1、3 基 金 项 目 :国 家 自 然 科 学 基 金 (NSFC # 10674042)收 稿 日 期 :2007204206第 27 卷 第 3 期 应 用 激 光 Vol. 27 ,No. 32007 年 6 月 A P PL I ED LAS ER J une 2007激 光 在 大 气 中 传 输 时 吸 收 损 耗 的 计 算 3魏 山 城 , 韩 雪 云(河 南 师 范 大 学 物 理 与 信 息 工 程 学 院 ,河 南 新 乡 453007)提 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
2、 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 吸 收 损 耗 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 示 码 :AThe Calculation of Laser Transmitting Abs
3、orption Loss in AtmospherWei Shancheng , Han Xueyun( College of Physics optical communication ; atmospheric absorption ; loss1 引 言激 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
4、 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 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
5、 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 大 气 吸 收 衰 减 的 计 算 方 法 ,为 无 线 激 光 通信 系 统 设 计 提 供 依 据 。2 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 变 化 ,使 部 分 能 量 被 散 射 而 偏 离 原 来 的 传播 方 向 (即 辐 射 能 量 空 间 重 新 分 配 ) ,部 分 光
6、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 ( )为 气 溶 胶 吸 收 引 起 的 衰 减 系 数 。2. 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
7、 运 动 2 。 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. 06 m 波 长 ,大 气 分 子的 吸 收 可 以 忽 略 ,但 对 10. 6 m 波 长 ,大 气 分 子 吸 收231的 影 响 最 为 严 重 。 图 1 所 示 的 大 气 窗 口 为 3 4 m和 8 12 m ,但 这 只 是 一 种 粗 略 的 说 法 3 。 大 气 分子 的 吸 收 还 与 海 拔 高 度 有 关 4 ,因 为 越 接 近 地 面 (几公 里 ) ,水 蒸 汽 的 浓 度 越 大 ,水 蒸 汽 吸 收 的 能 量 也 越大 ,如 表
8、1 所 示 。图 1 距 地 面 5km 处 传 输 路 经 的 典 型 大 气 透 射 比Fig1. Typically atmospheric transmittance for the pathtransmission of 5km at near2earth surface.表 1 波 长 与 大 气 分 子 吸 收 的 关 系Table 1 Laser wavelength vs atmospheric absorptionLaser (wavelength) Atmospheric molecular absorption(Molecular absorption coeffici
9、ent )Double frequencylaser (0. 53 m)No outstanding absorption , negli2gibleLaser (1. 06 m) No outstanding absorption , negli2gibleCO2 laser (9 11 m)Within the tropic special line s sealevel absorption coefficient ( i. e.mainly the absorption of expandedspectral band) ; Within the range ofmiddle lati
10、tudes in winter (the high2est absorption line for )2. 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 固 体 或 液 体 小 颗 粒 (冰 ,尘 埃 ,烟 等 ) 。 它 们 的 尺寸 介 于 10 - 2 - 100 m ,如 雾 ,尘 埃 ,海 浪 的 飞 沫 都 是这 种 浮 质 。 气 溶 胶 的 化 学 性 质 ,大 小 和 浓 度 影 响 大气 的 衰 减 状 况 。大 气 气 溶 胶 衰 减 系 数 由 微 粒 吸 收 决 定 5 n ( ) = 105 0Qa 2
11、r , n r2 d N ( r)dr (km- 1 ) (2)这 里 , 为 波 长 ( m) ; dN ( r) / dr 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 (2 r / , n“) 是 给 定 微粒 的 吸 收 截 面 。MIE 理 论 6 可 以 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 计 算 中 可 以忽 略 不 计 。 在 远 离 红 外 线 的 情 况 下 ,虚 构
12、的 那 部 分折 射 率 必 须 考 虑 在 内 。3 计 算 大 气 吸 收 损 失 的 数 学 模 型有 关 氧 和 水 蒸 汽 吸 收 系 数 的 计 算 采 用 文 献 7 给出 的 数 学 模 型 :(1)氧 的 吸 收 系 数 0 ( f , p , T) = 2. 0058 10 - 2 p T3 f 2 45N = 1A N (3)(2)水 蒸 气 的 吸 收 系 数 w ( f , p , T) = 1. 9014 10 - 5 f pw 300T7/ 2ex p 2. 144 1 - 300T F (4)与 w ( res) ( f , p , T) = 7. 347 10
13、 - 5 p T5/ 2 f 2 (5)式 中 p 为 大 气 压 强 , T 为 大 气 绝 对 温 度 , f 为 频 率 ,pw 为 水 蒸 汽 的 分 压 ,A N , pw ,和 F 的 计 算 见 文 献 7。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 hg 11 km 时 8 T = 288. 16 - 6. 5 hgp = 101325 T288. 165. 2561222(6)hg 与 几 何 高 度 的 关 系 为 h g = Re h/
14、( Re + h) , Re 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 ( ) 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 = h1h0 ( )sin d h (7)式 中 h0 为 光 射 线
15、初 始 点 高 度 , h1 为 射 线 终 点 高 度 ,为 射 线 上 某 点 高 度 为 h 的 射 线 仰 角 。4 仿 真 与 分 析利 用 上 边 给 出 的 数 学 模 型 ,针 对 激 光 通 信 常 用232的 几 个 波 段 ,我 们 选 取 了 1. 06 m、 1. 55 m、 10. 6 m三 个 波 段 进 行 了 大 气 吸 收 衰 减 的 仿 真 计 算 ,结 果 见图 2。图 2 不 同 波 长 在 不 同 海 拔 高 度 的 大 气 吸 收 衰 减Fig2. The atmospheric attenuation in different wavelengt
16、hsand different altitudes由 图 2 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 。 系 统 在 传 输 相 同 距离 情 况 下 ,在 传 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 。 通 过 分
17、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 低 仰 角 甚 至 水 平 路 程 传 输 方 式 。参 考 文 献1 张 逸 新 .随 机 介 质 中 光 的 传 播 与 成 像 M . 北 京 :国 防 工业 出 版 社 ,2002.2 邹 进 上 ,刘 长 盛 ,刘 文 保 . 大 气 物 理 基 础 M . 气 象 出 版社 ,1982 ,266 - 352.3 许 春 玉 ,谢 德 林 ,杨 虎 . 激 光 大 气 传 输 透 过
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