2tors which restrict laser communication.Therefore ,developing to the atmospheric channel research has the extremely vital sig 2nificance to realize laser communications.Through research ,arrives a practicality calculation method of laser transmitting ab 2sorption loss in atmosphere.Through emulation calculation ,some