大气激光通信范文（精选8篇）
大气激光通信 第1篇
大气激光通信是在自由空间中, 将信息电信号通过电光调制加载在激光载波上, 以大气为传输媒介, 建立起通信链路, 从而进行信息传输的一种通信方式。近年来大气激光通信凭着它通信容量大、速率高、成本低、灵活方便、无须频率许可等优点, 成为构建局域网和实现宽带无线接入的一种重要的通信方式。将围绕大气激光通信的发送、传输、接收过程中的重要环节, 分析如何提升大气激光通信过程的通信性能。
1 大气激光通信的组成及影响因素
图1所示为大气激光通信系统组成方框图。
由以上的系统组成方框图可知, 大气激光通信的性能由以下几个关键因素影响:发射 (接收) 机因素、信号调制解调因素、通信过程中的因素。
1.1 发射 (接收) 机因素。
发射机影响通信的主要参数是发射天线出射光的功率和出射光的发散角。从理论上看, 当发射光的功率越大, 发散角越小时通信质量越优。
接收机起作用的主要是接收光天线的孔径和光电探测器的灵敏度。接收孔径越大, 接受到的光能量就越多。但是出于对系统结构大小考虑, 接收天线的孔径不宜太大。光探测器的灵敏度越高, 通信距离和通信性能也就越好。
在上面的诸多因素中, 光束的发散角和接受孔径的大小会对通信损耗产生影响, 我们把这种由光束或者接收孔径的几何尺寸造成的损耗称之为光束扩展损耗。下面可以对发散角、接受孔径、通信距离和损耗之间的关系作进一步的分析。
根据高斯光束的光强分布:
上式中r为截面一点到中心光轴的距离, ω (L) 为光束的截面半径。
设激光自发射机振腔出来后的发散角为θ, 则
那么, 如果假设接收机位于激光光斑的中心, 则接收功率与光斑总功率的比为:γ (L, θ) =
上式中, d为接收天线的孔径。
综合以上几式, 可算得光束扩展损耗为
1.2 信号调制解调因素。
大气激光通信的调制与解调的方式有多种, 特点各不一样。现仅对目前应用较为广泛的方式:脉冲位置调制 (PPM) 中的L-PPM方式进行分析。
图2是L-PPM的帧结构。
在数学上这个L-PPM脉冲序列可以表示为:
式中p (t) 为PPM脉冲函数;τ为时隙的长度;cn是一个0到M的整数, 代表着PPM随机脉冲的位置, 它的集合服从独立同分布;en代表脉冲位置的随机抖动, 这是由接收机的随机噪声引起的, 它的集合也服从独立同分布。
接收到的L-PPM脉冲并不是一个平稳的随机过程, 因此它的功率谱不能通过其自相关函数的傅立叶变换获得。但是对任意的确定信号x (t) , 它的功率谱密度可以表示为:
式中, XT (ω) 定义为
令T=NMτ, 则
式中P (ω) 是脉冲波形函数p (t) 的傅立叶变换, 则式 (6) 表示的功率谱密度变为:
C (ω) 和Me (ω) 分别是cn和en的特征函数, 可以表示为:
那么功率谱密度可以表示为:
式 (14) 的第一部分与噪声有关, 第二部分与离散的频率分量有关, 这些频率分量是由时隙时钟的基频和它的谐波分量组成。因此噪声的功率谱密度可以表示为:
时隙时钟基频的总功率为:
经过计算L-PPM信号的数据传输率R为:
由以上分析知, PPM具有更高的功率利用率, 在传信率相同的条件下, PPM调制方式要求的激光器发射功率更低, 因此PPM调制方式更适用于大气激光通信。
1.3 通信过程中的因素。现只介绍ATP系统的影响因素。
捕获、跟踪和瞄准 (ATP) 系统是实现无线激光通信终端之间精确对准的关键系统, 对建立无线激光通信链路具有重要作用。
在ATP系统中, 瞄准误差源主要有:精对准系统传感器引起的瞄准误差、摩擦力矩引起的瞄准误差、常平架机械轴系晃动引起的瞄准误差以及常平架基座扰动引起的瞄准误差等。
瞄准误差的性质一般用径向角度瞄准偏差或用瞄准偏差概率分布的标准偏差进行描述。假设瞄准误差为高斯分布, 且它与标准偏差径向对称, , 径向概率分布可认为是瑞利分布, 即:
突发误差概率是进行通信系统设计需考虑的重要参数之一, 设在通信系统误差中允许的误差上限为e=e*, 动态瞄准误差超过e*值时, 突发误差就会产生。
那么, 由以上二式可得
在接收机上探测到的光功率P与瞄准误差角e*、光束宽度α的关系可以描述为:
式中, I (e*, α) 为远场接收光斑的光强分布:
在一定的瞄准误差情况下, 接收机探测器上接收到的光功率分布函数存在极大值点, 在此点上接收机接收到的激光功率最大, 此时的一阶贝塞尔函数J1 (x) | (x=1.84) 为最大值, 即, 因此光束宽α和瞄准误差上限e*存在最佳的比值关系:
故可得出α、σ、PE*三者的关系
由此可以看出, 当ATP系统造成瞄准误差时, 接收到的激光功率会受到明显的影响, 从而影响通信性能。
2 结论
通过以上分析, 我们知道大气激光通信过程中的影响因素主要来自接收 (发射) 机因素、调制解调的因素以及通信过程中的ATP系统因素和大气因素。接收 (发射) 机影响因素包括光束发散角、接收天线孔径、透镜系统透过滤等组成, 其中尤以光束的发散角造成的光束扩展损耗为主。调制解调因素主要取决于调制解调的方式, 不同的方式下信道利用率及需求的发射功率都是有差别的, 近年来, PPM方式被越来越广泛地应用。ATP系统的影响主要来自其ATP系统的精度, 以及跟踪扫描过程中由于各种各样的原因而产生的误差。
摘要：对大气激光通信过程中的各主要环节进行了介绍, 同时, 对这些环节中可能对通信性能造成影响的因素进行了分析, 并且讨论了在大气激光通信系统建立时, 怎样减小通信过程中的干扰和影响, 从而达到更满意的通信质量。
关键词：大气激光通信,PPM,ATP
参考文献
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微脉冲激光雷达测量大气水平能见度 第2篇
微脉冲激光雷达测量大气水平能见度
为了改进乃至革新大气能见度的探测技术,探索新型、快速、准确测量大气能见度的方法,采用自行研制的.能见度微脉冲激光雷达,进行了水平大气能见度测量实验,并同已经商品化的能见度仪NQ-1进行了同步对比测量.实验结果表明,在水平能见度较差时,微脉冲激光雷达和能见度仪具有很高的相关性,相关系数达到了0.88;在水平能见度较好的时候,相关系数保持在0.73以上.说明能见度微脉冲激光雷达系统可以应用于大气能见度的探测.
作 者：孙兆滨 郭金家 刘智深 马森 刘振 SUN Zhao-bin GUO Jin-jia LIU Zhi-shen MA Sen LIU Zhen 作者单位：中国海洋大学,海洋遥感教育部重点实验室,青岛,266003 刊 名：激光技术 ISTIC PKU英文刊名：LASER TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 31(2) 分类号：P412.17 关键词：大气与海洋光学 相关系数 消光系数 大气能见度 微脉冲激光雷达 能见度仪大气激光通信 第3篇
大气激光通信利用激光束作为信息传输的载体, 以大气为传输介质在空间中直接进行语音、数据、图像等信息的双向传送[1]。
大气激光通信的基本原理与无线电通信类似, 一个重要区别是前者使用激光束作为载波。这就要求大气激光通信系统中有光电、电光转换设备。其基本结构如图1所示。
为了使系统具有全双工通信能力, 系统的每个端点都有光发射天线和光接收天线。这与无线电通信中的发射和接收天线类似。待传送的语音、图像等信号经过各种采集设备变成电信号, 电信号经过调制后作为激光器的驱动信号, 控制激光器出射激光的某个参数。到此, 激光束已经携带了信息。然后, 激光载波通过发射天线发射出去, 在大气信道中传播。发射天线一般具有扩束功能以便于接收天线接收。光接收天线将接收到的光束会聚到探测器上, 光信号还原成了电信号, 此时的信号还需放大。然后经过与调制方式相应的解调方式, 还原出原始信息。为了获得较高信噪比, 光接收天线应当有滤波器件, 滤除非载波频率的干扰光。
2 大气激光通信的特点
大气激光通信之所以具有独特的优点, 是因为其载波采用激光束。激光束的高亮度、高频率、良好的单色性和方向性, 使大气激光系统拥有光纤通信系统的宽频带以及无线电通信的便捷。[2]
2.1 便捷性。
大气激光通信以大气为信道, 无需铺设通信线路。当通信双方搬迁时, 无需重新铺设光纤从而节约成本。其发射和接收天线一般由光学透镜组成, 设备简单, 占用的空间相对较小。如果通信双方可以直视, 数小时之内即可将系统安装完毕。[3]这一点十分适合野战部队间的联络与配合。
2.2 保密性。
激光据有良好的方向性, 实际大气激光通信系统中发射端发出的激光束都有一定的发散角, 但是这个发散角相对无线电通信要小的多, 在毫弧度量级。[4]所以激光通信中信息不会像无线电通信一样向整个空间发送。对方想要接收到信号只能在激光束经过的很小区域内截获, 这对于一般采用不可见的红外激光作为载波的通信系统是很难实现的。
2.3 频谱特性。
大气激光通信不会挤占目前已经十分拥挤的无线电频段, 各条通信线路之间也不会相互干扰。其通信带宽甚至高于光纤通信, 最高传输速率可达10Gbit/s, 足以满足现代战争的通信带宽要求, 传输距离一般在5km以下。
2.4 抗干扰性。
与光纤通信类似, 大气激光通信也具有良好的抗干扰性。目前还没有实用化的针对激光载波的干扰措施, 传统电子战方法不会对激光通信系统造成干扰。
大气激光通信与其他通信系统的比较见表1。
3 大气激光通信的关键技术
3.1 工作波长的选择
大气激光通信中激光源的波长选择中, 选择“大气窗口”频段是首要考虑方面, 其次还要避开环境中的高频辐射频段。
如果不采用窄带滤波片, 大气激光通信系统的最强噪声源来自太阳光散射形成的背景辐射。为了避开太阳光散射的影响, 同时也考虑保密性的需要, 红外激光成为可选波段。常用的处于大气窗口的红外通信波段有:810~860nm、980~1060nm以及1550~1600nm, 另外还要避开地球的热辐射, 这一波段大致在900~1000nm, 因此810~860nm和1550~1600nm是较为合理的频段。考虑到大气散射造成的衰减与波长成反比, 以及目前光纤通信系统多用1550nm频段, 1550nm附近是较为合适的频段。
3.2 高码率调制及编码技术
大气激光通信作为一种新兴的通信技术, 必然要求其具有较高的传输速率和较低的误码率。这就要求通信系统使用合理的调制、解调技术。目前主要有两种调制、解调技术, 一种是强度调制/直接探测系统, 另一种是相干调制/外差探测系统。考虑系统的复杂度和可靠性要求, 前者是采用较为广泛的方式。编码方式较多, 不同的编码方式决定了不同的数据率。国内已经有人对PPM编码、DPPM编码、MPPM编码和RS编码等进行了研究和实验, 其中PPM编码是主流技术。
3.3 天气因素对大气信道影响的研究
激光束在大气中传播, 因此必须研究天气因素对大气信道的影响。实践已经证明, 造成大气激光通信系统信号不够稳定的一个主要原因就是天气因素。天气的变化会导致大气中水汽、尘土以及气体分子等成分剧烈变化, 进而干扰光信号。各种天气因素中, 雾对大气激光通信系统的影响最大。早晚的不同温差导致的光学透镜形变也会影响通信系统的稳定性[5], 解决这一问题的主要方法是自适应光学。另外, 采用合理的编码技术也可以在一定程度上削弱天气因素对通信系统的影响。
3.4 ATP系统技术
由于大气激光通信系统使用的激光束发散角一般较小, 因此光接收端对很难发射端发出的光信号进行直接对准。实现通信链路的对准及跟踪就需要ATP系统技术。
典型APT系统一般采用嵌套伺服控制机构, 它由两个伺服环嵌套而成:低带宽的粗跟踪环嵌套高带宽的精跟踪环。粗跟踪系统完成扫描、捕获对准和大视场范围内的跟踪, 精跟踪系统完成较小范围内的精确跟踪。粗跟踪系统的特点是扫描范围大, 伺服控制精度较低。精跟踪部分的控制精度较高, 对探测器件的灵敏度要求也较高。
4 大气激光通信系统的军事应用
4.1 指挥单元之间的通信
实际战争中, 各指挥所移动频繁, 不宜使用需要铺设线路的电缆、光纤通信。而目前广泛采用的无线电通信十分容易被敌方截获。因此, 对于相距不是很远的指挥所, 采用大气激光通信是一种既便捷又安全的方案。部队机动到新的位置后可以迅速与其他部队建立通信链路。另外, 采用大气激光通信系统后, 可以叠加各种通信协议, 很容易实现各种数据类型的大容量、高速率传送。
4.2 战场通信迅速恢复
海湾战争以来, 现代战争迅速由机械化进入信息化, 世界各大国都在加强信息化条件下新型战争的训练。战场上有各种不确定因素, 战场态势瞬息万变, 指挥者要想取得胜利必须对战场全局信息充分掌握, 各作战单位的信息必须及时向指挥中枢反映。恰恰是因为这个原因, 战争中通信设施常常会遭到严重破坏。如果短时间内通信无法恢复, 这种破坏将直接导致严重的后果。这时大气激光通信系统可以作为被毁坏的光纤通信系统的临时替代设备, 迅速恢复通信。因此在未来作战中, 我军以光纤连接的各战斗单元应当装备大气激光通信设备, 以迅速恢复光纤通信网络。
4.3 复杂地形通信
野战条件下, 战斗区域地形具有很大的不确定性, 往往会遇到无法铺设电缆或光缆的障碍, 如大河、峡谷等。这时可以采用大气激光通信实现高效、保密通信。另外, 还可用于我国某些地形十分险要的边境线上, 实现各哨所间的大容量通信。
4.4 战斗单元机动协同通信
目前条件下, 坦克间、战舰间、战斗机间的协同通信主要依靠无线电来实现。这种方式很容易受到敌方强电磁干扰, 也极易被侦听。而且为了战斗需要常常要求战斗单元进行无线电静默。解决这一问题一个较好方案就是用大气激光通信实现各战斗单元之间的通信。但是这对APT系统的要求很高, 必须保证光发射天线与光接收天线在行进中精确对准。
结束语
大气激光通信技术作为一种灵活便捷的新兴通信技术, 已成为当今世界通信技术的一大热点, 发展前景十分广阔。该系统还有待探索完善的技术有编码技术以及APT系统的高精度化。相信随着技术的进步, 大气激光通信必将成为未来战场通信的重要组成部分。
参考文献
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大气激光通信中的级联空时分组码 第4篇
大气激光通信结合了光纤通信以及微波等传统无线通信的优势,具有低成本、安装方便快捷、通信安全保密、无需频率许可等优点,已成为一种新兴的宽带无线接入方式而受到人们的广泛关注。但是当激光在大气信道中传输时,大气湍流运动会引起光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动等现象,其中大气闪烁和光束漂移对无线光信号的影响最大。这些因素的限制使得激光通信需要付出更多的代价。多光束传输技术为提高系统性能提供了一种有效措施,而空时编码是实现多光束传输优点的一种有效手段。文献[1-3]提出了一种适合于强度调制的分层空时编码方案。虽然获得了最大复用增益,实现了传输速率的最大化,但译码算法复杂,且误码较大。文献[4-6]等针对强度调制的大气激光通信提出了不同空时分组码方案。尽管这些编码方案各不相同,但它们具有相同的特点,即获得了满发送分集增益,但均没有获得编码增益。另外,由于实际信道的复杂性,使得系统性能还是不够理想。众所周知,级联码能够在不增加系统硬件实现复杂度的条件下,使系统的性能接近香农限。文献[7-8]研究了大气激光通信中的级联码,并取得了可喜的成绩。因此,研究大气激光通信中的级联空时编码有利于获得编码增益,进一步改善系统的误码性能。和其它信道编码相比,RS码是一类具有很强的纠错能力的多进制的BCH码,它不仅可以纠正突发错误还可以纠正随机错误,特别适合于纠正突发错误,同时又便于和PPM调制信号相匹配。为此,本文提出了一种以RS码作为外码,以正交空时编码作为内码的级联空时分组编码方案,该方法能极大地改善大气激光通信系统的性能,为抵御强湍流提供了有效手段。
1 信道模型
对一个M×N(M表示发送天线数,N表示接收天线数)的光MIMO高斯信道而言,第n个探测器上接收到的信号r(n)可表示为
其中:x(m)表示第m个激光器上发送的信号,vn是均值为0方差为N0的高斯白噪声,η为光电转换效率,Ib表示由背景辐射所产生的光强,Is表示无衰落时的最大接收光强,anm表示从第m个激光器到第n个探测器上的路径幅度增益。在多光束传输系统中,当传输距离、接收孔径和发射孔径之间满足一定条件时,随着光束数目的增加,大气闪烁也将趋于对数正态分布[9]。所以光强的对数振幅A服从正态分布,即:
式中:μx为均值、σx2为方差。设E[A2]=1时,则μx=-σx2。通常采用闪烁指数来表示衰落的大小,其典型值为S.I.∈[04.~.1]0[10]。
2 编码方案
级联编码技术是1960年提出的,是用两个或多个码级联来增加总码长,以达到改善系统性能的作用,同时并没有增加系统硬件的复杂度。它特别适合于提高大气激光通信系统的性能。由于非二进制码RS码是一种最大距离可分码,而且实现容易,因而是外码的最自然选择。本文中外码采用RS码,内码采用正交空时编码,级联空时分组编码的原理模型如图1所示。
其编码原理是:将信源发出的信息序列经过串并变换后,首先进入外码编码器(RS码)进行编码,外码编码器输出非二进制的RS码符号。由于采用的PPM调制符号和RS码是相匹配,所以不需将RS码转换成二进制码,可直接将外码器的输出送入交织器进行交织。经交织的信息符号直接送入内码编码器(STBC编码器)进行编码。对于采用PPM调制的正交空时编码而言,其正交性体现在脉冲位置上,因此可由激光器直接发送。接收端将接收到的PPM调制符号先送入内码译码器解码(STBC译码器),再经解交织后直接进入外码译码器(RS译码器)进行解码,并经并串变换后即可恢复出原始信息。在该系统中,由于采用了交织技术,可以把突发性错误转化为随机性错误,使得分散后的误码个数落在纠错解码范围之内,这样可进一步提高系统的纠错能力。
3 级联空时分组码的性能分析
RS(n,k)码是一类具有很强纠错能力的多进制BCH码。对于能够纠正t个符号错误的RS码而言,其最小码距为d=2t+1,监督元个数为r=2t。设系统以RS码作为外码且译码采用EOD(Errors Only Decoding)算法,则内码译码器只需输出符号判决,而不需要提供符号删除或有关符号可靠性的信息。这样,若内码译码器输出的误字率为Ps,则对一个能纠t个符号错误的RS(n,k)码来说,译码后输出的误比特率具有的上限为[11-12]
这样,由特定内码的输出误字率Ps_BCOSTBC即可估计出级联码的输出误比特率bP的上限。也可依据误比率和误字率之间的关系Ps=[(2Q-)1/Q]Pb,估计出级联码的输出误字率的上限。
文献[4]修正后的正交空时编码为其中,表示x2的补码。该码仅适合于OOK和2PPM调制,由于x2的补码无法获得而对Q-PPM调制(Q>2)已不适用,本文对其进行修正。方法为:先按PPM调制的进制数Q进行比特分组,再进行比特求补已获得的补码,即将用x2序列的比特补码来代替。然后进行PPM调制,将比特序列映射到脉冲位置上。这种编码适合于任意Q-PPM调制方式。
假设接收端可以准确地估计出信道的光强衰减系数。本文采用2×2的Alamouti编码方法,记r1(n),r2(n)分别表示第n个探测器在时刻t与t+Ts时接收到的信号,
采用等增益合并,可得合并后的信号为
由上式可见,与1x、x2或有关,但是与对应激光器发出的信号关系最大,即第一项最大,则可以利用该项来检测信号。也可利用另一探测器信号中所含x和的项来恢复信号,只是利用该项恢复信号时误码较大。为了简单本文采用第一项来检测信号。
一个Q-PPM信号常由“on”和“off”时隙组成,“on”时隙表示1,“off”时隙表示0。那么合并后的信号xj~(j=1,2)由“on”和“off”时隙组成。设Ion,j为“on”时隙上的电流,Ioff,j为“off”时隙上的电流,则Ion,j和Ioff,j分别为
假设任意探测器所受到的背景辐射的影响是均匀的,且接收端采用匹配滤波器接收。那么,由背景辐射所产生的电流信号经过积分器后可被消除。当无湍流存在时,任意探测器每符号上的电能量被定义为Es=(ηIs)2Ts/Q,则第n个探测器经积分器后的输出可简化为
其中Es=(ηIs)2Ts/Q表示无湍流时任意探测器每符号上的电能量。由上式可见,该形式与传统通信的形式相同,采用最大似然判决准则即可恢复出原始信号。
假设激光器与探测器之间各信道相互独立,对于PPM调制而言,则正交空时编码输出的误字率Ps_BCOSTBC可表示为
其中:p(off|on,a)为光强起伏为a2时,发送信息脉冲未被检测的概率;p(on|off,a)为光强起伏为a2时,未发送信息脉冲而误判为信息脉冲的概率。此时p(off|on,a)和p(on|off,a)可分别为
式中:b表示判决门限,其最佳判决值为同时定义无衰落时的信噪比为SNR=Es/N0,那么修正后正交空时编码的误字率为
将式(11)代入式(3)即可得级联空时分组码的误码性能上限。
4 仿真实验
对一个在系统总功率Es不变、信道参数已知的情况下,利用Monte Carlo方法对1×1、2×1和2×2系统的误码性能进行了仿真。仿真参数η=05.。仿真结果如图2、3、4和5所示。
图2为S.I.=0.4时级联RS(15,7)码后BCOSTBC码和重复码[10]的误字率。为了便于符号间的匹配,此时采用16 PPM调制。由图可见:
1)级联RS码后,BCOSTBC码和重复码的误字率明显下降。当Ps=2×10-3时,在2×1系统中,级联RS(15,7)后BCOSTBC码获得了13.5 d B的编码增益;级联RS(15,7)后重复码获得了12.5 d B的编码增益。当Ps=10-4时,在2×2系统中,级联RS(15,7)后BCOSTBC码获得了14 d B的编码增益;级联RS(15,7)后重复码获得了12 d B的编码增益。说明级联码能极大的改善系统性能。
2)在同一种系统中,相对于级联前,级联后两种空时编码间的性能差距明显减小。当Ps=2×10-3时,在2×1系统中,级联前BCOSTBC码和重复码的信噪比相差4 d B,级联后两种码间的信噪比相差3 d B;当Ps=10-4时,在2×2系统中,级联前两种码间的信噪比相差4 d B,级联后两种码间的信噪比相差2 d B。说明在BCOSTBC码中,误码主要来源于成对错误,而不是随机错误。
3)当发送孔径数相同时,随着接收孔径数的增加,级联后两种码间的误码性能差距明显减小。当Ps=10-4时,在2×1系统中,级联后两种码间的信噪比相差3.3 d B;在2×2系统中,级联后两种码间的信噪比相差2.2 d B。说明接收分集的效果明显优于发送分集。
图3为S.I.=1时级联RS(15,7)码后BCOSTBC码和重复码的误字率,同样也采用16 PPM调制。由图可见:此时所反映的规律和图2相同,只是此时信噪比的改善量更大。当Ps=10-4时,在2×1系统中,级联后两种码间的信噪比相差2.5 d B;在2×2系统中,级联后两种码间的信噪比相差1.2 d B。可见两种级联空时编码的性能更接近,说明级联空时编码更适合于强湍流信道。另外,虽然相对于级联后的重复码而言,级联后BCOSTBC码性能稍微差一些,但后者更便于级联。
图4为S.I.=1时级联RS(32,23)码后BCOSTBC码和重复码的误字率。为了便于符号间的匹配,此时采用32 PPM调制。和图3相比可得:在低信噪比下,级联RS(15,7)后两种空时编码所获得的编码增益比级联RS(32,23)后两种空时编码所获得的编码增益大。随着信噪比的增加,级联RS(32,23)后两种空时编码所获得的编码增益急剧增加。当信噪比较大时,级联RS(15,7)后两种空时编码获得的编码增益。仿真结果说明在低信噪比时,短码比长码纠错性能好,但随着信噪比的增加,长码的高纠错性能才能得以发挥。
图5为S.I.=1时级联等长RS码后BCOSTBC码和重复码的误字率。为了便于符号间的匹配,此时采用16 PPM调制。由图中曲线可以看出:1)在误字率Ps≤10-3的情况下,各种级联码方案需要的Eb/N0都远远小于未级联时的Eb/N0。由此可见,RS码与空时分组编码的级联具有明显的优势。2)图中的曲线出现了交叉点。在这交叉点之前,曲线较平滑,即误字率随信噪比的增加比较缓慢,而且,与效率较高的码相比,效率低的级联码性能反而差,这是因为由纠错带来的好处未能弥补编码使其误字率升高的影响。交叉点对效率低的码是一个转折,此点之后,其曲线迅速变陡,因而相对于效率高的码可获得更高的编码增益。
5 结论
本文针对湍流信道中空时编码误码性能不太理想的问题,通过级联RS码而提出了一种级联空时编码方案,并推出了该方法的误码性能。最后利用仿真实验进一步验证了该方法的可行性。结果表明:RS码与空时编码的级联方案与未编码和单级编码方案相比可获得较高的编码增益,说明此方案可明显改善光信号在湍流信道中的传输质量,具有较强的抗衰落性能。尤其是和BCOSTBC码的级联更具有广阔的应用前景。
摘要：空时分组码虽然获得了满分集增益,但因不能提供编码增益而使系统性能受到限制。首先介绍了光MIMO系统的信道模型;其次针对Q-PPM(Q>2)调制方式,完成了对已有空时分组码的改进,并和RS码相级联而提出了一种级联空时分组编码方案。在此基础上分析了该方法的误码性能。最后,利用仿真实验进一步验证了该方法的可行性,并和级联重复码的性能进行了对比。结果表明:在大气激光通信中,随着信噪比的增加,级联空时分组码获得了较高的编码增益,有效抵御了大气湍流效应。
关键词：多输入多输出,自由空间光通信,空时编码,RS码
参考文献
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大气激光通信 第5篇
文献[3]、文献[4]提出了一种在多径信道下利用编码辅助实现帧同步的算法;文献[5]、文献[6]从编码的校验关系出发,利用软信息设计了一种QC-LD-PC编码系统的帧同步算法;文献[7]改进了传统算法,通过单帧判断同步位置的做法,利用多帧数据进行分析,在一定程度上减少了同步识别的模糊性;文献[8]~文献[10]利用编码辅助信息提出了期望最大化等算法。这些算法很好地解决了单一数据编码方式下数据的帧同步问题,但是对编码方式可变的大气激光通信自适应系统而言,不同的校验矩阵对应的约束关系不同,上述算法的适用性受到限制。
考虑上面的因素,从大气激光通信的信道特点入手,建立了大气激光通信信道模型;利用此模型,对输出电平矩阵每一列的数据分布情况进行了讨论,提出了相应的帧同步算法;特别地,针对输出电平矩阵帧数较少的情况,从输出电平矩阵和值的概率分布情况出发,提出了基于中心极限定理的帧同步算法。
1 基本原理
1.1 数据帧的基本结构
大气激光通信中的数据是按照一定的帧格式进行传输的,典型的帧结构简化模型如图1所示。每一帧包括帧头部分和数据部分,长度分别为L与N-L。在发射端用s=(s1,s2,s3,…,sL)表示同步码字序列,用d=(dL+1,dL+2,dL+3,…,dN)表示数据序列。应当指出,对于不同的帧,同步码字序列一般具有固定性,而数据序列一般是随机的。
1.2 大气激光通信信道模型
大气激光通信系统主要受到大气衰减和大气湍流的影响。大气衰减效应使得激光在传输主轴方向上的辐射强度受到很大衰减;强湍流引起的光强起伏会造成较大的误码率和短时间通信中断,严重影响光通信的稳定性和可靠性[11]。对于每一帧数据,经过大气信道后用光电探测器得到的输出电平用r=(rs,1,rs,2,…rs,L,rd,L+1,rd,L+2,…rd,N)表示,在大气激光通信OOK调制下,有下式
其中,I0为无湍流情况下接收到的光功率;n是光电转换过程以及接收机电路等系统引入的加性噪声,近似服从均值为0,方差为σ2的高斯分布;η为接收机光电转换效率;α=I/I0是光强起伏造成的乘性噪声,在弱湍流条件下服从对数正态分布[12],此时α的概率密度函数为
在强湍流条件下服从K分布[13,14],此时α的概率密度函数为
其中,Γ(∙)为gamma函数,Κt-1(∙)是t-1阶第二类贝塞尔函数。t是与闪烁指数σl有关的信道参数,表达式为
σl是Rytov方差,在平面波条件下满足
式中,k是波数;L为传输距离;Cn2是大气折射率结构常数。
2 帧同步算法
2.1 基于信道特征的帧同步算法
为方便起见,举一具体实例进行说明。如图2所示,假设发送端数据帧长为100,帧同步码序列为13位巴克码[1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1],即图中虚线框中所示部分;数据部分长度为87,即图中实线框中所示部分。
从图2中可以很明显看出,帧同步码序列具有固定性,而数据部分具有随机性。对于帧同步码来说,数据矩阵中相同的列对应的元素相同,为0或1;对于数据部分来说,数据矩阵中相同的列对应的0和1元素均匀分布。
由1.2节中的知识,对于发送数据,在接收端得到的输出电平值为
那么对于帧同步码中0元素或1元素来讲,由于其在发送数据矩阵中所在列的位置相同,因此,参照1.2节中大气激光通信的信道分布特点,对应的列中的元素都应服从r=n或r=ηαI0+n分布;而对于随信息数据的部分来说,由于数据的随机性,对应列中的元素等概率也服从不同的分布规律。自然想到,对于帧同步码所在列和随机数据所在列来讲,其每列对应的输出电平均值是不同的:即对于帧同步码中1元素所在列其输出电平均值最高,帧同步码中0元素所在列其输出电平均值最低,而随机数列所在列其输出电平均值应位于两者之间。记数据矩阵每列对应的输出电平求和值为S=s1,s2,⋯,sn(n=1,2,⋯,100),图3分别给出了针对图2所示的帧同步位置时帧数分别为100和20时各列输出电平的求和值示意图。
由图3可以看出,当可获得的数据矩阵帧数达到100帧时,帧同步码中的全“0”或者全“1”码对应的求和值有明显的不同,可以轻易的从数据矩阵中找出帧同步码的起始和结束位置,如图3a所示;但当帧数下降到20时,由于数据量较少,数据矩阵中每一列的数据统计特性没有充分显现出来,帧同步码被混杂到数据数据矩阵中难以分开,如图3b所示,这时需要新的算法实现帧同步。
2.2 基于中心极限定理的帧同步算法
对于均值为μ,方差为σ2>0的独立同分布随机变量X1,X2,…,Xn,且E(Xk)=μ,D(Xk)=σ2>0(k=1,2,⋯),其标准化变量定义为
当n充分大时,有Yn~N(0,1),或者Xn~N(μ,σ2/n)。那么,在数据矩阵中,对于帧同步码的每一个“0”元素其对应的输出电平X1,X2,…,X20来讲服从分布Xk=n,即E(Xk)=0,D(Xk)=σ2>0(k=1,2,⋯,20),则Xn~[N(0,σ2/20)]。由正态分布的概率密度图可知,当随机变量Xn服从均值为μ,方差为σ2/20的正态分布时,Xn落在区间的概率为99%以上。若将求和值判定阈值设定为,那么当sum≥T,si=1;否则,si=0。最后在序列S中找出帧同步码的起始与结束位置,即完成了帧同步的过程。
3 仿真结果与分析
在本节中利用Matlab软件,通过1 000次蒙特卡洛仿真来对帧同步算法的性能进行仿真。图4a、图4b分别给出了基于信道特征和中心极限定理的帧同步算法在码长为200,帧同步码为13位巴克码情况下,不同帧数时的识别性能示意图。
其中,从图4a中可以看出,基于信道特征的帧同步算法在帧数较多的情况下性能较好,当信道比达到6 d B时帧同步识别率可达到100%;但是,随着帧数的减少,其帧同步识别率迅速下降,在信噪比达到8 d B时识别率仍小于60%,这是由于帧数减少,数据信道特征不显著所造成的。从图4b中可以看出,基于中心极限定理的帧同步算法性能受帧数影响较小,在信噪比大于7 d B时,即使帧数下降到20,其帧同步识别率仍可达到100%,这说明了算法有效性。
图5给出了基于中心极限定理的帧同步算法在不同长度帧同步码情况下的识别性能示意图。
从图中可以看出,不同长度的帧同步码对应的帧同步识别率差别不大,算法具有通用性。
4 结论
通过大气-海水界面的激光脉冲模拟 第6篇
激光通信具有工作频率高、通信频带宽、数据传输能力强,波束宽度窄、方向性好,所需设备轻小,保密性好、抗干扰能力强,受电磁以及核辐射的影响小等特点,以其潜在的水下通信优势,成为一个迅速发展的领域[1,2],如飞机或卫星对水下一定深度目标的通信,就是利用海水对蓝绿激光具有低损耗窗口,历经大气-海水信道的激光通信[3]。
大气-海水信道由大气、大气-海水界面和海水组成。大气-海水界面作为大气-海水信道的一个重要组成部分,其不确定性以及不连续性,是限制激光通信发展的技术瓶颈之一,对整个通信系统会产生不容忽视的影响,由于风的作用,海面变得粗糙,海面的俯仰角以及反射率均会影响水下平台对光脉冲信号的接收[4]。然而海浪也是具有一定的规律性,王岩峰等人的研究结果表明海面倾角分布近似服从高斯分布,同时随着风速增大,大角度的波面倾角概率增加,然而总的来说海面倾角主要集中在±30°以内[5]。同时由于信道中传输介质的复杂性和传输特性的非线性,无法利用辐射传输等理论方法对整体信道进行研究,只能采用计算机模拟方法[6]。
本文主要分析大气-海水界面对光脉冲产生的影响,模拟不同风级下的三维海浪,得出有效波高H1/3的俯仰角期望值以及对应的反射率,利用蒙特卡罗方法模拟光脉冲传输得出水下接收面光斑分布的统计特性。
1 大气-海水界面的模拟方法
从大气到海水信道中,大气-海水界面对激光脉冲产生较大的影响,而大气-海水界面的主要影响因素是海浪。本文基于海浪P-M谱,使用蒙特卡罗方法模拟海浪。
1.1 海浪的P-M谱
Pierson与Moscowitz根据北大西洋的实测数据资料,得出海浪P-M谱的表达式如下:
undefined
式中,ω是海浪的空间频率,单位为rad/s;S(ω)为ω处的海谱值,U19.5为距离海面19.5高处的风速,单位为m/s;其他参数分别取值为:a≈0.008 1,经验常数γ=0.74,重力加速度g=9.8 m/s2。根据色散关系有undefined。
1.2 海浪的二维蒙特卡罗模拟方法
蒙特卡罗方法模拟海浪的基本思想是:对白噪声进行傅里叶变换,将白噪声转换到频率域,在频率域用海浪谱对白噪声进行滤波,再对滤波后的结果作傅里叶逆变换,得到海面各点空间分布特性[7]。
如果模拟的二维海浪在x和y方向长度分别为Lx和Ly,等间隔离散点数分别为M和N,假设相邻两点之间的距离分别为Δx和Δy,则有Lx≈Δx·M,Ly≈Δy·N。那么,海面每一点(xm=(m-1)Δx,yn=(n-1)Δy)(m=1,2,…,M;n=1,2,…,N)处的高度就可以表示为
undefined
在上式中undefined,其中undefined是海面重力波作用的传播角速度,N(0,1)是标准正态随机分布数,海面的功率谱密度S(kmk,knk)是x和y方向上独立P-M谱的乘积,kmk=2πmk/Lx,knk=2πnk/Ly。为了使f(xm,yn)为实数,必须让它的傅里叶系数相位满足F(kmk,knk)=F*(-kmk,-knk)和F(kmk,-knk)=F*(-kmk,knk)。
2 光脉冲通过大气-海水界面的蒙特卡罗模拟方法
2.1 光子在大气中或海水介质中的传输模拟
蒙特卡罗方法模拟光子的运动轨迹时,需要计算光子每一步移动的步长,并计算光子运动产生的多径时延和能量损失。
首先,根据Beer定理,光子每一次随机步长的表达式为d=-lnξ/μt,μt是光子衰减系数,ξ是(0,1)之间均匀分布的随机数。
然后,计算光子的能量损失。光子在每次行走中被吸收的概率p,满足p=1-μs/μt=1-a,μs为光子散射系数,当假设光子行走n个步长后的剩余能量为Wn时,则满足Wn=W×an,W表示初始能量权值。当光子的能量Wn小于给定的阈值时,表示光子被完全吸收,光子行走结束。
光子在第(n-1)次散射发生前的坐标方向是(Xn-1,Yn-1,Zn-1),当光子发生散射后,光子以新的方向角传输,发生散射后的光子坐标方向是(Xn,Yn,Zn),则:
undefined
式中,散射角θn表示第n次散射发生前入射光线和散射方向光线在散射面上的夹角,方向角φn表示第n次散射发生前光子散射方向在水平面投影的旋转角度。当光子散射发生时,光子以新的方向角传输。
2.2 大气-海水界面的反射与折射
光脉冲经过大气-海水界面时会产生折射与反射,海面受风的影响形成了海浪,从而改变了光的传输方向。为了求得光脉冲的反射率与折射方向,设海浪的法线方向n=(nx,ny,nz),nx=cosαsinβ,ny=sinαsinβ,nz=cosβ,其中β是法线方向与z轴之间的夹角,即俯仰角,α是折射方位角,它在(0,2π)内服从均匀分布。Cox和Munk根据观测得出海浪在一定风速下俯仰角β的经验归一化概率密度公式:
undefined
式中,σ=(0.003+0.005 12V)0.5,V为风速(m/s)。
在确定了海浪的法线方向n后,可计算出入射角θi,并根据斯涅尔定理求出光束的折射角θo。
光脉冲反射部分视为不会到达水下接收面,海面的反射率ζ为:
undefined
在仿真时,产生一个在(0,1)服从均匀分布的随机数,当其小于反射率ζ时,激光发生反射,否则折射。
光脉冲折射部分有一定几率到达接收面,因此需要计算折射方向。假设入射光线方向为Ri=(Xn,Yn,Zn),经海水折射后的方向为Ro=(X′n,Y′n,Z′n),令w1=(Ynnz-nyZn)/(Ynnx-nyXn),w2=(Xnnz-nyZn)/(Ynnx-nyXn),m=cosθo/(nx+nzw1),p=-(ny-w2nz)/(nx+nzw1),l=mw1和q=w1p-w2,求得折射方向为:
undefined
根据折射定律,海水的折射率大于大气的折射率,所以海水中的折射角小于大气中的入射角。分别用(X′n1,Y′n1,Z′n1)、(X′n2,Y′n2,Z′n2)与-Ri的夹角相比较,夹角绝对值小的为正确的折射方向。
3 模拟结果与分析
在模拟中,设定发射机在水上1 000 m,接收机在水下20 m,模拟光子数为10 000,每个光子初始权值为1。
模拟时,没有考虑泡沫带来的影响。最大泡沫覆盖面积Cf与风速V之间的关系为Cf=(1.2×10-5)V3.3(V≤9 m/s),Cf=(1.2×10-5)V3.3(0.225v-0.99)(V>9 m/s),由此可见泡沫覆盖面积随风速的增长而增长,海面风速V=10 m/s时,泡沫的最大覆盖面积为3%,对模拟结果的影响很小。
光脉冲入射面为三维海浪上任意一点的切面,海浪实际上是动态的,本文分析的是在H1/3海浪俯仰角期望值影响下的水下接收平面光斑分布情况。而在风速一定的情况下,H1/3海浪俯仰角的期望值是不变的。
三维海浪中,考虑入射面期望值是z=0的水平面,故海浪图中z轴不等于0的部分与本文计算无关。
3.1 一级风况
一级风况为软风,风速为0.3~1.5 m/s。本次仿真中取风速为1 m/s,仿真结果如图1所示。
图1左侧的海浪图有效波高为0.02 m,最大波高为0.09 m,有效波高H1/3俯仰角的期望值为0.049 6 rad,反射率为0.020 3。右侧的接收平面光斑分布图的63%光子半径是7.83 m,所接收到的光子数为9 613,能量权值为4 344.3。不规则波的有效波高通常用H1/3来表示,它是按照波高大小次序排列后,取前面三分之一个波的平均波高。
3.2 二级和三级风况
二级风况为轻风,风速取2 m/s时的仿真结果如图2(a)所示;三级风况为微风,风速取4 m/s的仿真结果如图2(b)所示。H1/3俯仰角、反射率等数值见表1。
3.3 五级风况
五级风况为劲风,风速为8.0~10.7 m/s。风速
取10 m/s时的仿真结果如图3所示,有效波高为1.68 m,H1/3俯仰角的期望值为0.935 8 rad,反射率为0.040 2,接收平面光斑分布图的63%光子半径是8.35 m,所接收到的光子数为9 116,能量权值为4 003.4。
3.4 八级风况
八级风况为大风,风速为17.2~20.7 m/s。当风速取19 m/s时的仿真结果如图4所示,海浪图的有效波高为5.23 m、最大波高为7.82 m,H1/3俯仰角的期望值为1.335 4 rad,反射率为0.246 0,63%光子半径是10.26 m,所接收到的光子数为6 732,能量权值为2 654.5。由图可以看出,随着风速越大,反射率急剧上升,接收面接收到光斑数量呈明显下降趋势。
对于风级较大的情况,三维海浪的x轴和y轴的变化范围为0-300米基本才能使一个波浪完整的呈现,由于接收面光斑分布是H1/3海浪俯仰角期望值影响下的结果,因而三维海浪的x轴和y轴的变化范围并不影响接收面光斑的仿真结果。
3.5 风级对光脉冲传输的影响
表1给出了1-8级风况下,从海浪图与接收平面光斑分布图得到的统计结果。
从上表的统计结果中可以看出,在1-4风级的状况下,即在俯仰角从0.049 6到0.591 0 rad变化的过程中,到达接收面光子的扩散半径以及光子数、能量均变化不大,63%光子分布在7.9 m左右,由于反射率均较小,几乎所有的光子都到达了接收平面且能量变化较小;随着风级上升到5级,俯仰角、反射率和接收面各统计参量的变化较为明显;当风况上升至8级或更高时,海面状况比较恶劣,各个统计参量呈现急剧的变化趋势。
4 结 论
本文通过蒙特卡罗方法模拟不同风况下的海浪以及水下接收面的光斑分布,分析了大气-海水界面对光脉冲传输产生的影响,得到了有效波高H1/3的俯仰角期望值以及对应的反射率,以及光斑分布的63%光子半径和到达接收面光子数。在仿真的统计结果中,俯仰角在0.049 6到0.591 0 rad变化(风级1-4)的状况下,大气-海水界面的反射率以及水下接收平台的仿真结果数据变化很小;随着风级增大到5级,相应的仿真数据才发生明显变化;当仿真取8级风况时,各个统计参量发生较大变化,此时会一定程度地影响激光脉冲传输效果。接收面的光斑空间分布可以为激光通信系统的误码率分析以及接收视场角等参数的设计提供依据。
摘要：针对大气-海水界面对光脉冲传输的影响,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟三维海浪,从不同风级下的大气-海水界面模型得出有效波高H1/3的俯仰角期望值以及对应的反射率,并通过模拟光脉冲传输过程得出水下接收面光斑分布的统计数据。模拟结果表明:有效波高H1/3的俯仰角大约在0.5910rad(即34°左右)时,对激光脉冲开始产生明显的影响;当风级增大到8级时,激光脉冲传输发生了剧烈的变化。
关键词：大气-海水界面,海浪模拟,激光脉冲,风级
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大气激光通信 第7篇
Mie G在20世纪初提出介质中粒子对光的散射理论, 阐述了各向同性球形粒子在高度稀释的介质中其散射与粒子直径、粒子与介质间折射率之差、介质粒子与入射光波长之间关系。根据该理论, 将直径与辐射波长相当的粒子所发生的散射称为米散射, 如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等对激光的散射。米散射的辐射强度与波长的平方成反比, 散射在向前比向后更强, 方向性明显, 可以利用该特性测量大气中气溶胶特性来分析当地特定时刻大气特性。
气溶胶 (Aerosols) 是指固体或和液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系, 其粒子大小在0.01～10 μm之间。大气中的气溶胶通过吸收辐射或散射辐射影响气候, 同时也会成为凝结核而影响云层的性质。相比于自由大气层, 大气边界层的垂直结构和时空变化均可表现在气溶胶特性变化上, 因此可将气溶胶作为大气边界层动态追踪的示踪剂。米散射激光雷达对大气的遥感正是基于激光与大气气溶胶的相互作用, 实现大气边界层结构状态的实时监测, 且在时间上可连续测量, 具有较高的空间分辨精度。
目前国内所使用的气溶胶探测激光雷达产品几乎全部依赖于进口, 中科院安徽光机所、大气物理所、西安理工大学、四川大学及苏州大学等单位也开展了米散射激光雷达的研制工作[1,2,3], 取得了一些成果, 但在激光雷达的小型化、实用化及产品化上还需进行大量的研究工作。文中提出一种工程可行的米散射激光雷达系统及数据处理设计方案, 利用该雷达系统对苏州城区大气气溶胶特性进行测量, 并使用Fernald方法反演了其消光特性, 通过对实验数据处理分析了苏州城区的重要大气光学特性。
1 消光特性探测原理
米散射激光雷达探测气溶胶的原理基本是通过雷达发射机向大气中发射脉冲激光束, 再由望远镜接收由大气中分子、粒子产生的后向散射光, 通过激光雷达方程求解出气溶胶消光系数等参数。激光雷达方程如下[4]:
式中:P (r) 表示距离为r处的回波功率;Pt表示雷达发射功率;c表示光速;τ表示单个脉冲时间;A表示系统接收机有效面积;β (r) 表示包含大气分子及气溶胶粒子的后向散射系数;σ (r) 表示气溶胶粒子在距离r处的消光系数。
该测量过程是建立在光子计数的概念上, 信号处理系统中的光子计数器实际记录的是与回波信号功率相应的光电子数:
式中:E表示激光发射脉冲能量;λ表示激光发射波长;h为Plank常数;Δr表示其最小距离分辨率;Y (r) 表示激光雷达收发重叠因子, 可通过假设远场激光束振幅为高斯分布或者平面波分布, 应用闭式求解[5]。而在实际情况下重叠因子随距离变化, 且两视场完全重合处的距离也会受多种因素影响, 可以利用实验接收到的水平均匀大气回波信号通过斜率法计算其分布[6]。
米散射激光雷达测量大气光学特性本质上就是对雷达方程式 (2) 求解, 通过接收到信号 (光子数量N (t) ) 联合若干已知条件, 求解大气光学消光特性的β (r) 和σ (r) 的过程。由于有两个未知量, 这成为求解米散射激光雷达方程的难点。本方案中采用Fernald方法求解, 反演大气中气溶胶和云层粒子的消光系数。该方法由学者Fernald提出[7], 也是国内相关研究人员普遍采用的算法。算法中将大气看做两部分:空气分子与气溶胶, 认为大气消光系数 (或后向散射系数) 是空气分子消光系数与气溶胶消光系数的和, 在此基础之上给出了米散射激光雷达方程的解。如果已知高度rc处气溶胶粒子和空气分子消光系数, 则rc以下高度上的气溶胶粒子消光系数σ1 (r) (后向积分) 为:
式中:X (r) =P (r) ·r2, 表示距离平方修正后的大气回波信号;Si=σi/βi (i=1, 2) , 下标i分别表示气溶胶与空气分子, 在工程应用中通常S1根据不同情况而事先给定, 而S2=8π/3;空气分子的消光系数σ2 (rc) 可以根据散射理论由美国标准大气模式提供的空气分子密度的垂直廓线计算得到, 也可以由探空资料计算获得, 或直接引用LOWTRAN7的结果, 通常在标定高度rc下, 选取不含气溶胶粒子的清洁大气层所在高度来确定。例如, 对于532 nm波长的激光雷达来讲, σ2 (rc) 由设定的气溶胶散射比1+β1 (rc) /β2 (rc) =1.01来确定 (有时设定为1.02 或1.05) [8]。类似的方法可以得到rc以上高度上的气溶胶粒子消光系数 (后向积分) [7]。
2 雷达系统组成
米散射雷达采用单波长激光雷达系统工作, 主要由激光发射及接收光学单元、信号采集与处理单元两大部分组成。其具体结构组成如图1所示。
2.1 激光发射及光学接收系统
激光发射系统包含脉冲激光器、激光器电源、扩束镜三部分, 该单元功能是将经过整形和扩束后的激光脉冲向指定路径发射。光学接收系统由接收望远镜、窄带滤光器、光电探测器等组成, 该单元主要收集大气的后向散射光特性并将其送至信号处理系统。其中关键组件接收望远镜用于接收激光雷达回波信号, 其焦平面上需设置小孔光栅, 以控制其接收视场。
2.2 信号处理系统
信号处理系统由光电检测器、光子计数器和计算机等组成, 其核心部分是光电检测器。该系统完成光电转换、电信号处理、存储及显示等任务。此外, 该系统还完成对激光器和门控电路实行时序控制的功能。在此过程中需要将光电转换后的电信号进行一系列放大、采样和累加平均处理, 使之成为能反映回波信号强度随探测高度 (或距离) 而变化的激光雷达回波数据, 然后以适当方式显示。图2给出了该激光雷达系统的具体实物图。
该激光雷达系统的主要参数如表1所示。
3 实验数据处理及分析
从2003年底到2004年, 笔者应用小型米散射激光雷达系统对苏州市 (东经120:39E, 北纬31:20N) 市区上空的大气分子和大气气溶胶的消光系数等光学参数进行了常规探测, 积累了宝贵的实验数据, 得到了苏州市区部分重要大气光学特性。图3显示了不同时间段、不同天气状态下所探测的云层消光系数分布状况。
其中, 图3 (a) 给出了7月10日所探测的消光系数曲线。可以看出, 在7～11 km高度范围之间, 消光系数凸起, 其最大值出现在高度8.8 km, 约0.182 km-1, 该段内平均消光系数值为0.005 1 km-1, 比晴朗天空气溶胶的消光值大2～3个量级。经分析该段应该是移动的云块, 从7.5 km附近延伸到11 km处, 其厚度达3.5 km。其内部由有三层构成, 厚度不同, 最大的厚度达到1.8 km。经推测其属于三层积云, 并且连接成片, 属于高空云系, 引起降水的几率很小, 而当晚的苏州气象资料也显示没有降水。
为了显示对比结果, 图3 (b) 给出同一天中两个不同时刻所探测的消光系数分布。可以看出在1～2 km范围内出现了一层分布较为均匀的厚云层。在当天18:40, 云层高度为1.2～1.86 km, 层内消光系数平均值为0.053 km-1。20 min后, 云层内消光系数迅速增大, 最大值达到0.205 km-1, 其均值增加到0.106 km-1, 并且快速下降, 云底到达高度1.05 km附近。从以上分析可知, 该云层是典型积雨云, 预示着即将到要的降雨。而从当天的气象预报可知, 从19:15开始就下起阵雨。
此外, 在图3 (b) 图中, 在2 km以上段内消光系数几乎为零。这是由于积雨云层的较大消光系数而导致发射激光在其内损失很大, 所以基本没有雷达散射回波信号。该现象也表明了米散射激光雷达在较差天气状况下工作会受到一定程度的限制。
4 结 语
本文介绍了激光雷达方程及大气气溶胶探测原理, 提出一种工程可行的米散射激光雷达及数据处理系统的设计, 对大气中气溶胶进行了测量, 并通过Fernald方法反演了其消光特性, 给出了探测结果, 并对测量数据进行了简要分析, 为红外辐射和激光在大气中的传输提供了重要光学参数。
利用米散射激光雷达测量大气光学参数在我国尚属新兴课题, 在国际上也属于年轻的领域。随着激光技术、探测器技术及计算机技术等迅速发展, 激光雷达探测的灵敏度等指标必将进一步提高, 其测量结果更加准确可靠, 进而促使其应用范围更加广泛。
摘要：激光雷达作为一种主动遥感探测工具, 广泛用于大气环境等研究领域, 特别是探测对流层内大气气溶胶和卷云的光学特性以及大气水平能见度。在阐述大气气溶胶探测原理及信号处理的基础上, 提出一种工程可行的米散射激光雷达及数据处理的设计方案, 利用此雷达对苏州城区大气气溶胶特性进行测量, 并利用Fernald方法反演了其消光特性, 通过实验数据分析了苏州城区的重要大气光学特性, 充分显示了米散射激光雷达在大气特性探测领域的优越性。
关键词：激光雷达,米散射,气溶胶,消光特性
参考文献
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[9]袁易君, 任德明, 胡孝勇.Mie理论递推公式计算散射相位函数[J].光散射学报, 2006, 17 (4) :42-44.
瑞利激光雷达探测大气温度廓线 第8篇
由于光波能够实现对大气光学及其物理特性、气象和气候参数进行高时空、高分辨率的精细化探测, 所以激光雷达在大气遥测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势[1]。
虽然目前L625激光雷达仅在个别学校和科研单位 (例如南京信息工程大学、中科院安徽光机所等) 投入使用, 但未来的使用范围应该能得以扩大, 因此, 能提前做好该雷达的相关性能研究是有必要的。
1 原理
气溶胶粒子在平流层的中上部造成的散射回波可以忽略不计;大气密度廓线可以由某一高度上的大气密度计算得出;理想气体下的状态方程、大气静力学方程相结合, 可以得到大气温度。
2 仪器
L625激光雷达分为激光发射、回波信号接收和数据采集及控制3部分;是由计算机控制测量过程, 并存储采集到的数据;它是一台多功能的大气探测激光系统。
3 算法分析
3.1 模拟信号生成
模拟计算过程中最重要的是产生模拟回波。对模拟回波信号要求是:要有大气的模式信息, 并且和雷达数据相关 (既含有实测信息, 增加信号的真实性、实用价值;又便于进行对比, 以验证温度计算软件的正确性[2]) 。
取某一参考高度 (z0) , 由激光雷达方程推算, 可得到下面的公式:
N (z) :美国标准下的大气密度数值。P (z0) :参考高度回波光子数, 所选的是一组高度z0-△z到z0+△z (△z:距离分辩为150m;积分时间:8min) 的平均数值。为背景噪声所引起的光子数。
使用公式 (1) , 计算出在25-90km高度范围的大气分子的回波光子数。
实际测量中, 由于实验条件受限, 选取了简化的背景噪声处理方法。发现当高度增加到足够高时, 雷达的回波信号可以认为全部是背景噪声所引起的。图1所示数据为雷达实测的原始数据。
从图1中可以验证结论:当观测高度达到70km后, 回波信号随高度的增加基本没有太大变化, 均在1~10之间。因此可以近似认为, 从70km高度向上的部分, 雷达测得的回波信号平均值即为背景噪声, 并且初步推算其数值应该在1~10之间。
3.2 参考点的影响
参考高度选取越高越好, 参考高度的温度数值一般采用模式或探空资料。下面来分析参考温度值的影响。数据采用2011年11月25日21时26分的观测数据, 选取参考高度为54.6Km, 对25~55 km高度进行温度反演。反演时, 将参考温度分别增加5%和减少5%, 并将测量结果与原始结果对比, 得到的对比情况如图2所示。
当参考温度取值偏小时, 反演的温度结果亦偏小。当参考温度取值偏大时, 反演的温度结果亦偏大。但是, 不同高度处的温度受影响程度不同:对40km以下高度, 温度参考值的选取几乎没有影响;而对40km以上高度, 误差逐渐增加, 并向两侧远离模式值, 并且参考温度增加5%对于结果的影响要大于参考温度减少5%时的影响。
4 结论
通过以上分析, 数据计算能有效分析激光雷达资料。文章将参考点的温度处理结果和实测数据进行了对比与分析, 验证了在不同高度上对温度探测结果的影响。
参考文献
[1]R.M.Measures.Laser Remote Sensing.Fundamentals and Application[M].Florida:Krieger Publication Company, 1992:320-413.
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