激光大气信道

激光大气信道相关总结1、大气对信道传输的影响等。衰减效应对激光通信的影响的躲避或补偿。吸取作用机理：激光穿过大气时，大气中的分子在光波电场的作用下被极化，并以入射光的频率做受迫振动，使局部辐射的光能转换成气体分子的内能，消耗了〔经相关争论说明，气溶胶粒子由于直径较大，对光的吸取作用不明显〕作用特点：使激光功率衰减，但不转变光束的质量。打算因素：分子对光波能量的吸取由分子构造、浓度和吸取光频率所打算，不同的气体分子对不同频率的光吸取的力量不同，具有肯定选择性。衰减规律：P(λx)=P(λ0)exp[−k(λ)x]k(λ) 吸取系数；x 传输距离；大气窗口:大气对某些波段光波的吸取较弱，透过率较高，称这些透过率较高的波段为大气窗口。而变化，并考虑散射等因素影响，通过统计分析，地球大气的透过率如下：1-1不同波长激光在大气信道中传输的透过率大气散射散射是光在传播过程中遇到微小粒子，使其传播方向发生转变的现象，是电磁波在大气微粒作用下的衍射效应造成〔只有当微粒的直径小于或相当于辐。其结果会使光在原传播方向上的能量减小，影响光斑外形和光强分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。光斑内的强度分布，使光斑内部有明暗之分。瑞利散射：产生条件：散射微粒直径远小于波长时产生，也称作气体分子散射〔108cm级40nm〔大气分子〔0.1nm见光400～760nm；近红外短波〔780~1100nm；近红外长波〔1100~2526nm〕主要作用粒子：大气分子。特点：散射粒子较小，散射光分布较均匀，对波长小于40nm的光波才作用明显比较明显。随着散射分子半径增大，散射增加；随着波长的增大，散射减弱。由此可以推论，可见光比红外光散射猛烈，蓝光比红外光散射猛烈〔形成蓝色天空。阅历公式：𝜎𝑚=0.827×𝑁×𝐴3/𝜆4A——散射元横截面积(𝑐𝑚2)N——单位体积内分子数(𝑐𝑚3)λ——光波波长(m)T——表示热力学温度1-2散射强度与波长的关系米氏散射：产生条件：当空气中粒子的直径大于入射光的波长或者和光的波长可以比较的时产生，粒子对入射光散射后的散射光分布比较简单且不对称，瑞利散射不再适用。作用粒子：云、雾、雨、雪等气溶胶粒子以及雾霾等微小粒子。特点：散射光角度分布较为简单，并且随着粒子直径的增加，散射光集中的角度也越〔对光信号的影响也相对更大〕散射系数阅历公式：r粒子半径

𝜎𝑛=𝑁(𝑟)𝜋𝑟2𝑄𝑠(𝑋𝑟,𝑚)𝑄𝑠——散射效率〔粒子散射的能量与入射到粒子几何截面上的能量之比〕无选择性散射：产生条件：当大气中粒子的直径远大于波长时发生的散射。作用粒子：尺寸较大的气溶胶粒子、微粒、尘埃。作用特点：散射强度与波长无关，不具有波长选择性，使原传播方向上的光信号能量严峻衰减。大气折射由于大气的不均匀特性，导致空气折射率随空间发生变化，使激光传输路径发生偏折的现象。影响因素：大气温度、压强折射率公式：n=1+77.6(1+7,52×103 𝜆2)(p/T)×106p——大气压强T——温度；λ——入射光波长；〔pT是随高度变化的物理量〕反射减弱了电磁波到达地面的强度。大气窗口的波段被称作大气窗口〔1-1。大气透过率计算〔(Bougher定律：均匀条件下：假设传输路径上的大气是介质均匀或分层均匀时，大气透过率可表示为：T(λ,L)=

𝐼

=𝑒𝜇(𝜆)𝐿非均匀条件下：假设假设大气为非均匀介质，其透过率可表示为：T(λ,L)=exp[ ∫𝐿𝜇(𝜆,𝑟)𝑑𝑟]0L𝐼0I分别为原始光强和通过距离L后的光强；𝜇(𝜆)为大气衰减系数，与波长相关；TL大气衰减系数打算于粒子对光波的吸取和散射，具体关系如下：𝜇(𝜆,𝑟)=𝛼𝑚(𝜆,𝑟)+𝛽𝑚(𝜆,𝑟)+𝛼𝛼(𝜆,𝑟)+𝛽𝛽(𝜆,𝑟)𝛼𝑚(𝜆)——分子吸取系数𝛽𝑚(𝜆)——分子散射系数𝛼𝛼(𝜆)——气溶胶吸取系数湍流对激光通信的影响湍流指的是大气的随机不规章运动，由于地面的简单性和太阳辐射的不均匀性，导致大气的温度、湿度、压力、折射率等性质的随机变化，从而引起大气折射率的随机转变，称其为湍流效应。有机湍流运动导致大气折射率的随机转变，严峻影响光波信号的质量，湍流效应对激光信号的影响主要表现为：光斑漂移与扩展、光强闪耀以及到达角起伏等几个方面，严峻限制了空间激光通信的效能。处，是一个不断变化的过程。湍流气团在运动的过程中，能量也在不断流淌，直径较大湍流受惯性力起伏影响，形态往往不稳定，在运动的过程中由于惯性作用不断分裂成直径较小的湍流，将尺寸最大的湍流直径称作湍流的外径𝑳𝟎〔相当于气流离地面的高度，通常在几十到几百米的量级。当湍流尺寸减小的最小的湍流直径称作湍流的内径𝒍𝟎〔一般为毫米量级。由于湍流的简单性和随机性，为了对其进展有效的定量描述，国内外都进Tatarskii：[1][2]。常用尔莫哥洛夫〕模型，Kolmogorov于三个前提假设：气流在微小的区域可以看作是各向同性的；在各向同性的局部区域内，流体仅仅受摩擦力和惯性的作用；尺度区间(𝑙0,𝐿0)被称为惯性范围；在该范围之内，内摩擦力的影响可以无视，流体运动由惯性力打算，并且大气的统计特制听从“2/3。Kolmogorov模型并不完全适用，于是延长出了non-Kolmogorov模型。湍流的描述：折射率湍流模型：随机特性，可用统计的方式对介质的特性进展描述，可以表现为：n(r,t,λ)=𝑛0(𝑟,𝑡,𝜆)+𝑛1(𝑟,𝑡,𝜆)其中：𝑛0确实定局部，对大气湍流而言𝑛0≈1,𝑛1(𝑟𝑡𝜆)表示折射率的随机变Kolmogorov𝑛1的构造函数为：可以表述为(2/3):𝐷 (𝑟)=

𝐶2𝑟2;𝑙 ≪𝑟≪𝐿𝑛𝑛

𝑛 3 0 0𝑛r𝐶2是与湍流有关的折射率构造常数。𝑛湍流强度的描述𝑛𝑛𝐶2为折射率构造常数，是大气光学的根本参数之一，可用于表征湍流的强度，其值越小，代表湍流越弱。𝐶2随着地理位置、温度、高度、气象条件、太阳光照等都亲热联系，一般而言，其随着海拔高度的增加而减小，随着太阳光𝑛𝑛3照强度的增加而快速增大。其典型值为1017 ~1012 𝑚2，其中大于1012 的湍3流被称作强湍流，1012 到1016 范围的湍流被称作中湍流，小于1016 被称作弱湍流。图1-3折射率构造常数随海拔高度的变化图1-4折射率构造常数随时间的变化关系折射率构造常数计算𝑛很明显，𝐶2与大气的温度、压强、空气流淌速度等都有亲热的关系，是一个格外简单的系统，一般认为其计算公式可表述如下：𝑛𝐶PT2为温度构造化常数：𝐶𝑇〔Hufnagel–ValleyBoundary(HVB)mode：式中V表示风速的RMS值，表示离地面的垂直高度。应用于海平面大气中的哈夫那格尔〔Hufngel〕阅历模型：h，g(h,t)0，具有高斯分布的随机变量：𝒏1-4𝑪𝟐随高度变化的曲线𝒏湍流介质中光波的传播模型为了有效描述光波在湍流介质中的传播规律，常用的描述方法包括：Rytov[3]、马尔可夫近似方法[4](此局部涉及到光的波动学问，看不明白，我认为后期假设需要做有关相位补偿方面的工作，该局部比较有用)。另外，关于大气湍流功率谱的主要物理意义不是特别清楚〔应当与流体力学有关，其主要的计算模型包括：TatarskiiTatarskii理论模型、Tatarskiivon-karmanHillAndrews湍流理论模，并有其计算功率谱的数学模型。大气湍流对激光传输的影响该局部内容由于涉及到光波动和流体力学的学问较多，并且多看的论文中对该局部缺乏系统的推导和论述，规律混乱，所以临时没有深入的学习了解。光斑漂移和光束扩展当光束直径相对于湍流尺寸较小时，湍流会导致光束作为一个整体而随机偏折，使处于远处接收端的光斑中心位置围绕某一特定位置随机跳动，这种现〔当湍流较强时，可能导致漂移范围查过接收范围，使通信中不同局部的折射率不同，造成接收端的光斑直径更大，争论说明，一般状况下23信的质量。其数学模型可表示为：𝑟其中𝑊𝑆𝑇代表短期扩展光束宽,主要由于光的衍射和小湍流造成的光束扩展，𝑟〈2〉代表了光束重心位移，其进一步表述如下：𝑐θ表示激光传输的顶角，λ表示工作波长，0〔H-h〕端和接收端的垂直高度差，k=2π/λ表示波数，𝑟0表述大气相干长度：〔未开展深入学习〕光强闪耀到达近第大气的光束直径往往比湍流直径大得多，此时，光束截面上可能同时包含很多个独立的湍流旋涡，导致在光束内不同部位产生不同的扰动，光斑不同部位的光强度存在起伏，此即为光强闪耀。束的外形具有较为亲热的联系，最常用的闪耀模型为：𝐸{𝐼2𝛿2= −1𝐼 𝐸{𝐼}2其中I〔具体未开放深入学习〕到达角起伏〔具体未深入争论〕2、大气激光通信信道调研〔该局部信道为统计模型，适用于强度调制中〕理论根底 模型名称 备注基于假设雷夫近似法的对数正态模型系列(通常只适用于特定的环境中，缺乏通用性能)基于双随机闪耀的模型〔 doublystochastictheory scintillation〕〔适用于各种湍流强度的环境〕

对数正态模模型〔lognormalmodel〕负指数分布模型〔negativeexponentialdistributionmodal〕[2023:110]莱斯分布模型(Rayleighdistribution)[2023:115]KKdistributionmodal[2023:116]双随机闪耀I-K分布模型doubly-stochasticI-Kdistributionmodal[2023:117、118]对数正态-莱斯模型(log-normalRicemodal)对数正态调制指数模型〔log-normally-modulatedexponential〕

1960弱湍流条件下的市区短距离通信。在长距离试验中数据偏离较为严峻。适用于强湍流信道环境，主要为后期为了解决对数正态模型无法应用于强湍流环境的缺乏而提出。K偏离较大，契合度较差。可以看作对数正态-莱斯模型的特别状况。威布尔指数分布模型〔exponentiatedWeibull〕[2023:109、110、119、120][2023:122]双威布尔模型〔DoubleWeibulldistribution〕MM-distributionDoubleGeneralizedGammamodel

第一种被广泛认可的通用模型被认为是比Gamma-Gamma型，特别是在中湍流条件下，与实际数据契合度更高。近年来被提出的一种一般性模型，可以涵盖K和Gamma-Gamma用性。最被提出的模型[2023:125]，性能优于DoubleWeibull特别是在强湍流和中湍流环境下，其准确性更加明显。3、其他调研结果低轨激光同通信系统的组成低轨激光通信系统的组成信信信信发接接编射收口码单单单单元元元元空间激光通信系统光机分系统通信分系统空间激光通信系统光机分系统通信分系统ATP分系统总控分系统光学望远镜单元光路中继单元紧密机械基台单元通通通通捕获单元粗跟踪单元精跟踪单元提前量对准单元系统总控单元系统热控单元遥测遥控单元电源治理单元光学分系统：光学望远镜单元(打算了接收单元的灵敏度和放射单元的衍射极限发散角大小)信设备体积和重量增加〕功能：完成激光信号的高质量放射与接收；与中继组件、放射子系统、接收子系统等相互连接。光学中继单元:连接光学望远镜和系统中间组件的单元严密机械基台单元性。通信分系统：通信放射单元组成：激光器〔波长、调制器、放大器以及驱动源〔放射功率。通信接收单元组成：光探测器〔探测器灵敏度、信号处理电路波束展宽激光器波束展宽激光器1装置波束展宽激光器2调制器下行光514nm上行光830nm掌握器测器解调器测器滤光片双轴平衡镜望远镜装置平衡掌握镜粗瞄准CCD制器测理图2-2GOLD系统构造图〔粗线条代表光信号，细线条代表电信号〕GOLD重量：22.4kg最大功耗：94w望远镜口径：7.5cm〔收发共用；收发共用除可以使终端设计更加紧凑外，还能保证收发光路的同轴度好〕放大倍数：15倍放射子系统波长：830nm30平均输出功率:13．8mw传输数据率：1．024Mbit／s〔上行和下行调制方式：强度调制／曼彻斯特码激光在大气中的衰减状况调研对链路设计具有格外重要的意义。通过查阅资料，参考过外相关星地通信实估算出其他波长的激光在大气中的衰减水平。星地链路距离：374