激光大气闪烁的间歇特征

　第11卷　第2期强激光与粒子束V o l.11,N o.2 1999年4月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S A p r.,1999　

文章编号:　1001—4322(1999)02—0185—04

激光大气闪烁的间歇特征Ξ

饶瑞中,王世鹏,刘晓春,龚知本

(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究室,安徽230031)

摘　要:　以小波变换法观察了湍流大气中激光光强起伏的间歇特征,并用奇性测度进

行了定量的描述。根据间歇性参量的周日变化规律发现:激光大气闪烁的间歇性存在于所有的

时间和起伏条件下,并且保持稳定,间歇性参量约为0.1,基本不随起伏条件和时间变化。

关键词:　光传播;大气湍流;光强起伏;间歇性

中图分类号:　TN241 文献标识码:　A

激光大气闪烁是随机介质中波传播研究的重要问题,其闪烁强度、概率分布及频谱特征等各方面的特性都已被广泛、深入研究。光波在湍流大气中的传播问题的研究大都建立在湍流介质满足局部均匀、各向同性的假设(Ko l m ogrov湍流模型)基础上,Ko l m ogrov湍流模型与真实湍流存在着很大的差别,最主要的问题是它没有反映出真实湍流的非线性特征。研究结果表明:实际湍流介质存在着严重的间歇性[1]。因此,在间歇湍流介质中传播的激光光学参量也可能存在一定的间歇特征。以光强起伏为例,实验结果直观地说明了这一点。图1即为光强测量结果的一个具体例子。实验中,光源是波长为0.6328Λm的基模H e2N e激光;传输距离为1000m;信号采样频率为1300H z。每次实验持续进行24小时,每次采集135168个样本点,相邻两次采集相隔10分种,闪烁指数大部分位于弱起伏条件和强、弱起伏条件的交界处。

F ig.1　A n examp le of laser irradiance scintillati on in a turbulent atmo sphere.

图1　湍流大气中的激光光强起伏(纵坐标为光强信号电压值,横坐标为样本序号)

对随机信号间歇性的分析可以通过对信号的频谱分析来进行。由于Fou rier频谱是整体信号的综合特征,它不能反映信号频谱分量的具体发生时刻,所以不能用来做间歇性分析。而小波变换同时反映了信号的频域和时域特征,则可用来进行间歇性分析。小波分析可以对具体一组信号做详细的间歇性研究,然而如果要对许多组数据进行间歇性的宏观分析,则必须引入描述间歇性的特征参量,这可利用奇性测度分析来实现。下面首先用小波变换对激光大气闪烁进行直观的定性分析,然后用奇性测度对激光大气闪烁的间歇性进行定量的规律性探索。

Ξ国家863计划激光技术领域资助课题

1998年10月14日收到原稿,1999年1月12日收到修改稿。

饶瑞中,男,1963年10月出生,硕士,副研究员

1　闪烁间歇性的小波分析

令L 2(IR )表示在区间(-∞,∞)上定义的所有可测且具有

∫∞-∞ g (x ) 2d x <∞的函数集合,如果Υ∈L 2(IR )满足容许性条件C Υ=∫∞

-∞ 5(Ξ) 2 Ξd Ξ<∞,5(Ξ)为Υ的Fou rier 变换,

则称Υ为一个基小波。基小波Υ在L 2(IR )上的积分小波变换为[2,3]

(W Υg )(b ,a )=1 a

∫∞-∞g (t )Υ3(t -b a )d t , g ∈L 2(IR )(1)其中a ,b ∈L 2(IR ),且a ≠0,3表示复共轭。在信号分析中只考虑正频率,如果取频率变量为伸缩参数a 的倒数的正常数倍,则只须考虑a 的正值,此时要求基小波满足

有 ∫∞0 5(Ξ) 2Ξd Ξ=∫

∞0 5(-Ξ) 2

Ξd Ξ=C Υ 2<∞(2)∫∞-∞ g (x ) 2d x =2C -1Υ∫∞

0[∫∞-∞ (W Υg )(b ,a ) 2d b ]a -2d a (3)

因此能量 E (b ,a )=2C -1Υ (W Υg )(b ,a ) 2a

-2(4)(4)式反映了在位置b 处、尺度为a 的范围内的信号对与尺度a 相对应的频率f =1 a 处的能谱密度的贡献。因此从各种尺度上的E (b ,a )的行为即可观察到信号的间歇特征。

在实验信号的分析中,只能使用离散小波变换,此时选择紧支撑正交小波基,伸缩参数

a =2m (m =1,…,M ),平移参数为

b =na (n =0,1,…,2M -m -1)。对于样本数为N 的数据,M =log 2N 。则有

E (m ,n )= (W Υg )(m ,n ) 2(5)

用上述方法对激光大气闪烁进行了小波分析,图2所示的结果对应于图1的实验数据,从各种尺度上的E (m ,n )的行为可以观察到信号明显的间歇特征。图中只绘出了最小的四种尺度

,可以看出,在不同的尺度上都有异常的爆发值,这些异常值的具体位置也不同。

F ig .2　T he energy at different scales and locati ons of log 2intensity co rresponding to F ig .1

图2　对应于图1的对数光强在不同尺度和位置的能量

681强激光与粒子束第11卷

2　闪烁的奇性测度分析

一种常用来描述随机信号间歇性的奇性测度分析的具体过程如下[4]:对随机信号Υ(t i ),i =0,1,…,N -1,取其小尺度增量?Υ(1,t i )=Υ(t i +1)-Υ(t i ),取绝对值并进行归一化,得到一组平稳非负信号

Ε(1,t i )= ?Υ(1,t i ) (N -1∑i +r -1

j =i

?Υ(1,t j

) )(6)尺度为r 、位于(t i ,t i +r )范围内的平均测度定义为Ε(r ,t i )=r -1∑i +r -1j =i

Ε(1,t j )

(7)然后求Ε(r ,t i )的各阶(整数或非整数)统计矩的标度性质〈Ε(r ,t )q 〉∝(r N )-

K (q ),　q ≥0(8)

标度指数谱K (q )具有下列性质:(1)K (0)=K (1)=0;(2)凹性,d 2K d q 2>0;(3)当0

。

F ig .3　K (q )and C (q )of laser irradiance scintillati on

图3　激光大气闪烁的标度指数谱K (q )和C (q )

从K (q )我们可以定义一个非递减单调函数

C (q )=K (q )

q -1(9)

它与Ε(r ,t i )的分形广义维数的关系为

D q =1-C (q )(10)

对Ε(r ,t i )奇性的全面反映,当然需要q 取尽可能多的值C (q )。然而对各种类型数据的分析表明,与Ε(r ,t i )的均值相联系,C 1=C (1)时能很好地反映信号的间歇性,因而被称之为间歇性参量。对于白噪声,C 1=0;对于?函数,C 1=1。激光大气闪烁的间歇性参量C 1的计算及C (q )与q 的关系的具体例子见图3(b )。

3　间歇指数的变化规律

用上节描述的间歇性参量分析了激光大气闪烁间歇性特征的全天变化规律,同激光传播的起伏强度进行了比较。激光传播的起伏强度通常用闪烁指数Β2,即强度起伏的归一化方差

781第2期饶瑞中等:激光大气闪烁的间歇特征

(I λ2-I λ2) I λ2来表示。

图4表示1998年1月20日9时至21日9时和3月17日9时至18日9时间歇性指数与闪烁指数的日变化。图4(a )是1月的一个整天的变化,由于全天晴朗,日出和日落前后闪烁指数的变化十分剧烈,一天内闪烁指数的最大差值达两个量级以上,最大值附近已经超出了弱起伏条件的范围,然而间歇性参量却相当稳定,基本不随时间变化。图4(b )是3月的一个整天的变化,这一天的闪烁指数的变化与1月20日至21日大不相同,日落前后闪烁指数并未降下来,整个白天至午夜闪烁指数都很大,但间歇性参量却同样相当稳定,基本不随时间变化。在这两个整天的变化中,间歇性参量都在0.1附近

。

F ig .4　T he diurnal variati on of the interm ittency index and scintillati on index .

图4　激光大气闪烁间歇性指数和闪烁指数的日变化

4　小　结

大气湍流的间歇性导致了湍流大气中传播的激光光强起伏的间歇性。运用小波变换方法对大量实验数据进行了定性的观察研究,并使用奇性测度分析对激光大气闪烁的间歇性进行了定量的规律性探索。根据间歇指数的周日变化规律我们发现:激光大气闪烁的间歇性存在于所有的时间,间歇性强度稳定,基本不随时间变化。

参考文献

1　胡　非.湍流、间歇性与大气边界层.北京:科学出版社,1995

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3　M eneveau C C .A nalysis of turbulence in the o rthono rm al w avelet rep resentati on .J F lu id M ech ,1991,232:469～5204　D avis A ,et al .M ultifractal characterizati on of nonstati onary and interm ittency in geophysical feilds :observed ,retrieved

and si m ulated .J GR ,1994,99(D 4):8055

～8072INTER M ITTENCY CHARACTER IST I CS OF LASER IRRAD I ANCE

SC INT I LLAT I ON IN AT MOSPHERE

RAO R u i 2zhong ,W AN G Sh i 2peng ,L I U X iao 2chun ,GON G Zh i 2ben

L abora tory of A t m osp heric Op tics ,A nhu i Institu te of Op tics and F ine M echan ics ,

T he Ch inese A cad e m y of S ciences ,A nhu i 230031Ch ina

ABSTRACT :　T he in term ittency characteristics of laser irradiance scin tillati on in a tu rbu len t atmo 2sphere w ere checked qualitatively via the w avelet tran sfo rm ati on ,and a quan titative descri p ti on m ethod based on the singu larity m easu re analysis w as adop ted to study the in term ittency in a system atic m anner .F rom the diu rnal variati on of the in term ittency index w e found that the in term ittercy of laser irradiance is rather stab le under differen t scin tillati on index .

KEY WOR D S :　ligh t p ropagati on ;tu rbu lence ;scin tillati on ;in term ittency

881强激光与粒子束第11卷

激光通信的应用

激光通信的应用 1． 激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2． 激光通信： 定义1：利用激光进行信息传递的通信。 定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3． 激光通信的原理： 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒 子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点： 相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1．无须授权执照 无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2．安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

激光雷达基础知识

什么是色散呢？ 当光纤的输入端光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时域上的展宽，这种现象即为色散。以单模光纤中的色散现象为例，如下图所示： 如何消除色度色散对DWDM系统的影响： 对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。 光的衍射 光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light）。 光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。

物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。 光的干涉 光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。定义：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，证实了光具有波动性。 两束光发生干涉后，干涉条纹的光强分布与两束光的光程差/相位差有关：当相位差为周期的整数倍时光强最大；当相位差为半周期的奇数倍时光强最小。从光强最大值和最小值的和差值可以定义干涉可见度作为干涉条纹清晰度的量度。 只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。 大气气溶胶 大气气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾等都是天然或人为原因造成的大气气溶胶。 大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径多在0.001～100μm之间,非常之轻,足以悬浮于空气之中，当前主要包括6 大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机碳气溶胶）、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。 散射特性：气溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因。 多普勒频移 当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。 多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。 主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）。 多普勒频移及信号幅度的变化等如图所示。当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩（如图2右侧波形变化所示），频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长（如图2左侧波形变化所示），频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。

大气激光通信系统的研究解析

大气激光通信系统的研究 摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。 本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。 并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。 关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器 一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。 大气激光通信系统的主要应用和优点

湍流的统计特性及对激光大气传输的影响

第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析 激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。 4.1大气湍流的成因 在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。形成大气湍流的原因大致有四点。第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。图4.1形象的表述了湍流的形成。

上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度 L，最小的湍涡是内尺度0l。 尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。 4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论 虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。随机性构成了湍流统计理论的基础；涡粘性揭示了湍流相近尺度间的相互作用行为；级串给了我们最直观、最明晰的湍流图像；标度律则成为物理上定量研究湍流问题的数学手段。 在直观的湍流现象中，Richardson首先给出了湍流的级串图：湍流中存在着不同尺度间的逐级能量传递，由大尺度湍涡向小尺度湍涡输送能量。第一级大湍涡的能量来自外界，大湍涡失稳后形成次级的小湍涡，再失稳后产生更次一级的小湍涡。在大雷诺数下，所有可能的运动模式都被激发。 基于Richardson级串模型。Kolmogorov认为在大雷诺数下，这些不同尺度的湍

激光雷达回波信号仿真模拟

激光雷达回波信号仿真模拟研究 摘要 关键字 第一章绪论 第一节引言 激光雷达（Lidar：Li ght D etection A nd R anging），是一种用激光器作为辐射源的雷达，是激光技术与雷达技术完美结合的产物。激光雷达的最基本的工作原理与我们常见的普通雷达基本一致，即由发射系统发射一个信号，信号到达作用目标后会产生一个回波信号，我们将回波信号经过收集处理后，就可以获得所需要的信息。与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光而普通雷达发射的信号是无线电波，两者在波长上相比，激光信号要短的多。由于激光的高频单色光的特性，激光雷达具有了许多普通雷达无法比拟的特点，比如分辨率高，测量、追踪精度高，抗电子干扰能力强，能够获得目标的多种图像，等等。因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立一个大气环境预测理论模型，这将会成为研究气候变化和寻求解决对策的一项重要武器。 第二节本文的选题意义 由于投入巨大，在研制激光雷达实物之前，我们需要进行模拟与仿真研究，预测即将研制的激光雷达的各性能指标，评价总体方案的可行性。激光雷达回拨信号仿真模拟就是利用现代仿真技术，逼真的复现雷达回波信号的动态过程，它是现代计算机技术、数字模拟技术和激光雷达技术相结合的产物。仿真模拟的对象是激光雷达的探测没标以及它所处的环境，模拟的手段是利用计算机和相关设备以及相关程序，模拟的方式是复现包含着激光雷达目标和目标环境信息的雷达信号。通过激光雷达回波信号的仿真模拟，进而产生回波信号，我们可以在实际雷达系统前端不具备条件的情况下，对激光雷达系统的后级设备进行调试。 第三节本文的研究思路和结构安排 本文主要研究面向气象服务应用的大气激光雷达。笔者在熟悉激光雷达的基本工作原理的前提下，学习和熟悉各种参数对大气回波能量的影响，进而学习和掌握matlab编程语言，并且根据给定的激光雷达系统参数、大气参数和光学参数，以激光雷达方程为基础，通过仿真模拟得到理想状态下的大气回波信号。但是，在实际测量工作中，由于大气中的各种干扰，我们获得的回波信号并不和理想状态下的大气回波信号一致，因此，在本文的后期工作中，笔者根据已有的大量激光雷达实测信号与模拟信号对比，既能验证仿真模拟结果的准确性，又能应用于激光雷达的性能指标等方面的分析上，具有比较高的实际应用价值。 第二章激光雷达的原理 第一节激光雷达系统 一个标准的激光雷达系统应该包含以下部件：激光器、发射系统、接收系统、光学系统、信号处理系统以及显示系统。它的工作原理图我们可以用下图表示：

激光无线通信技术

激光无线通信技术 激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。 激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。

美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。

应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率 卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信 由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信 此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm 的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。 限制因素： 但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。 其次，空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。

高斯光束的特性实验

实验二 高斯光束的测量 一 实验目的 1.熟悉基模光束特性。 2.掌握高斯光速强度分布的测量方法。 3.测量高斯光速的远场发散角。 二 实验原理 众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell 方程组来描述。对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。使用高斯光束的复参数表示和ABCD 定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。 在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式： ()2 2 2 () [ ] 2() 00 ,() r z kr i R z A A r z e e z ωψωω---= ? （6） 式中，0A 为振幅常数；0ω定义为场振幅减小到最大值的1的r 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；()z ω、()R z 、ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为： ()z ωω= （7） 000 ()Z z R z Z Z z ?? =+ ??? （8） 1 z tg Z ψ-= （9） 其中，2 00Z πωλ = ，称为瑞利长度或共焦参数（也有用f 表示）。 （A ）、高斯光束在z const =的面内，场振幅以高斯函数2 2 () r z e ω-的形式从中心向外平滑的减小， 因而光斑半径()z ω随坐标z 按双曲线：

2 20 ()1z z Z ωω - = （10） 规律而向外扩展，如图四所示 高斯光束以及相关参数的定义 图四 （B ）、 在（10）式中令相位部分等于常数，并略去()z ψ项，可以得到高斯光束的等相面方程： 2 2() r z const R z += （11） 因而，可以认为高斯光束的等相面为球面。 （C ）、瑞利长度的物理意义为：当0z Z = 时，00()Z ω= 。在实际应用中通常取0z Z =±范 围为高斯光束的准直范围，即在这段长度范围内，高斯光束近似认为是平行的。所以，瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范围越大，反之亦然。 （D ）、高斯光束远场发散角0θ的一般定义为当z →∞时，高斯光束振幅减小到中心最大值1e 处与z 轴的交角。即表示为： 00 ()lim z z z ωθλπω→∞ == （12） 三、实验仪器 He-Ne 激光器, 光电二极管, CCD ， CCD 光阑，偏振片，电脑 四 实验内容： （一）发散角测量 关键是如何保证接收器能在垂直光束的传播方向上扫描，这是测量光束横截面尺寸和发散角的必要条件。

为什么说激光通信最保密

自上个世纪以来，由于通信技术发展极为迅速，中波、长波、超长波、短波、超短波以及微波通信以惊人的速度向前发展。然而事物的发展总是离不开矛和盾，随着电子通信技术的发展，电子对抗也就随之产生并发展起来了，电子侦察已成为现代作战获取情报的重要手段。无线电通信的电磁波犹如空气一样遍及全球，给敌方的无线电侦听带来了十分便利的条件，很容易泄密，给军事行动造成意想不到的损失。因此世界各国无不在保密方面狠下功夫，制定了各种保密措施防止无线电通信泄密。利用有线电通信的信号电流是沿着金属导线流动的，虽然比无线电通信保密，但也不是万无一失的。因为信号电流在导线周围会产生磁场，根据电磁感应原理：电生磁，磁生电，同样也很容易遭到敌方的窃听造成泄密。无线电波很容易被敌方接收，即使是加密的电波，在现代电子计算机技术充分发展的年代里也很容易被破译，于是人们感到必须改变传统的通信手段，才能适应保密的需要。１９６０年７月，光家族的新秀―――激光问世了，伴随激光的产生，一种新颖奇特的通信―――激光通信也进入了人们的视野。这位现代通信家族中的后起之秀，以其独有的通信容量大、保密性好、抗干扰能力强、通信质量好的特点给通信业的发展带来了明媚的春天，成为现代通信领域中引人入胜的“热门”。激光作为一种光波，虽然和电磁波有所不同，但是它仍属于电磁波家族中的成员，具有电磁波的特性，能在空间以波动的形式传播。但是它和电磁波又有区别，它的频率极高，具有奇特的粒子性。 随着激光技术的发展，激光通信也出现了两种方式：一是“有线”的光纤通信；二是“无线”的大气激光通信。这两种通信方式都具有自己的保密特性。 光纤通信是使光信号在极细的玻璃丝光缆中传播，光缆深埋地下、江、河、海底或敷设在管道中，不易被发现和破坏，尤其是玻璃丝不向外辐射电磁波，不会招惹是非，使截获和侦听无可乘之机。即使碰巧被发现，它也不像金属导线那样容易“旁路”窃听；弄不好纤细的玻璃纤维竟会立即断成几节，散落四处，使侦听的企图落空，可谓“宁碎不泄密”。 大气激光通信中激光传输是一束平行而准直的细线，发散角小、方向性好，不像电磁波那样在空中到处乱窜，不掌握其传播方向是无法接收到它的信号的。即使发现激光通信信号，由于激光通信的频率极高，比微波的频率起码高１０万倍以上，用现代的电子设备无法侦听，难以截获和破译。 因此看来，激光通信具有天然的保密性，它将给军事通信事业开辟崭新而广阔的天地。

大气激光通信机基本参数测试

大气激光通信机基本参数测试 2011/08/19 【产品介绍】 此红外线传输设备为上海毅得通讯设备有限公司生产的AO-1系列，可以在300m 至4000m 之内保证高质量的宽带数据通信，通信速率为155Mb/s （11/13/14）和622Mb/s(12)，通信端机正面示意图如图1： Pin 探测器 口径 红光指示发射器 图1 通信端机正面示意图 通信端机背面示意图如图2： 尾纤 外置光源尾纤 显示区 PIN 探测器显示区 显示区域 接线区域 望远目镜 图2 通信机背面示意图

图2中， TX：外接光源指示灯，灯亮表示正常 PW：电源接通指示灯，灯亮表示正常 LD1：指示红光指示灯，灯亮表示正常 LD2：内置光源指示灯，灯亮表示正常，内置LD6dBmW（4mW），发散角为0.8mrad。 PIN探测器显示区显示1023为最小，显示0000为最大，155M动态范围为：-4~-30db。 电源红线接地，黄线接负极。 1.通信机信号光源发射端前功率 使用3Sigma功率计及PM3探头，因为通信机光源发射端面处的光斑直径比较小（小于PM3探头面积），且功率小于4mW ，故将光直接打在PM3探头上分别测量信号光源发射功率，测试结果如表1： 表1通信机信号光源发射端前功率 1号通信机相比2号通信机功率略小。 产品说明中提到内置LD的发散角为0.8mrad，在做整体实验前，我们需要对其进行测量。在科技楼12楼楼道内，将通信端机置于楼道一端，因激光器有一定的发散角，（假定激光器束腰在距发射端口较近的距离下，在相距40m的距离处形成一定直径的光场分布（初步估计约约3~4cm）。我们采用3Sigma功率计及OP-2功率探头（直径5mm）对此处光场分布进行测量。）。在试验时，距离发射机端口有近及远测量中，发现在约40m处，OP-2（直径5mm）探头接收到的功率最大，说明激光器的束腰在该位置。要想测得其发散角需要进行远距离测试。 2.1（2）号指示红光与2（1）号接收口径轴线夹角

激光通信技术简介

激光通信技术简介 日前，由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波，在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强，还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点，将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。 未来，空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术，并实现与地面光纤网络的互补，从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网，彻底颠覆现有的全球通信系统，成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好，世界!”这句看似普通的话，或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频，跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技术，传统的无线电传输则至少需要10分钟。 从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷，不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量，想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是，随着空间通信数据形式的不断丰富，单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求，易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。 曾几何时，人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信，将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后，利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信，可能还有点陌生，但如果一提到光纤通信，我想大家都耳熟能详。其实，光纤通信只是激光通信的一个具体应用，是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送，并在外太空等自由空间内进行信息传输，到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。

【CN109743106A】一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910158419.2 (22)申请日 2019.03.04 (71)申请人 兰州理工大学 地址 730050 甘肃省兰州市七里河区兰工 坪路287号 (72)发明人 曹明华　武鑫　王惠琴　彭清斌　 康中将　张伟　杨顺信　 (74)专利代理机构 兰州振华专利代理有限责任 公司 62102 代理人 董斌 (51)Int.Cl. H04B 10/11(2013.01) H04B 10/079(2013.01) H04B 10/548(2013.01) H04B 17/382(2015.01) H04B 17/391(2015.01)H04L 25/03(2006.01) (54)发明名称 一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方 法 (57)摘要 一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方 法，该方法发端引入FTN技术， 将QPSK信号转换成FTN信号，使符号速率大于Nyquist速率；收端利 用数字信号处理(DSP)技术，即CMA线性均衡器技 术，有效的补偿了引入FTN技术带来的码间干扰。 相对于传统的QPSK传输系统，FTN技术的引入有 效提高了大气激光通信系统的传输速率及频谱 效率，并且改善了大气激光通信系统的误码性 能，这对实际工程中移动通信系统的具体设计由 一定的参考价值。权利要求书2页 说明书7页 附图5页CN 109743106 A 2019.05.10 C N 109743106 A

1.一种适合于大气激光通信的FTN速率传输方法，其特征在于，发端引入FTN技术构建大气激光通信系统，使符号速率大于Nyquist速率，从而提高系统的传输速率；接收端利用数字信号处理技术，即CMA线性均衡器技术，能有效的补偿了由FTN技术带来的码间干扰，实现了系统频谱效率的提高；计算湍流信道下FTN传输系统的平均误码率。 2.根据权利要求书1所述的大气激光通信的FTN速率传输方法，其特征在于，其步骤为：步骤1：在发送端，X、Y两路二进制信息序列首先被分别映射成QPSK信号x n 和y n ，再经FTN 成形滤波器后生成FTN信号x FTN 和y FTN ； 其中，x n 、y n 分别为独立的复数符号，g(t)为信号脉冲波形， 且k＝0,±1,±2,…，τ(0＜τ＜1)为加速因子； 步骤2：两路FTN信号分别通过IQ调制器调制到激光上形成x(t)、y(t)两路偏振信号，再经偏振耦合器耦合后s(t)由光学天线发出； 步骤3：假设光学接收天线接收的两路接收信号分别为r x (t)、r y (t)；两路光信号与本振光信号r LO (t)分别经过2×4 90°混频器、光电平衡探测器后形成四路电信号；将四路信号分别合并成r 1(t)、r 2(t)两路复数信号， 再经匹配滤波器后分别进行ADC采样得到 其中，E s 为脉冲能量，P t 为平均发射光功率，P LO 本振光光功率，h为光强衰落系数，η为光电转换系数， X、 Y两路信号噪声的相关性可表示为： 对于噪声信号 其方差为其中，G(f)为g (t)的频谱函数；假设理想情况下匹配滤波器完全匹配，则 步骤4：将采样后的信号送入DSP模块进行处理，并恢复出用户信息，其中，均衡器采用CMA线性均衡器，主要目的是补偿合并后复信号间的码间干扰；经CMA均衡器输出判决变量 为： 权　利　要　求　书1/2页2CN 109743106 A

激光雷达探测大气气溶胶研究进展

激光雷达探测大气气溶胶研究进展 周军 （中国科学院大气成分与光学重点实验室，合肥市230031）摘要本文分析了米散射（Mie）激光雷达、拉曼（Raman）激光雷达、高光谱分辨激 光雷达（HSRL）及偏振（Polarization）激光雷达在大气气溶胶探测研究中的特点及其应用进展。随着激光技术、光学机械加工技术、信号探测与采集技术的发展和新的探 测原理与方法的涌现，大气气溶胶探测激光雷达取得了长足的技术进步。激光雷达由 单波长单功能向多波长多功能发展；由仅仅夜晚探测向白天夜晚连续探测发展；由需 要人工干预向着无人值守自动化运行发展；由实验室的研究设备型向商业化产品型转 化。对于大气气溶胶光学参数、微物理参数和气溶胶分类的探测研究，需要定量地获 取多波长大气气溶胶消光系数、后向散射系数及退偏振比等光学参数，如2α（355nm，532nm）+3β（355nm，532nm,1064nm）+2δ（355nm，532nm）等。为此，研制被称 之为Next generation aerosol lidar的多波长Raman/HSRL-Mie-Polarization激光雷达系统为激光雷达界所关注。为了适应区域性和全球气候与环境变化对大气气溶胶三维空间 分布和时间演变资料（4D）的需求，近些年来，先后建立了区域性的地基大气气溶胶激光雷达观测网（如EARLINET、AD-Net等）。国际气象组织（WMO）正在此基础上组建全球大气气溶胶激光雷达观测网,G AW A esosol LI dar O bservation N etwork (GALION)。同时，气溶胶激光雷达的支撑平台也由地基向机载（如国家航空遥感系统）和星载（如CALIPSO）方向发展。 关键词激光雷达、大气气溶胶、气溶胶观测网 1. 气溶胶激光雷达的功能 2008年10月世界气象组织（WMO）发布的GAW Report No.178《Plan for implementation of the GAW Aerosol Lidar Observation Network GALION》文件中明确地给出了各种类型的激光雷达探测大气气溶胶的功能[1]，如表1所示。 表1.各种类型的激光雷达探测大气气溶胶（云）的功能。

激光雷达在军事中的应用

激光雷达在军事中的应用 摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状．Laser rader’s character was briefly introduced in this essay.Besides,its elementary physical fundamental was also introduced as well al its use from military field. 关键词：激光雷达；探测；军事应用 1引言 激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式即为直接探测和外差探测。它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点． 根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad ，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。 激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响． 由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好．激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动性能显然要好得多． 任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达．激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。用激激光器作为辐射源的雷达。 2. 用干战场侦察的激光雷达 众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息． 例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW ，显示屏幕的像素为64

激光通信技术1解析

激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮，许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、财力和物力，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳气体激光器、YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等。二氧化碳气体激光器输出激光波长为10.6μm，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信用光源。与激光大气通信技术研究基本同步展开的还有光纤波导通信，从而在技术上形成了激光通信中与传统通信相对应的激光无线通信（激光空间通信）和激光有线通信（激光光纤通信）。 1975年，世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国芝加哥开通，揭开了光纤通信应用的序幕。此后，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信从80年代起在全世界掀起了应用的热潮，并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的发展和推广应用。与此同时，激光大气通信技术由于器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素一时得不到很好的解决和弥补，便在轰轰烈烈的光纤通信热潮中，隐退得几乎无影无踪。 1.存在的主要问题 一段时间以来，激光大气通信技术之所以难以得到应有的发展和推广应用，存在的主要技术问题是： 对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题;大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，其结果使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响，有许多技术工作要做；

驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件的制作；灵敏度高、噪声特性好，适合于常温环境下工作的接收器件的制作；体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作；背景噪声的滤除技术问题；如果采用窄带光滤波技术，又是存在激光器的频率稳定技术；在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用，自动跟瞄技术也很关键。上述可归纳为：解决全天候、高机动性和高灵活性稳定可靠工作问题。 2.悄然复兴的激光大气通信技术 激光问世后，将激光应用于通信的想法就随之产生了。在国际上，美国、英国、日本、前苏联等国家，广泛开展了对激光大气通信的深入研究。 然而，进入80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了进一步研究。有的国家甚至还宣布了走激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”。尽管如此，国内外仍有单位和人员始终在坚持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。 1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了该公司研制的一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。1989年美国FARANT1仪器公司成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统。1990年，美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信，这种通信系统完全符合战术任务的要求，通信距离为5~2km。如果对光束进行适当处理后，通信距离可达5~10km。

激光大气信道

激光大气信道相关总结 1、大气对信道传输的影响 激光在大气中传输主要受到两个方面因素的影响：衰减效应、湍流效应。其中，衰减效应主要影响激光信号的功率，使到达接收端光信号的功率降低，作用方式包括：吸收、散射、折射、反射等。湍流效应主要由大气的不规则随机运动引起，影响光信号的质量，对光信号的相位、强度分布以及光斑的位置等都有较大影响，主要表现形式包括：光束漂移、扩展、闪烁以及到达角起伏等。 1.1衰减效应对激光通信的影响 衰减效应主要由大气分子、气溶胶以及空气中的微小颗粒物产生，包括吸收、散射、反射、折射的等，是大气的固有属性，可采取相应的措施进行有效的规避或补偿。 （1）吸收 作用机理：激光穿过大气时，大气中的分子在光波电场的作用下被极化，并以入射光的频率做受迫振动，使部分辐射的光能转换成气体分子的内能，消耗了光波的能量，形成吸收效应。（经相关研究表明，气溶胶粒子由于直径较大，对光的吸收作用不明显） 作用特点：使激光功率衰减，但不改变光束的质量。 决定因素：分子对光波能量的吸收由分子结构、浓度和吸收光频率所决定，不同的气体分子对不同频率的光吸收的能力不同，具有一定选择性。 衰减规律： Pλ,x=P(λ,0)exp?[?kλx] kλ----吸收系数； x----传输距离； 大气窗口:大气对某些波段光波的吸收较弱，透过率较高，称这些透过率较高的波段为大气窗口。 由于大气是不同分子的复杂混合体，且气体分子的浓度还随着海拔的变化而变化，并考虑散射等因素影响，通过统计分析，地球大气的透过率如下： 图 1-1 不同波长激光在大气信道中传输的透过率

（2）大气散射 散射是光在传播过程中遇到微小粒子，使其传播方向发生改变的现象，是电磁波在大气微粒作用下的衍射效应造成（只有当微粒的直径小于或相当于辐射波长时才会发生明显的作用）。其结果会使光在原传播方向上的能量减小，影响光斑形状和光强分布。常用的散射模型：瑞利散射、米氏散射、无选择性散射。 大气散射的效果主要表现为两个方面：减小在传播方向上的光能量、改变光斑内的强度分布，使光斑内部有明暗之分。 瑞利散射： 产生条件：散射微粒直径远小于波长时产生，也称作气体分子散射（10?8cm量级）。对波长小于40nm的光波作用明显作用比较明显。（大气分子（0.1nm）；可见光（400～760nm）；近红外短波（780~1100nm）；近红外长波（1100~2526nm））主要作用粒子：大气分子。 特点：散射粒子较小，散射光分布较均匀，对波长小于40nm的光波才作用明显比较明显。随着散射分子半径增大，散射增强；随着波长的增大，散射减弱。由此可以推论，可见光比红外光散射强烈，蓝光比红外光散射强烈（形成蓝色天空）。 经验公式： σm=0.827×N×A3/λ4 A——散射元横截面积(cm2) N ——单位体积内分子数(cm?3) λ——光波波长(μm) T——表示热力学温度 图1-2 散射强度与波长的关系 米氏散射： 产生条件：当空气中粒子的直径大于入射光的波长或者和光的波长可以比拟的时产生，粒子对入射光散射后的散射光分布比较复杂且不对称，瑞利散射不再适用。 作用粒子：云、雾、雨、雪等气溶胶粒子以及雾霾等微小粒子。 特点：散射光角度分布较为复杂，并且随着粒子直径的增加，散射光集中的角度也越来越窄。（对光信号的影响也相对更大）

激光雷达在大气环境监测中的应用

激光雷达在大气环境监测中的应用 鲁岸立sc12002044 摘要：本文介绍了RAMAN激光雷达、多普勒激光雷达、MIE激光雷达的工作原理。并讨论了它们在气象和环境监测中的应用。 1.RAMAN激光雷达 RAMAN散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。散射光频率的改变 v~因入 r 射光和受作用的分子不同而异。分析该散射光的频率和强度的光谱图可以得到大气分子的相关信息,所以Raman 散射激光雷达可以用来测量环境中某种污染气体的浓度分布,接收系统用的是光谱分析仪,以便接收污染分子散射的不同Raman 散射波长的回波信号。 图1 RAMAN激光雷达结构原理图

图2 典型的污染物分子相对于激光频率的振动-转动拉曼散射频率 变化 在实验中用RAMAN激光雷达测量了羽油烟和机动车尾气的组成成分。RAMAN激光雷达使用的是波长337.1nm的激光作为探测光。首先给出正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图。 图3 正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成 分的光谱图 图3中每个箭头对应一特定分子的拉曼散射线的中心波长。正常大气中的主要成分包括N2,O2,水汽分子，CO2在光谱图中可以方便的检测出来。 在得到正常大气气体的光谱图之后，用激光雷达337.1nm波长激光分析羽油烟气体和机动车尾气中各种成分的拉曼频移，从而得出羽油烟气体具体组成。

图4 羽油烟气体中各组分分子的拉曼光谱图 图5 机动车尾气中各组分分子的拉曼光谱图 由探测结果可以看出，羽油烟气体和机动车尾气中除了包括N2,O2,水汽分子，CO2 还探测到了SO2,CO,H2S等有害气体。 RAMAN激光雷达不仅可以检测分析污染气体成分，还可以进行气溶胶探测。中科院安徽光机所在原有的一台Mie散射激光雷达的基础上，增加了一个