大气环境对激光通信系统的影响(英文)

为了保证光通信精确度,有效地提高光通信系统性能,分析了导致接收光束能量损失,接收信号减弱的成因,找到适合光通信的方法.首先,通过光通信对大气信道衰减的敏感性,分析了光通信在大气传输时所受到的大气环境如雾、雨、雪、大气湍流因素的影响.其次,对大气环境中的雾、雨、雪和大气湍流中光强起伏、光束漂移等因素对光通信的影响做了详细分析.最后,通过数据分析得出适合光通信的大气环境,在合理使用大气激光通信设备的前提下,可以保证光通信的质量.     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

激光在雾中传输的衰减研究

根据雾滴的尺寸分布模型及辐射雾和平流雾含水量与能见度的经验关系,运用Mie理论及其Van de Hulst近似计算了衰减效率因子, 并结合Deirmendjian对其进行修正,详细分析了激光在雾中的衰减计算公式。 在考虑前向散射时进一步结合Adarsh Deepak和O.H.Vanghan提出的前向修正系数, 得出前向散射修正后的衰减公式, 分析了雾的前向散射对激光传输的影响。 最后将修正后的衰减与常用经验衰减模式相比较, 表明前向散射修正后雾对激光的衰减更加接近实际工程应用。     

雾对无线激光通信系统的影响

从雾的物理特性出发,对激光在雾媒质中的传播衰减特性进行了理论研究。分别给出了无线激光通信系统的信号模型、噪声模型和透过率,并给出了不同激光波长、能见度、测量距离和接收器视场角对无线激光通信系统的影响。最后,以工作波长为10.6μm的激光为例,利用衰减率与透过率之间的关系,给出了平流雾及辐射雾中激光雾衰减随能见度、接收器视场角等的变化关系。数值分析表明：激光波长、雾的能见度、测量距离和接收器视场角对无线激光通信系统均有较大的影响。     

大气传输对激光后向散射式能见度测试的影响及理论研究

激光在大气传输时,大气中的气体分子、气溶胶粒子、雾、雨等对激光的吸收和散射将导致激光回波能量衰减,这是影响激光后向散射式能见度测量的主要因素。通过对大气散射、大气湍流、大气吸收和气象条件与激光后向散射的关系进行理论分析,对后向散射式能见度测量的可行性进行了理论分析和论证,并提出了利用激光后向散射进行大气能见度测试的数学模型,为进一步研究和提高激光后向散射式能见度测距仪的性能提供了理论依据。     

复杂气象条件下机载中波红外系统对地目标探测识别仿真与运用研究

针对3～5μm机载中波红外系统复杂气象条件下对地目标探测识别问题,在理论研究的基础上,采用PcModWin大气仿真软件,进行了清洁大气、雾、云、雨等气象条件下的模拟仿真实验,分析了不同气象条件下不同距离范围内该波段红外辐射透过率分布曲线和峰值参数的变化规律,结合大气分子学理论,证明了探测角度、大气能见度、雾型、云层类型、降雨(雪)强度等,都是影响该波段机载红外系统对地目标探测识别效果的重要因素,提出了工程运用中应当采取的策略方法。研究结果对后续工程试验和运用实践具有指导作用,可提高该波段机载红外系统的应用效果。     

降雨对532nm和1064nm激光传输的衰减特性研究

降雨会对激光信号产生严重的衰减,从而给激光目标探测的应用带来一定影响.激光在降雨中的传输衰减已在红外波段做了大量的实验研究,而可见光波段激光在雨中的传输衰减特性还未见报道.基于夫琅禾费衍射和几何光学散射理论,建立雨滴对532 nm绿激光和1064 nm近红外激光光束的传输衰减模型,对比分析两波长激光在不同降雨量下的衰减...     

降雨对无线激光通信的影响

通过激光信号在雨介质中传输的实验发现,在大雨环境下,激光信号透射率要比在小雨或微雨的情况下大。这说明光信号在小雨时衰减较大,在大雨时衰减较小。这一现象与人们通常所认为的有所不同。针对降雨对激光信号的影响,根据Mie散射理论和Weibull雨滴尺寸分布模型,分析了不同尺寸的粒子对光的散射作用以及对衰减效率因子的影响,推导出单球粒子对光波的衰减公式,得到了衰减与降雨率的确定关系。通过数值计算发现,与小粒子相比大粒子的前向散射光强更大且更加集中;激光信号在雨介质中传输时,衰减系数在小雨时较大,中雨、大雨时较小,暴雨时不断增大。这一结果与实际情况较吻合,为激光在通信系统中的应用提供了一定的理论依据。     

天气对光散射传输影响的仿真分析

天气对光散射传输影响分析具有很好的实践指导意义。目前均用单次散射模型研究非视线光传输信道特性,但该方法在天气条件差或者传输距离较远时误差很大。利用蒙特卡罗方法进行了基于多次散射的非视线光传输模拟,对多种天气条件下(晴、阴、雨和雾等)不同距离光散射传输进行仿真。结果表明,中远距离散射传输时,大气衰减起主导作用,信号传输质量由晴、阴、雨、雾依次降低;近距离散射传输时,受到大气衰减和散射的共同作用,天气对光散射传输的影响较小。因此,大气光散射传输技术可作为短距离条件下实现全天候通信的一种新方式。     

沙尘信道下激光通信系统的性能分析

沙尘对激光信号的散射和吸收作用会引起激光信号的严重衰减,本文结合我国沙尘粒子的半径分布特征,在考虑含水影响的基础上,研究了沙尘对激光信号衰减特性的影响,得到了接收端信噪比的表达式;同时针对OOK调制,推导了沙尘天气下激光通信系统的误码率和信道容量。仿真分析了能见度、传输距离、含水量以及激光波长等因素对误码率和信道容量的影响。结果表明:随着含水量和传输距离的增大以及大气能见度的减小,系统的误码率会呈现出不断增大的趋势,而信道容量则呈现减小的趋势。在能见度为4 km的情况下,波长为1 550 nm、传输距离为1 km时系统的误码率可达10~(-2)数量级,且归一化信道容量为8.48 bps/Hz。     

大气弱湍流下星地光链路衰落特性影响因素分析

研究了弱湍流条件下星地光通信链路的衰落概率、平均衰落次数以及平均衰落时间3个重要参数的统计特性,并通过数值仿真分析了链路天顶角、光波长以及接收机海拔高度对链路衰落特性的影响。结果表明:减小天顶角和提高接收机探测灵敏度可以改善链路的衰落特性;1.55 m激光较0.85 m、1.06 m激光更适合于星地光通信;地面接收机应尽量建在2 000 m以上的高海拔地区。     

雾对激光的衰减特性研究

基于gamma雾滴分布模型以及辐射雾和平流雾粒径分布与能见度的经验关系,计算并分析了不同波长激光在两种雾中的衰减率随能见度的变化,透射率随传输距离的变化.结果表明,不同波长激光在两种雾中传输时,波长较长激光的衰减率都比波长较短激光的衰减率低;10.6μm激光在平流雾中衰减率大于在辐射雾中的衰减率;对不同波长激光在两种雾...     

星地光通信地面站空间分集技术研究

通过建立星地光链路模型对地面站空间分集技术中站址的选择、站址间距离以及地面站数量进行研究,结果表明:站址的合理选择可以提高星地链路的可用性;站址间的距离在保证各站天气不相关的同时不能过大,当站址间距离与卫星高度的比值达到1时,由链路天顶角增大带来的衰减高达10 dB以上;单地面站的可用性越高,所需的地面站数也越少,当单站的可用性达到0.6时,只需3个地面站即可达到与射频链路相当的高可用性。     

Correlation of millimeter-band radio-wave attenuation in cloud and rain parts of cloud-rain system

The experimentally detected difference by a factor of two or more of the autocorrelation times of millimeter-wave attenuation in the rain and cloud parts of a cloud-rain system is examined. In cases of moderate to heavy rain, the measured autocorrelation time of millimeter-wave attenuation in the cloud part of the system is greater by a factor of two than that in the rain for a given degree of cloudiness. In the case of drizzle, the measured relationship is inverted: the attenuation autocorrelation time in the rain part exceeds that in the cloud part by a factor of two. Specific realizations are used; the problem of estimation of the average correlation-time relationships, which is required for prolonged measurement periods, is not posed; nevertheless, the need for its formulation follows from the results considered here. The physical meaning of the results is that the horizontal spatial heterogeneities of moderate to heavy rain are smaller than those of drizzle and greater than those of the clouds from which the given rain falls.Scientific-Research Radio-Physics Institute. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 36, No. 3–4, pp. 231–239, March–April, 1993.     

独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计

为了使车辆驾驶员在雾、雪、雨或者尘埃等不同的恶劣气象条件下能够得到充分照明, 且避免造成对方会车司机炫目, 设计了具有明暗截止线的前雾灯系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化设计法, 运用数值计算求解出自由曲面反射镜(FFR)各个点坐标的坐标值。合理划分基础面, 并调整各子块的扩散角度, 实现配光要求。通过蒙特卡洛模拟法进行追迹光线, 测试结果表明:配光效果满足机动车前雾灯配光性能(GB4660-2016)对各测试点的照度要求, 且明暗截止线清晰, 体积小, 边缘区域也有较高光能, 光线利用率达到52.7%。     

Cloud Characteristics and Cloud Attenuation in Millimeter Wave and Microwave Frequency Bands for Satellite and Remote Sensing Applications over a Northern Indian Tropical Station

Microwave and millimeter wave frequency bands are in demand for requirement of more channels in radio communication systems. It has also been recognized that microwave and millimeterwave frequency radiometers on board satellites as promising tools for remote sensing.The frequency more than 10 GHz is affected by rain and cloud. Though the effects of rain on radiowave is more than cloud but the occurence of cloud is more than rain. Cloud has been found to occur for weeks together over this part of the world. It is therefore essential to study cloud morphology over different geographical region.In this paper, an attempt has been made to the cloud occurrences over an Indian tropical station, Delhi (28.35°N, 77.12°E) observed during different months and daytime and nighttime. It is seen that low clouds occurrence over Delhi is very significant and particularly during July, August and September. The specific attenuation of radiowave due to clouds at various frequencies 10 GHz, 20 GHz, 50 GHz and 100 GHz has been deduced. The specific attenuation of radio wave due to cloud at 10 GHz varies from 0.0608 dB/km to 0.1190 dB/km while at 100 GHz the specific attenuation varies from 6.8460 dB/km to 11.9810 dB/km     

Multiple scattering and modeling of laser in fog

When a laser is transmitted in fog, and the water droplets will scatter and absorb the laser, which affects the intensity of the laser transmission and the accuracy of radar detection. Therefore, it is of great significance to study the laser transmission in the fog. At present, the main method of calculating the scattering and attenuation characteristics of fog is based on the radiation transmission theory, which is realized by a large number of numerical calculations or physical simulation methods, which takes time and cannot meet the requirements for obtaining the fast and accurate results. Therefore, in this paper established are a new laser forward attenuation model and backward attenuation model in low visibility fog. It is found that in low visibility environments, the results calculated by the Monte Carlo method are more accurate than those from most of the existing forward attenuation models. For the cases of 0.86-μm, 1.06-μm, 1.315-μm, 10.6-μm typical lasers incident on different fogs with different visibilities, a backscatter model is established, the error between the fitting result and the calculation result is analyzed, the backward attenuation fitting parameters of the new model are tested, and a more accurate fitting result is obtained.     

激光雷达信号大气衰减效应

激光雷达信号在大气中传输时,大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨等对激光信号的吸收和散射导致光信号能量的衰减是影响激光雷达信号传输的重要因素。另外,由于大气密度分面目 不均匀导致激光沿光路上的折射,大气湍流效应导致光束横截面上能量分布起伏、光束扩展和漂移等,这些对激光雷光信号的传输产生一定的影响。本文对激光在大气中传输的各种能量衰减机制进行分析和讨论,为激光雷达系统的设计提供理论依据。