激光通信中的大气光学信道模型仿真(附件)【字数：12733】
摘 要摘 要 1960年，伴随着激光诞生的还有人们对于激光通信技术的渴望。激光通信作为一种无线通信技术，由于其传输速率快，信息容量大等出色的优点,因而正在逐渐被越来越多的研究者开发完善。因为传输过程是裸露在大气中的，又因为大气是一个不稳定的环境，比如大气湍流、大气吸收、大气散射等因素对激光传输造成不同程度的影响，这些影响直接导致了传输信号的质量下降。因此，想要克服大气对激光通信的影响，对于大气激光通信模拟信道仿真的研究是刻不容缓的。本文主要的任务是介绍了大气激光通信技术的发展史，还有国内外的研究现状，以及现今该技术所面临的难题。分析了大气激光通信技术的原理和技术。由于大气湍流不稳定，所以首先研究了随机场理论，主要分为均匀各项同性随机场和局部均匀各项同性随机场，结合这两个理论，可以得出较为准确的大气湍流变化规律。大气湍流对激光传输的影响还表现在相位和到达角会出现不同程度的起伏，经过公式计算得出大气湍流强度可以根据折射率结构函数在近地面处分为三种强湍流，中湍流，弱湍流。 （3）了解到大气衰减对激光通信的影响大，特别是大气吸收和大气散射。研究了关于大气透射率的曲线，大气透射率随着传输距离的增大而减小；波长不一样，大气在相同透射率的情况下传输距离也不一样；关于大气的损耗功率与传输距离的相关曲线。关键词激光通信；大气衰减；大气吸收；大气湍流
目 录
第一章 绪论 1
1.1大气激光通信的研究意义和核心技术 1
1.2大气激光通信的国内外研究现状 2
1.3大气激光通信当前面对的难题 3
1.4本课题主要的研究内容 4
第二章 大气湍流与大气吸收 5
2.1随机场理论 5
2.1.1均匀各向同性随机场 5
2.1.2局部均匀各向同性随机场 6
2.2大气湍流的形态 6
2.3大气湍流对激光传输的影响 7
2.3.1相位起伏与到达角起伏 7
2.4大气吸收的影响 9
2.4.1自然加宽 10
2.4.2 多普勒加宽 10
2.4.3 碰撞加宽 10
2.5大气散射衰减效应数学模型 11
2.6气溶 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
胶吸收衰减模型建立 12
2.7本章总结 12
第三章 激光传输的大气衰减 13
3.1大气衰减功率数学模型 13
3.2大气透射率 16
3.3本章小结 21
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
附录 26
第一章 绪论
1.1大气激光通信的研究意义和核心技术
现今激光已经被广泛运用到众多领域中，生活中处处可见。究其根本原因是由于它本身的优点：相较于普通光源，激光具有很好的相干性，并且亮度高，方向性也好[1]。1960年，激光技术诞生，因为可以承载的信息量大，迅速成为大数据通信很好的载波，也是因此，吸引力许多研究专家和学者投身致力于研究激光通信技术[2]。激光通信技术一开始研究开发并且投入使用，这一过程是很坎坷的，并没有想象中那么顺利。主要是由于激光在大气中传输时，没有任何保护措施，就会导致激光的能量迅速流失，衰减的很快。这是当时激光通信发展所面临的最大的问题。
一般激光通信可以根据所用的传输介质不同，将它分为四类：光纤通信、水下通信、大气通信以及空间通信。
目前大气激光通信需要首先克服的最大难题是如何降低大气环境对激光通信造成的影响。1960年，激光作为相干性很好的光源，它的第一台发生器被研发出来[3]。十年后，美国贝尔实验室成功研制了能够实用化的激光光源，可以在常温状态下在持续工作[4]。由此，将大气作为传输介质的激光通信技术迅速引起了许多专家学者的关注，并且投入大量 精力去研究
大气对激光通信的影响我们通常研究这两大类：大气衰减和大气湍流。众所周知，大气中成分复杂，小至分子，大至气溶胶粒子，还有一些含量比较少的杂质。这些对于激光都具有不同程度的吸收以及散射，因而导致激光的能量衰减。除此之外，在一些特殊天气的时候，大气中的某一部分分子和粒子会突然增加。比如雷雨天、大雾天、雾霾等，都对激光的能量起到衰减的作用。
激光通信技术在现今社会还无法普及开来的主要原因便是以上叙述的这几个原因，想要在大气中长时间长距离的传输，就必须解决这些问题。但是大气激光通信技术本身还是有很多优点是其他通讯方式无法企及的，例如它不需要使用专门的一个频率；发射站和接收站安装便捷；抗电磁干扰能力极强；在信息的保密性方面也是独一无二的。以后，如果大气激光通信技术成熟后可以很方便的与目前比较流行的无线电通信进行切换，在天气良好的情况下使用大气激光通信，在恶劣天气使用无线电通信。总的来说，大气激光通信是富有潜力的一项技术，全面开展激光在大气中传输特性的研究是十分重要和必要的。
激光大气通信系统之所以能被广为应用，主要在于它本身固有的优点，然而，这一系列的优点是基于光通信的相关技术上的。其中包括通信过程中发射端和接收端对激光束的捕捉；瞄准和跟踪技术；光学天线设计技术；自适应光学技术；信道编解码技术；扩频技术[5]。这些技术都是建立在大气信道模型基础之上的，因此对大气信道的研究是不容忽视的。
1.2大气激光通信的国内外研究现状
当20世纪60年代，第一台激光器诞生后，将激光应用于通信的想法也在那时浮现出来。世界范围来说，欧洲国家，美国，前苏联等国家都曾经开展过对大气激光通信的研究。大气激光通信实验最早是1962年在美国展开的，通信距离为2.6km[6]。据报道，美国空军曾经以建立空间通信为主要任务执行过一个405B计划。在1980年左右已经完成了飞机对地面的激光通信实验，取得了很大的成功。1990年，美国测试了紫外线光波通信，并且使用在特种战争和低强度战争中的[7]。这种技术很契合当时的战争环境。如果同时也对紫外线光波光束进行特殊处理的话，其传输距离可高达510km左右。在战场上往往可以起到关键性作用。同年，美国的Faranti公司也研究出来一种隐蔽式，短距离的激光通信系统[8]。
90年代时，由于俄罗斯成功研制出了大功率激光半导体的器件，所以俄罗斯开始了大气激光通信的大众化实验[9]。紧接着还推出了20km左右的半导体激光大气通信系统，在莫斯科等发达城市加以应用和持续研究[10]。目前在俄罗斯很多研究专家对实现半导体激光通信系统在一定范围内能够全天候通信的设想十分坚信，从长远目光来看，这也是一个十分有潜力的发展方向。
欧洲作为空间激光通信技术的领导者。欧洲空间局(ESA)先人一步成功研发并使用了激光通信系统关于卫星之间的，并在1978年展开了高数据空间激光链路研究和探索[11]。其中ESA取得的最大成就是半导体星间激光链路试验装置。这套系统将800nm波段的半导体激光器作为光源，达到了54000km的最大通信距离，通信速率慢慢从低轨星到同步星为50Mb/s，从而同步星到低轨星只有20Mb/s[12]。2006年法国国防部与欧洲进行了机载激光链路技术的演示试验，全球首例地球同步卫星和飞机的激光通信，最终做到了很大程度的有效光隔离，有效地抑制了背景光的影响[13]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1大气激光通信的研究意义和核心技术 1
1.2大气激光通信的国内外研究现状 2
1.3大气激光通信当前面对的难题 3
1.4本课题主要的研究内容 4
第二章 大气湍流与大气吸收 5
2.1随机场理论 5
2.1.1均匀各向同性随机场 5
2.1.2局部均匀各向同性随机场 6
2.2大气湍流的形态 6
2.3大气湍流对激光传输的影响 7
2.3.1相位起伏与到达角起伏 7
2.4大气吸收的影响 9
2.4.1自然加宽 10
2.4.2 多普勒加宽 10
2.4.3 碰撞加宽 10
2.5大气散射衰减效应数学模型 11
2.6气溶 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
胶吸收衰减模型建立 12
2.7本章总结 12
第三章 激光传输的大气衰减 13
3.1大气衰减功率数学模型 13
3.2大气透射率 16
3.3本章小结 21
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
附录 26
第一章 绪论
1.1大气激光通信的研究意义和核心技术
现今激光已经被广泛运用到众多领域中，生活中处处可见。究其根本原因是由于它本身的优点：相较于普通光源，激光具有很好的相干性，并且亮度高，方向性也好[1]。1960年，激光技术诞生，因为可以承载的信息量大，迅速成为大数据通信很好的载波，也是因此，吸引力许多研究专家和学者投身致力于研究激光通信技术[2]。激光通信技术一开始研究开发并且投入使用，这一过程是很坎坷的，并没有想象中那么顺利。主要是由于激光在大气中传输时，没有任何保护措施，就会导致激光的能量迅速流失，衰减的很快。这是当时激光通信发展所面临的最大的问题。
一般激光通信可以根据所用的传输介质不同，将它分为四类：光纤通信、水下通信、大气通信以及空间通信。
目前大气激光通信需要首先克服的最大难题是如何降低大气环境对激光通信造成的影响。1960年，激光作为相干性很好的光源，它的第一台发生器被研发出来[3]。十年后，美国贝尔实验室成功研制了能够实用化的激光光源，可以在常温状态下在持续工作[4]。由此，将大气作为传输介质的激光通信技术迅速引起了许多专家学者的关注，并且投入大量 精力去研究
大气对激光通信的影响我们通常研究这两大类：大气衰减和大气湍流。众所周知，大气中成分复杂，小至分子，大至气溶胶粒子，还有一些含量比较少的杂质。这些对于激光都具有不同程度的吸收以及散射，因而导致激光的能量衰减。除此之外，在一些特殊天气的时候，大气中的某一部分分子和粒子会突然增加。比如雷雨天、大雾天、雾霾等，都对激光的能量起到衰减的作用。
激光通信技术在现今社会还无法普及开来的主要原因便是以上叙述的这几个原因，想要在大气中长时间长距离的传输，就必须解决这些问题。但是大气激光通信技术本身还是有很多优点是其他通讯方式无法企及的，例如它不需要使用专门的一个频率；发射站和接收站安装便捷；抗电磁干扰能力极强；在信息的保密性方面也是独一无二的。以后，如果大气激光通信技术成熟后可以很方便的与目前比较流行的无线电通信进行切换，在天气良好的情况下使用大气激光通信，在恶劣天气使用无线电通信。总的来说，大气激光通信是富有潜力的一项技术，全面开展激光在大气中传输特性的研究是十分重要和必要的。
激光大气通信系统之所以能被广为应用，主要在于它本身固有的优点，然而，这一系列的优点是基于光通信的相关技术上的。其中包括通信过程中发射端和接收端对激光束的捕捉；瞄准和跟踪技术；光学天线设计技术；自适应光学技术；信道编解码技术；扩频技术[5]。这些技术都是建立在大气信道模型基础之上的，因此对大气信道的研究是不容忽视的。
1.2大气激光通信的国内外研究现状
当20世纪60年代，第一台激光器诞生后，将激光应用于通信的想法也在那时浮现出来。世界范围来说，欧洲国家，美国，前苏联等国家都曾经开展过对大气激光通信的研究。大气激光通信实验最早是1962年在美国展开的，通信距离为2.6km[6]。据报道，美国空军曾经以建立空间通信为主要任务执行过一个405B计划。在1980年左右已经完成了飞机对地面的激光通信实验，取得了很大的成功。1990年，美国测试了紫外线光波通信，并且使用在特种战争和低强度战争中的[7]。这种技术很契合当时的战争环境。如果同时也对紫外线光波光束进行特殊处理的话，其传输距离可高达510km左右。在战场上往往可以起到关键性作用。同年，美国的Faranti公司也研究出来一种隐蔽式，短距离的激光通信系统[8]。
90年代时，由于俄罗斯成功研制出了大功率激光半导体的器件，所以俄罗斯开始了大气激光通信的大众化实验[9]。紧接着还推出了20km左右的半导体激光大气通信系统，在莫斯科等发达城市加以应用和持续研究[10]。目前在俄罗斯很多研究专家对实现半导体激光通信系统在一定范围内能够全天候通信的设想十分坚信，从长远目光来看，这也是一个十分有潜力的发展方向。
欧洲作为空间激光通信技术的领导者。欧洲空间局(ESA)先人一步成功研发并使用了激光通信系统关于卫星之间的，并在1978年展开了高数据空间激光链路研究和探索[11]。其中ESA取得的最大成就是半导体星间激光链路试验装置。这套系统将800nm波段的半导体激光器作为光源，达到了54000km的最大通信距离，通信速率慢慢从低轨星到同步星为50Mb/s，从而同步星到低轨星只有20Mb/s[12]。2006年法国国防部与欧洲进行了机载激光链路技术的演示试验，全球首例地球同步卫星和飞机的激光通信，最终做到了很大程度的有效光隔离，有效地抑制了背景光的影响[13]。
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