大气激光信道模型

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用于大气激光通信的数字图像水印研究

ｌｚｄｙｅ．ＴｅＧａｓｉｎｎｉｅｃａｎｌｍｏｅｓｐｅｅｔＡｒｂｓｍａｅｗｔｒｒｌｏｔｍｓｐｏｏｅａｅｎｈｕｓａｏｓｈｎｅｄｌｉｒｓｎ．ｏｕｔｉｇａｅｍａｋａｇｒｈｉｒｐｓｄｂｓｄｏｉ
ＡｂｓｒｃＴｈｎｕｎｅｏｔｓｈｒｃｔｅａｉｎａｄｔｒｌｎｅｏａｅｒｎｍｉｓｏｒｒｆｕｌｎ — ｔａｔ：ｅｉｆｅｃｆａｍｏｐｅａｔｎｕｔｏｎｕｂｕｅｃｔｌｓｒｔａｓｓｉｎａｅｐｏｏｎｄｙａａｌｉ
（．ｏｅｅｏｌｔｎｓｎｎｏｍｔｎＥｇｅｒｇｈｎｃｕｎｖｒｉｆｃｅｃｎｅｈｏｏｙｈｎｃｕ３０２Ｃｉａ１ＣｌｇｆｅｒｉｄＩｆａｉｎｉｅｉ，ＣａｇｈｎＵｉｅｔｏｉｅａｄＴｃｎｌ，Ｃａｇｈｎ１０２，ｈｎ；ｌＥｃｏｃａｒｏｎｎｓｙＳｎｇ
摘
要：过分析大气衰减和大气湍流，通可认为大气信道模型是高斯噪声信道，出了结合多提
小波ＳＩＴ和低密度奇偶校验码（ＤＣ）ＰＨＬＰ的数字图像水印算法作为联合信源信道编码用于大气激光通信．算法利用了多小波ＳＩＴ算法的信源编码高效性、棒性和ＬＰ该ＰＨ鲁ＤＣ码的低误码性能，根据信源编码后数据在重建时的重要程度，行不同等纠错保护的信道编码．真结果表明，加性进仿在高斯白噪声（ＷＧ信道中采用ＰＭ调制方式，ＡＮ）Ｐ信噪比为１ｄ４Ｂ时，经过大气激光信道恢复出的水

第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤

I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 则可由实际测量得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 2 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，
造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的
散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半
径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。
3
4
(2.1-6)
式中
m为瑞利散射系数（cm-l）；
N为单位体积中的分子数（cm-3）；
A为分子的散射截面（cm2）；
为光波长（cm）。
m 0.827 N A /
3
4
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大于红光散射： • 在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。 • 而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长，蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光呈黄红色。
(2)散射的类型
瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射
大气分子的半径是10-4 m量级的，在可见光（0.4-

大气无线激光通信心疼

无线激光通信概念图光学接收机
激光器
调制器
发射机光学天线
接收机光学天线
调制器激励器光信号
无线电接收机
编码器已还原信号信息信息信号
解码器
因此ATP是光通信成功的关键所在。使之始终保证双方处于对准状态。光天线在接收到光信号之后，经过光学分束，信标光的一部分至粗对准探测器，输出信号由粗对准控制，驱动粗对准机完成粗对准，信标光的另一部分经精对准机构，分光片至精对准探测器，由精对准控制器控制精对准机构王城双方的精确对准和跟踪，信号有信号探测器检测。在发送端和接收端各有一个光收发信机，将需要传送的信息调制到激光信号上，通过大气信道传输到接收端。由于大气对光信号具有衰减效应，大气湍流还会引起光斑的漂移，因此在收发端机用自动跟踪瞄准系统来修正大气湍流残剩的光斑漂移，但是由于大气中存在多种随机现象，接收机检测到的关心好会有强度的起伏和光斑中心的随机抖动。而对于短距离激光通信我们也可以采用望远镜, 2.光发射机主要包括激光器，调制解调器，核心是激光器。激光器需要两只，一只是信标激光器，一只是信号激光器。信标激光器用作ATP系统，信号激光器具有良好的光束质量和频率响应。激光器的波长应该选择比较成熟的技术，具有良好的可靠性。 3.接收机主要包括光探测，低噪声前置放大和信号处理电路。光探测器的主要功能是（1）探测对方发过来的信标光，确定信标光的位置，计算位置误差信号，驱动ATP单元，校正接收天线的方向和完成天线的粗对准。（2）在粗对准完成之后，利用信号光在四象限探测器上的位置，由ATP系统完成双方天线的精对准和跟踪。（3）探测双方发过来的光信号，解调出有用的信息 4.信号源的信号可以是语音，图像和数据以及视频，经过编码后，调制为双方约定的格式，有天线发射出去，编码可以采用开关键控，相位调制编码ppm等 5.通信信道大气中的各种自然现象会对光信号的传输照成影响，但他们会对不同波长的光照成的影响不一样，所以选择合适的波长的光来保证光信号传输足够远的距离。这里窗口就是在介子中合适某段激光传送的波段。

大气激光信道模型ppt课件

喇曼散射
• 米耶散射又称微粒散射散射粒子线度与波长同量级
瑞利散射
• 波长四次方反比 • 强度随方向改变 • 散射光偏振度与观察方向有关
I
(2 )2 4R2
(n 1)2
Байду номын сангаас
V N1
I0 (1 cos2 )
米耶散射
• 针对球形质点粒子 • 存在吸收 • 散射光强度随粒子尺度改变 • 散射光偏振性随粒子尺度改变 • 近似处理气溶胶粒子散射
c2
1.92Cn2z3(2a0 )1/3
• 光束漂移是一种0.1~10Hz的低频率抖动
光束漂移
• 束心位移概率密度
P(c )
c
2
e
c2 2
s2l
2
I0
c sl
2
• 漂移引起的光强起伏概率密度
(P)
a2
2
P0 P
a2
2
Pe
s2l
2
2
I0
a2
2
P0
ln
P0 P
到达角起伏
• 由于氮、氧、臭氧分子的吸收作用，λ＜0.3μm紫外光和λ＞20μm 红外光被大气吸收
• 激光在大气中传输时，吸收带中透射率较高的波段，形成大气窗口
• 可见光、1μm 、3~5μm 、8~12μm 是常用的大气窗口
大气散射模型
弹性散射
• 瑞利散射又称分子散射散射粒子线度在1/10 波长以下
2
4.787/8 (sec )11/6
hA hT
Cn2
(h)h5
/
6dh
• Rytov 近似下
2
ACn2k07/6 z11/6

面向激光通信的大气随机信道分析与研究

ｉｓｗｉｅｂｎｗｉｔｔｄａｄｄｈ，ｓｌｓａｅａｄｈｇｅｒｃ．Ｉａｍｐｒａｔｍｅｎｎｎｄｐｏｓｎｒｓｅｔｍａｌｃｌｎｉｈｓｃｅｙｔｈｓｉｏｔｎａｉｇａｒｍｉｉｇｐｏｐｃ．Ｃｈｒｃｅｓｉｓａａｔｒｔｃｉｏｐｃｔｓｈｒｃｒｎｄｍｈｎｅａｅｉｌｔｄｅｆｓａｅａｍｏｐｅａｏｃａｎｌｈｓｂｅｎｍａｎｙｓｕｉｄ，ｅｐｃａｌｈｆｅｔｏｈａｄｍｈａｎｌｔａｅｉｓｅｉｌｙｔｅｅｆｃｆｔｅｒｎｏｃｔｈａｎｌｗａｕｌ，ａｄｔｅｆｃｌｉｌｔｏｓｄｎｙｃｍｐｔｒｈａｕａｒｏｄｌｏｈｅｃｎｅｓｂｉｔｎｈａｕａｓｍｕａｉｎｗａｏｅｂｏｕｅ，ｔｅｆｃｌｅｗｅｅｃｍｐａｅｔｒｄｗｉｈｔｅｐｔ．Ｗｅａａｙｅｔａｔｒｈａｋｈａｅａｖｒｏｒｔｅｌｓｒｔｏｇｔｓｈｒ．Ｗｉｈｔｉｙ－ｈｈｏｏｎｌｚｈｅｆｃｏｓｔｔｍａｅｔｅｌｓｒｂｅｍａｉｕｓｆｈａｅｈｒｕｈａｍｏｐｅｅｏｔｈｓｓｓ
Ｋｅｒｓ：ｗｉｅｅｓｏｔｃｃｍｍｕｉａｉｎ；ａｍｏｐｒａｄｍｈｎｅ；ｒａｍｅｓｏｎｙｗｏｄｒｌｓｐｉｏｎｃｔｏｔｓｈｅｅｒｎｏｃａｎｌｅｈｉｈｗｉｇ；ｌｓｒｂａａｅｅｍ

大气信道对激光信号传输的影响以及MATLAB仿真

是Ｈ’ Ｃ２Ｏ，２０，Ｏ，３Ｏ以及少量的Ｎ０，ａ和Ｃ２ｃ，Ｏ。
［］
㈩
在紫外线（．一．０２ｍ０４ｍ）的０ｍ０６．～．ｍ间存在氧的弱吸２２
收，主要的吸收来源于臭氧，．～．ｍ是它的强吸收带。可见光Ｏｍ０６３３
射的误差ｎｌ＜％。
当空气中气体的分子大于入射光的波长或者和光的波长可比拟的时候，产生米氏散射，因此米氏散射理论与实际上是对气溶胶散射的一种较好的近似。米氏散射的系数由下式确定：
』（）ｒ（，ｖｒ叮ｍ）ｒ（）３
１无线激光通信在大气信道中的衰减
部温度、压强等参数的随机变化引起大气密度的随机变化，导致激光信
号在大气中传输时产生两种效应，一是使得光在大气中传输时，波阵面
产生随机畸变，传播方向发生随机偏转；二是在观察平面上产生光照度随
一
般而言，于半径ｒＯ３对＜．ｍ的粒子，０波长在１ｍ附近，瑞利散
低，施工简便、迅速，它结合了光纤通信和微波通信的优势，已成为一种
新兴的宽带无线接入方式。但是自由空间光通信是以大气信道为传输媒介的，而大气的特性很复杂，会对传输的激光产生吸收、散射、湍流的效应，因而有其自身的缺点，以研究大气对激光传输的影响成为关键。所
”孚３
６ｐ［ — 手＋一一＝【７３西３￣
Ｊ］
¨ （１，）
（）２
其中，ｎ为粒子的折射率；Ａ为激光的波长；＾为粒子数的密度。（）

自由空间光通信系统信道模型建立方法

自由空间光通信系统信道模型建立方法自由空间光通信系统的主要信道特性包括路径损耗、大气衰落和大气湍流等。

路径损耗是指光信号在传输过程中由于能量扩散和散射而导致信号功率逐渐减小的现象。

大气衰落是指光信号在通过大气层时受到大气分子的吸收、散射和折射等影响而导致信号强度波动的现象。

大气湍流是指大气层中存在的湍流现象对光信号传输造成的相位扰动，从而导致信号相位波动的现象。

根据以上信道特性，可以采用数学模型来描述自由空间光通信系统的信道。

首先，路径损耗可以使用功率衰减模型来表示，其中包括自由空间传输损耗和反射损耗。

自由空间传输损耗主要与传输距离相关，可以使用距离的幂律关系来描述。

反射损耗主要与信号的入射角度和反射系数相关，可以使用反射系数和反射角度的余弦平方关系来表示。

大气衰落可以采用大气传输模型来描述。

大气传输模型包括了大气吸收、散射和折射等因素对信号强度的影响。

常用的大气传输模型有Beer-Lambert定律和Mie散射理论等。

Beer-Lambert定律描述了光信号在大气中的吸收衰减规律，而Mie散射理论描述了光信号在大气中的散射过程。

大气湍流可以使用相位结构函数来建立模型。

相位结构函数描述了光信号相位波动的统计特性，可以通过大气湍流的相关参数来计算。

常用的相位结构函数模型有Rytov模型和Kolmogorov模型等。

这些模型将大气湍流的统计特性与光信号相位波动之间建立了数学关系，可以用于分析大气湍流对光通信系统性能的影响。

通过以上建模方法，可以建立自由空间光通信系统的信道模型。

这些模型可以帮助我们准确地预测系统性能，并为系统设计和优化提供理论依据。

此外，信道模型的建立还可以帮助我们研究光信号传输过程中的噪声、干扰和误码率等问题，为系统性能的提升提供指导。

自由空间光通信系统信道模型的建立方法是通过对系统中的主要信道特性进行建模，以数学模型的形式描述信道的传输特性。

这些模型可以帮助我们理解和分析系统性能，为系统设计和优化提供指导。

大气激光通信

大气激光通信技术及应用摘要：大气激光通信其载波光信号通过大气作为传输信道完成点到点或点到多点的信息传输，并采用半导体激光器为光源，所构成的通信系统为无线数字通信系统，主要用于固定点使用，也可用作应急抢通，其潜在的应用领域是在数据网、电话网、微蜂网及微微蜂窝网的入网应急设备及不便敷设电缆及光缆的近距离场合。

大气激光通信设备具有无电磁干扰、组网机动灵活、安装维护方便、通信可靠性高、保密性好、性能价格比优等优点，可传输多种速率的数据、话音、图像，具有广阔的应用前景。

随着技术的不断完善和新器件的不断出现，大气激光通信技术已成为当今信息技术的一大热门技术，其作用和地位已能和光纤通信、微波通信相提并论，是构筑未来世界范围通信网必不可少的一种技术。

本文主要论述大气激光通信的基本原理、关键技术及其发展现状和应用领域。

关键词：大气激光通信、军事应用、激光器、通信系统大气激光通信技术即无纤光通信技术，是近年来出现的一种新兴技术。

1、激光传输大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信，可传递语音以及进行计算机间数据通信。

受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。

接收是另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再将这一光信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。

当传递数据时进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统，它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。

其中含有接口电路，它的作用是将计算机与调制解调器连接起来，使之能同步、协调工作。

调制器的作用是把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形通信使激光器发光，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器发射总功率。

一种大气激光通信信道测试系统的设计

一种大气激光通信信道测试系统的设计冯杰;徐林【摘要】介绍了一种大气激光通信信道测试系统的设计方案,并使用该系统在桂林进行了长期的大气信道测试.通过对测试数据的处理分析,给出了天气状况与FSO设备通信质量的关系.%A testing system about laser atmospheric transmission characteristics for free space optical communication (FSO) is introduced in this paper. Using the system, a long-term laser atmospheric transmission characteristics test was completed. The testing data is analyzed and the relation of weather status and FSO communication quality is present.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】3页(P51-53)【关键词】FSO;大气激光通信;信道测试;环境指标【作者】冯杰;徐林【作者单位】总参信息化部驻桂林地区军事代表室,广西桂林541004;中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TN929.120 引言大气激光通信是一种无需光纤进行通信的方式，是现代光纤通信技术与无线电通信技术的结合。

大气激光通信不使用光纤等导波介质，直接利用激光在大气环境中进行信息传递。

它与其它无线通信技术相比具有带宽大、抗电磁干扰能力强、对其它传输设备不干扰、保密性强、小型化、成本低、安装便捷、使用方便等优点，因此在目前的高科技通信领域已引起了各国的高度重视。

虽然大气激光通信技术具有上述的种种优点，但由于其传输信道是大气，易受雨、雪、雾、霾、云、尘埃、大气湍流等各种环境影响，造成大气激光通信系统的稳定性较差，例如在晴天通信距离能达到5km的大气激光通信系统，大雾时可能连1km也无法保证。

大气激光通信123

m
m
a
大气湍流信道
湍流结构常数C n
2
描述大气光学湍流强度
白天,太阳辐射增温,地温高于气温,大气处于不稳定
层结,热量向上传递,动力湍流能量加强,C 2 较强 n
夜间,地面冷却,气温高于地温,大气处于稳定层结状
态,湍流能量较弱,C 2 也较小 n
转换时刻(日出后1小时和日落前1小时)地面温度
和大气温度大约相等,此时湍流最弱

总结
大气激光通信系统使用大气作为传输信道，其性能和大气的传输性能密切相关，因此我们着重分析了大气通道对激光束的衰减作用以及大气湍流对激光束传播的影响，并简要介绍了大气通信的关键器件，大气激光通信的调制技术，以及大气激光通信系统的构成与应用。本课题重点大气对激光束传播的影响大气信道的特点本课题难点大气衰减，激光束传输损耗，激光束的准直与扩束原理
红宝石激光器,氦~氖激光器, CO2激光器(10.6um,大气信道传输的低损耗窗口) 和Nd :YAG激光器
低谷:(20世纪70~80年代)
①
② ③
受气候条件影响大大气湍流光纤通信的发展(但在军事反面存在巨大潜在应用)
复苏:(20世纪90年代~至今)
1988年,巴西,便携式半导体激光大气通信系统.(双筒望远镜)。（1km） 1989年,美国,短距离、隐藏式大气激光通信系统。 1990年，美国，紫外光波通信系统。(2~5km)
快速业务开通
其他特殊场合军事应用
八、大气激光通信面临的问题
(大气信道本身的特点）
对大气信道衰减大以及衰减随机变化量大的
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，使接收斑产生所谓的闪烁现象和飘移现象

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弹性散射瑞利散射又称分子散射散射粒子线度在1/10 波长以下喇曼散射米耶散射又称微粒散射散射粒子线度与波长同量级
瑞利散射
波长四次方反比强度随方向改变散射光偏振度与观察方向有关
(2π ) 2 2 V Iθ = 4 2 (n 1) I 0 (1 + cos 2 θ ) N1 λ R
当 2ω ≈ l 时当 2ω l时
光束漂移
均匀各向同性弱起伏大气 Markov 近似束心漂移位移方差
2 σ ρ =< ρc2 >= 1.92Cn2 z 3 (2a0 ) 1/ 3
光束漂移是一种0.1~10Hz的低频率抖动
光束漂移
束心位移概率密度
ρc P( ρc ) = 2 e σρ
2 2 ρc + ρ sl 2 2σ ρ
2 c 2 c
σ 02
2v
(1 e 2 vz )
等晕角
θ 0 = 0.058λ 6 / 5 (cos γ )3/ 5 ∫ Cn2 (h)h5/ 3dh
2 3/ 5
0
θ1 = θ 0 (1 e 2 vz ) / vz
到达角起伏
均匀各向同性弱起伏大气到达角起伏概率密度
θ P (θ , z ) = 2 e σc
Rytov 近似下
2 σ χ = ACn2 k07 / 6 z11/ 6
光强闪烁
对数强度起伏方差
σ
误码率
2 ln I
= 4σ χ
2
1 BER = erfc 2
4 2σ
2 ln I
�
米耶散射
针对球形质点粒子存在吸收散射光强度随粒子尺度改变散射光偏振性随粒子尺度改变近似处理气溶胶粒子散射霾,云滴,冰晶,冰雹,雪花
s = π ∫ Qs ( x, n)n(r )r 2 dr
0
∞
大气湍流模型
光束宽度 ω 与湍流尺度 l 的相对大小相关
当 2ω
l时
光束漂移到达角起伏光束扩展光强闪烁
大气窗口
碰撞加宽和多普勒加宽形成综合加宽,大气通过综合加宽线型吸收光谱由于氮,氧,臭氧分子的吸收作用,λ<0.3m紫外光和λ>20m 红外光被大气吸收 m 激光在大气中传输时,吸收带中透射率较高的波段, 形成大气窗口可见光,1m ,3~5m ,8~12m 是常用的大气窗口
大气散射模型
Pχ ( χ ) = 1 2πσ χ
( χ < χ > ) 2
2 2σ χ
σ χ < 0.3
e
A χ = ln A0
光强闪烁
5~20km,γ<60°,红外和夜间弱起伏大气对数振幅起伏方差
σ χ = 4.78λ
2
7 / 8
(sec γ )
11/ 6
∫
hA
hT
2 Cn (h)h5 / 6 dh
大气激光信道模型
大气吸收模型大气散射模型大气湍流模型
大气吸收模型
比尔定律
I (v, z) = I 0 (v)e(α + s ) z
吸收系数 α 由分子吸收光谱决定完整描述分子吸收特性应包括: 光频率分子谱线线型光强度
分子吸收谱线
线型函数 g (v, v0 )
气体分子谱线加宽机理谱线加宽均匀加宽自然加宽碰撞加宽非均匀加宽多普勒加宽
θ 2 +θ12 2 2σ c
θθ1 I0 2 σc
到达角起伏光强分布
% P0 σ ρ %) = ( P e 2 % % σ ρ P0 P a
2
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a2
θ12 2 2σ c
2a 2 ln( P / P)θ 0 1 I0 2 σc
光强闪烁
均匀各向同性弱起伏湍流大气闪烁概率分布对数正态分布
ρc ρ sl I0 2 σ ρ
漂移引起的光强起伏概率密度
% a 2 P0 σ ρ2 % % ρ ( P) = 2 Pe % σρ P
a2
2 ρ sl 2 2σ ρ
% a2 P0 I 0 2 P0 ln % σ ρ P
到达角起伏
到达角起伏方差
σ =< α >=