空间激光通信技术相对于传统的微波传输技术而言, 具有体积小、速率高、发展潜力大等优势。近些年来, 随着技术突破, 以光通信为主的天地一体化网络正在逐步建立, 作为骨干网的星地激光通信技术的飞速发展为地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等应用提供良好保障。在星地激光通信过程中, 激光的传输要经过整个大气层, 大气中的气溶胶粒子不仅会衰减激光能量, 同时也会使通信脉冲信号的传递产生延迟, 严重时甚至会造成通信数据传输的中断。因此, 很有必要利用计算机仿真技术对大气信道中激光载波传输的影响进行仿真分析。
一、大气激光通信传输带宽的蒙特卡洛仿真
在大气激光通信过程中, 光子与气溶胶粒子多次碰撞造成光波传输的多径效应, 造成激光传输时间延迟。对于多次散射大气信道, 不仅要考虑平均延迟时间, 还需要考虑接收机的接收面积与视场大小。这就需要采用蒙特卡洛光线跟踪法 (MCRT) 来描述激光光波在多次散射环境下的传输时间特性[1]。MCRT是一种针对单个光子在多次散射环境下会出现各种运动情况的仿真方法, 模拟出每个光子在气溶胶介质中多次散射的概率, 最终统计出可以被接收机接收的有效激光信号。大气的吸收和散射系数 (主要是气溶胶) 影响着光子被吸收或被散射特性。MCRT对光子运动状态的模拟设置需要满足以下条件: (1) 光子被吸收; (2) 光子进入接收器; (3) 光子散射后到达接收视场顶面; (4) 光子散射后溢出接收视场之外。由于实际的大气层中所包含的气溶胶粒子大小不同, 这就需要将不同粒子的半径尺寸进行归一化处理。光子传输途中遇到多次散射, 造成了激光脉冲展宽, 其展宽程度制约了信号在信道中传输的最大速率, 一旦超过这个速率限制, 系统的通信误码率会急剧增加。假定M为接收机实际探测到的信号能量与传输总能量的比值:
式中, tc为接收探测器的脉冲能量接收时间。根据系统要求M为定量时, 可以针对tc求解。M值反映了激光通信系统中相邻两个激光脉冲被容许的最大重叠区域, tc值反映了时间间隔的最小值。那么整个通信链路在大气气溶胶影响下容许下的最大传输带宽B可以表示为
现阶段的星地光通信常用工作波长为1550nm波段, 可以使用MCRT方法结合气溶胶粒子散射函数在1550nm近红外波段的散射系数进行数据仿真, 然后对仿真结果进行双Gamma拟合, 以此数据对大气信道中激光光波传输时间特性进行分析。
光学厚度τ分别为1、3和5时, 大气信道激光脉冲传输时间响应如图1所示。气溶胶厚度的增加与激光脉冲传输宽度的展宽成正比。根据信道最大码元传输速率计算准则, 接收器实际接收能量效率M取不同值时, 大气信道最大激光通信带宽B的变化如图2所示。随着M值的增大, 大气信道最大通信带宽在不断减小;在相同的M值下, 气溶胶 (光学) 厚度越大, 大气信道允许的最大传输带宽越小。
二、结束语
在天气条件良好的情况下, 大气信道气溶胶厚度平均约为0.3左右, 对激光脉冲的传输时延和脉冲展宽几乎没有影响;雾霾等污染严重时, 气溶胶颗粒会导致大气光学厚度直线上升, 边界层内光学厚度维持在2.8~3.2之间, 甚至会达到4以上。由图2可知, 即使没有云层遮挡等自然现象的影响, 雾霾等大气污染造成的气溶胶厚度增大也会导致星地激光通信传输带宽大大降低。当气溶胶厚度大于等于3时, 信道带宽已经降低到接近2GHz或更低, 对于几Gbps∼几十Gbps量级的高速星地激光通信链路信号传输很容易产生码间串扰。这种情况下, 即使能够持续地增加激光发射功率, 也无法进一步提高信号传输速率和降低接收探测器的通信误码率, 只能适当降低通信速率, 来适应大气信道的带宽限制。
摘要：星地激光通信链路中, 激光脉冲作为信号载波在大气信道中传输, 气溶胶散射特性是影响整个通信系统质量的重要因素。本文利用蒙特卡洛光线跟踪法 (Monte Carlo Ray Tracing) 对激光脉冲的时间响应特性进行仿真研究, 进一步推导出大气信道中光通信链路最大带宽与气溶胶粒子厚度的关系。
关键词：大气激光通信,气溶胶,脉冲延时
参考文献
[1] 陈纯毅, 杨华民, 姜会林等.激光脉冲云层传输时间扩展与信道均衡[J].兵工学报, 2008, 29 (11) :1325-1329.