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无线光通信大气信道特性测试方法研究

作者：吴晓军 张鑫 王嵩

来源：《现代电子技术》2011年第23期

摘要：大气信道是影响无线光通信质量的主要方面，为了全面掌握目前出现的信道测试方案，采用归纳总结和对比分析的方法，并结合实际测试，对信道测试方法进行研究。从大气衰减效应、光强闪烁效应以及光束漂移效应三方面测试内容出发，研究了各自运用的测试方法，并给出了相应的示意图，同时对比分析各自的优缺点，为采取合适的大气信道测试方法提供理论依据。

关键词：无线光通信； 大气信道测试； 大气衰减； 大气湍流 中图分类号：

文献标识码：A文章编号：

Research on Atmospheric Channel Characteristic Test in Wireless Optical Communication System

， ZHANG Xin2， WANG Song3

(1. Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China; 2. PLA Unit of 91550, Dalian 116015, China)

Abstract： Atmospheric channel can affect the quality of wireless optical communication. To understand the current channel test method, the summarizing and analyzing methods are used in this paper, the test method of channel is studied by combining actual test. Starting from atmospheric attenuation, scintillation and beam drifting, the test methods of themselves are studied. To provide evidence and take appropriate test scheme, the advantages and disadvantages are summarized for the current test method.

Keywords： wireless optical communication； atmospheric channel test； atmospheric attenuation； atmospheric turbulence

收稿日期：

资金项目：山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目0引言

无线激光通信也称自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)是以激光为载波、大气空间为传输介质实现大容量信息传递的一种新型宽带接入技术。和目前常用的光纤通

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信和微波通信相比，它具有很强的优势，主要体现在部署链路快捷；无需频谱许可认证；带宽高，组网方式灵活；安全保密性强；协议透明；便于携带；成本低。正是由于这些特点，无线光通信被广泛应用于大量多媒体宽带接入、骨干网的扩展和备份、灾难抢救应急系统的建立、大规模临时通信系统的组建等等，而且针对其安全保密性强的特点，在军事上的应用越来越广泛［1］。

信道是通信系统必不可少的组成部分，是信号的传输介质，信号的传输过程就是信号与信道介质的相互作用过程，研究传输介质对信号传输的影响对于实际工作具有重要价值［2］。由于无线光通信是以大气为介质，因此，大气衰减效应和大气湍流效应是影响无线光通信质量最主要的两个方面。正是由于这两方面的影响，导致了无线光通信链路传输距离受到限制以及传输误码率的增大，进而造成无线光通信系统设计和工程实现非常困难，严重影响了无线光通信的广泛应用。所以，通过大气随机信道测试掌握激光传输特性，建立有效的大气信道模型对改善无线光通信系统的性能，提高无线光通信的质量具有重要的意义。 1大气衰减和大气湍流概述

无线光通信是以激光为载体，大气为介质的新型通信方式，因此，在无线光通信系统中，大气衰减和大气湍流是影响无线光通信质量最主要的两个方面：

大气衰减(Atmospheric Attenuation)是指激光在大气中传输时，由于大气的吸收和散射，造成的光能量的衰减。激光信号的大气衰减效应使得激光在大气中传输时受气候条件影响很大，在传输时强度衰减很快，这主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的散射、吸收造成的。激光在大气中传输时产生衰减效应的主要因素是二氧化碳、氧、烟、灰尘、水滴、冰粒等。在较低的大气层中，大部分水是以水滴、雾、水蒸气的形式集合起来的，占大气体积的4％，其中雾对通信的影响较为明显［3］。

大气湍流(Atmospheric Turbulence)是指大气中局部温度、压力的随机性变化。在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形成空气对流。这样，在大气中各点的温度和密度是无规则变化的，这种变化随高度和风速而不同，变化较为剧烈时形成湍流。而大气的折射率取决于密度，因此大气的折射率也随空间和时间作无规则的变化，它会对光束传输产生影响，从而形成湍流效应，它会引起激光光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动［4］。 2大气信道特性测试内容及其对通信的影响

由于无线光通信在大气中受到大气衰减和大气湍流的影响，因此测试内容主要分为大气衰减效应测试、光强闪烁效应测试、光束漂移效应测试以及光斑扩展效应测试。

根据各种效应的产生机理不同，它们对通信的影响如下：大气衰减效应影响无线光通信系统的有效传输距离；光强闪烁效应相当于接收端引入了噪声，从而增加了系统的误码率；光束漂移和光斑扩展使通信的传输方向发生改变，严重时会使通信中断。

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3大气信道特性测试方法总结

由于大气信道对无线光通信的影响是随机的，因此国内外对大气信道特性进行测试的方法有很多种，各种方法都有优点和缺点，下面将各种测试方法进行简要介绍并且加以比较。 3.1大气衰减效应测试

大气透过率(Atmospheric Transmissivity)是指电磁波通过大气中某个给定路径长度后的辐射能与入射辐射能之比。衰减系数(Atmospheric Extinction Coefficient)是指由衰减作用引起的功率损失和入射波功率通量密度之比，它是衡量大气衰减作用的主要指标。根据比尔定律可知，透过率与衰减系数之间存在一定的换算关系，通常来说，测得透过率相对来说比较简单，因此，一般都是通过测得透过率之后再得出衰减系数。根据总结，目前采取测得透过率的方法主要有以下几种：

3.1.1全光斑接收测量法

全光斑接收测量法顾名思义，即接收设备收集所有到达接收端的能量，然后将接收能量与发射能量相比，所得结果就是大气透过率。因此，全光斑接收法的重点就是接收设备的孔径要足够大，以至接收全部光能量。与此相对应，发射光束一般采用会聚光束或准直光束，而非发散光束。其基本原理如图1所示［

图1全接收测量原理图全光斑接收法的一个突出优点就是测量得到的结果就是激光大气传输的总的透过率，包括了大气分子的吸收和散射以及气溶胶的吸收和散射的全部影响，不需要采用任何理论或经验的公式；另一个优点就是其波长的选择不受实验条件的限制，主要根据研究需要进行选择，选择激光器的波长，而不用从其他波段的测量结果进行反演。

全接收法的一个重大的缺点就是受接收设备口径的限制，测试距离有限，当口径不够大时，不能完整地接收发射过来的能量，从而引入测量误差。另一个缺点就是在每次测试之前都要将收发两端放在仪器进行定标，操作起来不方便。 3.1.2间接测量法

间接测量法就是指利用经验公式间接测量大气透过率的方法。间接测量法常采用两种方案：能见度仪+常规气象站；微脉冲激光雷达+常规气象站。使用能见度仪和微脉冲激光雷达是

］。