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引用本文：李晓龙，蔡岳丰，闫宝罗，等.湍流环境下组阵收发的深空激光通信系统性能[J].光通信技术，2020,44(10):20-23.湍流环境下组阵收发的深空激光通信系统性能李晓龙蔡岳丰闫宝罗李昌瑾刘海锋!，2,林炜！，2,刘波i，2*,吴继旋3 "1.南开大学现代光学研究所，天津300350$ 2.南方海洋科学与工程广东省实验室，广东珠海519000$3.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387)摘要：为了探究大气湍流对深空激光通信的影响，从理论上讨论了 Gamma-Gamma分布的大气信道模型和抑制大气湍流的手 段。
建立了基于组阵收发的深空激光通信系统模型，对不同湍流条件下的系统误码率进行仿真。
仿真结果表明：在信噪比为20 +B时，弱湍流环境的下行链路通信误码率比强湍流低4个数量级;大气湍流强度增强时，系统的通信误码率增大;在同等湍流强度下，大气湍流对于上行链路通信性能的影响比下行链路更大。
关键词：深空环境；空间激光通信；大气湍流;组阵收发;误码率中图分类号：T N929.12文献标志码：A 文章编号：1002-5561 (2020) 10-0020-04D〇I:10.13921/ki.issn1002-5561.2020.10.006 开放科学（资源服务）标识码（OSID): Performance of deep space laser communication system witharray transceiver in turbulent environmentL I Xiaolong1,CAI Yuefeng1,YAN Baoluo1,L I Changjin1,LIU Haifeng1，2,LIN Wei1,2,LIU Bo12；,WU Jixuan3 "1. Institute o f Modern OptiGS, Nankai University, Tianjin 300350, China; 2. Southern Marine SG ienG e and Engineering Guangdong Laboratory, Zhuhai Guangdong 519000, China; 3. College o f EleGtroniG and Information Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)_______________________________________________________________!"#$%__________________________________________________________Abstract:In order to explore the effect of atmospheric turbulence on deep-space laser communication, the Gamma-Gamma distributed atmospheric channel model and means to suppress atmospheric turbulence are theoretically discussed. A deep space laser system model based on array transceiver is introduced, and the system's bit error rate under different turbulence conditions is simulated. The results show that when the signal-to-noise ratio is 20 dB, the downlink communication bit error rate under weak turbulence is 4 orders of m agnitude lower than that under strong turbulence. When the intensity of a tmospheric turbulence increases, the bit error rate of t he system increases. At the same turbulence intensity, the influence of atmospheric turbulence on uplink communication performance is greater than that on downlink.Key words:deep space environment; space laser communication; atmospheric turbulence; array transceiver; bit error rate0引言目前，空间激光通信技术已经成功应用在星地、星际等多种激光链路中。
大气湍流对长程传输激光光场影响机理及多孔径相干合成抑制方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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大气激光通信系统的研究重庆理工大学文献综述文摘：激光信息在大气中的传输是大气光学领域最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和发展，介绍了大气激光通信的特点和应用。
以一种能实现计算机间通信（能传输语音和数据）的新型以太网接口大气激光通信系统为例，结合实验研究，介绍了该系统的发射机和接收机。
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终端光接收终端损耗特性激光I.激光通信概述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。
湍流大气中激光波束目标回波特性湍流大气中激光波束目标回波特性激光雷达技术是一种重要的远程目标检测手段，广泛应用于军事、安全、环境监测和自动驾驶等领域。
然而，湍流大气对激光波束的传播和目标回波产生了很大的影响，导致目标回波信号的损失和失真。
因此，研究湍流大气中激光波束目标回波特性具有重要的理论和实际意义。
湍流大气是由于气流混合和不规则温度分布引起的，它的特点是空间和时间上的波动和不稳定性。
当激光波束穿过湍流大气时，会受到湍流的折射、散射和吸收，导致波束的传输损耗和畸变。
湍流大气对激光波束传输的主要影响因素包括湍流强度、相关尺度、湍流内外尺度比例以及湍流脉动等。
这些影响因素的复杂性使得激光波束的传输特性变得难以预测和控制。
在湍流大气中，激光波束与目标交互作用后，会产生目标回波信号。
目标回波信号包含了目标物体的特征信息，如位置、形状、尺寸等。
然而，湍流大气中激光波束的传输损耗和畸变影响了目标回波信号的强度和形态，使得目标信号难以被准确捕获和分析。
因此，研究湍流大气中激光波束目标回波特性对于提高激光雷达系统的性能至关重要。
目前，研究者们对湍流大气中激光波束目标回波特性进行了广泛的研究。
一方面，他们通过数值模拟和实验验证的方法，研究了湍流大气对激光波束的传输损耗和畸变的影响规律。
另一方面，他们通过改进激光雷达系统参数、引入自适应光学技术、应用信号处理算法等手段，尝试对湍流大气中的激光波束目标回波进行增强和矫正。
研究结果表明，在湍流大气中激光波束目标回波特性受到湍流强度和相关尺度的显著影响。
随着湍流强度的增加，目标回波信号的强度减弱，信噪比下降。
湍流相关尺度的增加会增加目标回波信号的时间相关性，导致回波信号的畸变和模糊。
此外，湍流脉动也会影响目标回波信号的相位和强度分布。
针对湍流大气中激光波束目标回波的特性，研究者们提出了一些应对策略。
一是改进激光雷达系统的参数设计，如增加激光功率、优化激光发射波形、改进接收系统灵敏度等，以增强目标回波信号。
第38卷 第10期 激光与红外Vol .38,No .10 2008年10月 LASER & I N FRARE DOct ober,2008 文章编号:100125078(2008)1020974204・激光技术与应用・大气湍流对激光传输的影响武 琳,应家驹,耿 彪(军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003)摘 要:为了研究大气湍流对激光传输的影响,以大气湍流的激光传输效应为基础,建立了激光到达接收面的光强分布模型。
模型考虑了折射率结构常数、传输距离、发射面和接收面孔径以及湍流引起的光束展宽等参数,分析这些参数对接收面光强分布的影响,以此研究大气湍流对激光传输的影响,并提出降低湍流影响采取的措施。
关键词:大气湍流;激光传输;光强分布中图分类号:P401;P407.5 文献标识码:AEffect on Laser Propagati on i n the Atmospher i c TurbulenceWU L in,YING J ia 2ju,GENG B iao(Depart m ent of Op tics&Electrical Engineering,O rdnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China )Abstract:I n order t o study the effect on laser p r opagati on in the at m os pheric turbulence,the model of intensity distri 2buti on on the receiver p lane was derived based on laser p r opagati on in the at m os pheric turbulence .And the para meters like structural constant of at m os phere refracti on coefficient,p r opagati on distance,aperture of trans m itter and receiver p lane,and extended area caused by at m os pheric turbulence were analyzed which i m pact on laser intensity distributi on .This research focused on the effect on laser p r opagati on in the at m os pheric turbulence and p r oposes s ome methods t o restrain the influence of turbulence .Key words:at m os pheric turbulence;laser p r opagati on;intensity distributi on1 引 言大气湍流是自由空间光传输所面临的一个重要问题。
大气信道对无线激光通信的影响的开题报告一、研究背景无线激光通信技术是指利用激光束完成无线传输信号的通信技术。
相比于传统的无线通信技术，无线激光通信技术具有更高的传输速率、更小的系统时延、更高的带宽以及更强的安全性等优点。
由于无线激光通信技术在许多领域具有广泛的应用前景，因此越来越多的研究者开始关注无线激光通信技术。
然而，在实际应用中，大气信道对无线激光通信的影响是不可避免的。
在大气中，光线会受到强烈的散射、吸收等影响，从而导致激光的失真、传输损耗的增加等问题。
因此，研究大气环境对无线激光通信技术的影响，具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究内容本文将从以下几个方面进行研究：1. 大气对激光传输的影响大气对激光传输的影响是由于气体分子的散射和吸收所造成的。
因此，本文将分析大气对激光传输的影响机理，并探讨气体分子在不同条件下的散射和吸收特性。
同时，也将讨论大气条件下光束的传输特性，如激光在大气中的传输损耗、光束扩散、焦散等问题。
2. 大气条件下无线激光通信系统的特性本文将研究大气条件下无线激光通信系统的特性，包括传输距离、信噪比、位错率等性能参数的变化。
同时，也将探讨在大气条件下如何优化无线激光通信系统，提高通信质量。
3. 大气光学的研究进展本文还将介绍大气光学的研究进展，包括大气折射率的测量方法、大气光学模拟技术等，这些研究成果对于进一步研究大气条件下的无线激光通信技术具有指导和促进作用。
三、研究方法本文将采用实验与模拟相结合的研究方法，主要包括以下几种方法：1. 大气光学实验通过利用大气光学实验系统，测量大气条件下激光的传输性能，并分析大气对激光传输的影响机理，从而得到一些有价值的实验结果。
2. 数值模拟利用数值模拟方法，建立大气光学模型，对无线激光传输过程进行模拟，探讨大气对无线激光通信技术的影响规律。
3. 理论分析通过理论分析，对大气条件下无线激光通信技术的性能进行分析，提出相应的理论模型。
文章编号： １６７３－９９６５（２０１１）０５－４１３－０５大气湍流下无线光通信信道性能研究＊黄根全（北方雷达电子科技集团有限公司，西安７１０１００）摘 要： 无线光通信中大气湍流导致光信号在传输中产生光强起伏等现象，其影响成为无线光通信普及的一大障碍．基于大气湍流不同光强起伏信道模型，分别建立了弱、中及强湍流信道的中断概率与平均信道容量数学统计模型，研究了大气折射率结构常数和传输距离对湍流信道可靠性的影响．仿真结果表明，归一化阈值信噪比和通信距离的增加导致通信系统性能劣化．平均信道容量随着湍流强度的增大而降低，且随着接收机平均电信噪比增大，弱湍流下的信道容量增长速度明显大于强湍流．关键词： 无线光通信；湍流信道模型；中断概率；信道容量中图号： ＴＮ９２９．１ 文献标志码： Ａ 无线光通信具有大带宽、抗干扰能力强、保密性好等特点，而且体积小，易于架设撤收、不受地形限制，特别适用于视距条件下点对点的大容量数据传输，在军事和宽带接入网等领域具有很大的应用潜力．但由于大气中气体分子、水雾、雪和气溶胶的吸收、散射及大气湍流效应等，都将造成接收信噪比降低，传输误码率增大，影响通信系统性能［１］．湍流效应使光波参量在传输过程中随机改变，造成探测器上接收光强的闪烁不定相当于在接收机中引入一个噪声源，为信号的提取和还原造成很大的干扰，特别在强湍流的情况下影响非常明显，严重限制了系统的通信距离和容量［２］．大气信道模型的研究对于设计一个优良的无线光通信系统具有巨大的理论价值．Ｌ．Ｃ．Ａｎ－ｄｒｅｗｓ等人研究了大气信道湍流导致的光强起伏分布，包括对数正态分布及Ｇａｒｍｍａ－Ｇａｒｍｍａ分布［３］．文中在研究无线光大气信道特性时，主要考虑大气湍流效应带来的影响，分别给出了不同大气湍流强度范围的两种信道模型，在光强起伏概率分布基础上，推导了信道中断概率和平均信道容量计算公式，并进行了仿真研究．１ 大气湍流信道及系统模型大气温度、压力不均匀所引起的大气湍流效应导致接收面上的光强随时间和空间发生随机起伏，即“强度闪烁效应”．接收端光强的随机起伏是大气湍流效应的一个重要表现，也是影响基于直接检测的光通信系统性能的一个主要因素．目前业内已提出多种光强的概率密度函数模型，这些分布模型一般都包含着可调节的参量，也有着各自不同的适用范围．一般可用Ｒｙｔｏｖ方差σ２ｓ对光强起伏的程度进行分类［３］：σ２ｓ＜１表示弱起伏区，σ２ｓ≈１表示中等起伏区，σ２ｓ＞１表示强起伏区．为建模计算光强起伏强度大小，一般采用下式估算光强度起伏［４?５］为σ２ｓ＝１．２３Ｃ２ｎｋ７／６ Ｌ１１／６（１）式中：ｋ＝２π／λ为波数；Ｌ为系统传输距离；Ｃ２ｎ为大气折射率结构常数，其值与信号传输高度和大气风速相关，一般用Ｈｕｆｎａｇｅｌ－Ｖａｌｌｅｙ模型表示［４?５］为Ｃ２ｎ＝０．００５９４（ｖ／２７）２（１０－５ ｈ）１０ｅｘｐ（－ｈ／１０００）＋２．７×１０－１６ｅｘｐ（－ｈ／１５００）＋＾Ａｅｘｐ（－ｈ／１００）（２）第３１卷第５期２０１１年１０月 西 安 工 业 大 学 学 报Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３１Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１１＊收稿日期：２０１１－０５－２０作者简介：黄根全（１９７４－），男，北方雷达电子科技集团有限公司工程师，主要研究方向为雷达总体技术与通信技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｇｅｎｑｕａｎ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．DOI:10.16185/.2011.05.011式中：ｖ（ｍ／ｓ）为风速；ｈ（ｍ）为系统信号传输高度；＾Ａ取值决定于地面值Ｃ２ｎ（０）．Ｃ２ｎ值范围从强湍流１０－１２ ｍ－２／３到弱湍流１０－１７ ｍ－２／３变化，典型平均值为１０－１５ ｍ－２／３．对于大气无线光通信系统，其噪声主要包括背景光噪声和接收机噪声以及大气湍流引起的大气闪烁．相对于通信速率，大气湍流引起的光信号衰落是一个缓变过程，大气信道可看作为无记忆静态各态历经的时变信道．假设系统接收机采用ＡＰＤ探测器，由ＡＰＤ接收机的暗电流和热噪声引起的接收机信号计数的波动可用一个高斯随机过程来模拟［６］．大气信道等效的数学模型［７－８］为ｙ＝ｓｘ＝ηＩｘ＋ｎ（３）式中：ｙ（ｔ）为接收机接收信号；ｘ（ｔ）为发射信号；ｓ＝ηＩ为瞬时光强增益（即信道状态）；η为光电转换效率；Ｉ为归一化起伏光强；ｎ为零均值且方差为Ｎ０／２高斯白噪声．大气湍流导致的信号衰落可以假定为一个随机过程，在弱湍流情况下服从对数正态分布，在中?强湍流情况下，服从Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布．１．１ 对数正态分布信道模型弱湍流情况下，光强起伏符合对数正态分布，其概率密度函数（Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＰＤＦ）为ｐ（Ｉ）＝１２槡πσｓＩｅｘｐ－（ｌｎＩ＋σ２ｓ／２）２２σ（）２ｓ（４）式中：平均闪烁指数Ｉ已经归一化，σ２ｓ为Ｉ的对数起伏方差，也即Ｒｙｔｏｖ方差．归一化光强起伏方差称为闪烁指数σ２Ｘ，闪烁指数与Ｒｙｔｏｖ方差的关系为σ２Ｘ＝ｅｘｐ（σ２ｓ）－１当σ２ｓ １时，σ２ｓ约等于σ２Ｘ．σ２ｓ由大气状态及传输距离长度决定，数值越大表示闪烁越严重，一般σ２ｓ＜０．２～０．５［９］．Ｒｙｔｏｖ提出的弱湍流下光强的对数正态分布模型仅仅适合于大气湍流较弱时，在弱湍流条件下，闪烁指数随着Ｒｙｔｏｖ方差的增加而增加．当Ｒｙｔｏｖ方差大于临界值时，当湍流逐渐增强超过弱湍流强度时，散射指数逐渐增加，对数正态模型的统计值与实验值相差很大．１．２ Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布信道模型相对于对数正态分布模型，Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ光强起伏概率分布是一个双参数模型，其参数与大气湍流物理特性直接相关．与对数正态分布模型相比，Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ光强起伏概率分布适用范围更广，能较为准确的描述中强起伏区的光强起伏统计特征，而且在概率分布的尾端部分与数值模拟及实验结果更为吻合［１０］．其光强起伏符合Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布，其概率密度函数（ＰＤＦ）为ｐ（Ｉ）＝２（αβ）（α＋β）／２Γ（α）Γ（β）Ｉ（α＋β２）－１ Ｋα－β（２αβ槡Ｉ），Ｉ＞０（５）式中：Ｉ为光强；Ｋｎ（·）为阶数ｎ的第二类贝塞尔函数；Γ（·）为Ｇａｍｍａ函数．α和β大尺度散射和小尺度散射参数，在平面波情况，表示为α＝ｅｘｐ０．４９σ２ｓ（１＋１．１１σ１２／５ｓ）７／（）６－［］１－１β＝ｅｘｐ０．５１σ２ｓ１＋０．６９σ１２５ｓ５（）６－［］１－１（６）其中σ２ｓ为Ｒｙｔｏｖ方差，接收孔径为Ｄ＝０表示点接收器．２ 中断概率计算系统中断概率和误码率一样都是衡量通信系统性能好坏的重要指标．在无线通信中，由于信道时变，所以信道容量也时变，当信道容量小于信息速率时，会导致通信中断．中断概率是系统误码率大于预置误码率阈值的概率（Ｐｅ＞Ｐｔｈ），也可表示为接收机瞬时信噪比低于某一信噪比阈值的概率（γ＜γｔｈ）．中断概率为Ｐｏｕｔ＝Ｐ（Ｐｅ＞Ｐｔｈ）＝Ｐ（γ＜γｔｈ）（７）定义接收机瞬时电信噪比γ＝（ηＩ）２／Ｎ０，珔γ（ηＩ０）２／Ｎ０为不受大气湍流影响的信道平均信噪比［１０］．弱湍流情况下，光强起伏服从对数正态分布，由式（４）知瞬时信噪比ＰＤＦ表达式为ｐγγ槡烄烆烌烎－＝１２槡πσσｓγ珔槡γｅｘｐ－ｌｎγ珔槡γ＋σ２ｓ／（）２２２σ烄烆烌烎２ｓ（８）则中断概率为Ｐｏｕｔ＝Ｐ（γ＜γｔｈ）＝Ｐγ珔γ＜γｔｈ（）γ（９）由式（８）和式（９）可得Ｐｏｕｔ＝１－１２ｅｒｆｃ－０．５×ｌｎ（珔γ／γｔｈ）＋σ２ｓ／２２σ槡（）２ｓ（１０）中?强湍流情况下，光强起伏服从Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布，由式（５）和式（７）可得中断概率为４１４ 西安工业大学学报 第３１卷Ｐｏｕｔ＝∫γｔｈ／γ槡－０２（αβ）（α＋β）／２Γ（α）Γ（β）（Ｉ）（α＋β）－１ Ｋα－β（２αβ槡Ｉ）ｄＩ（１１）其中定义归一化阈值信噪比ＳＮＲ＝γｔｈ／珔γ［１１］．３ 中断概率仿真与分析文中在不同湍流强度条件下进行了信道中断概率与传输距离的仿真研究．仿真中激光波长λ＝１．５５μｍ，大气折射率结构常数取值为Ｃ２ｎ＝５．０２×１０－１５ ｍ－２／３（弱湍流）、８．０４×１０－１４ ｍ－２／３（中湍流）及１．２６×１０－１２ ｍ－２／３（强湍流），传输距离分别取Ｌ＝５００ｍ，１ ０００ｍ，１ ５００ｍ及２ ０００ｍ四种情况．其中，信道中断概率计算在弱湍流下采用对数正态分布信道，中－强湍流采用Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布信道．不同湍流强度和不同传输距离下信道中断概率仿真结果如图１所示．图１ 不同湍流强度及传输距离下信道中断概率Ｆｉｇ．１ Ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｎｇｅ 由图１可以看出，当系统传输距离Ｌ＝５００ｍ和１ ０００ｍ时，中断概率在同一归一化阈值信噪比下随着湍流强度的增加明显增大，在ＳＮＲ＝０．５ｄＢ，传输距离Ｌ＝５００ｍ时，由弱到强湍流的信道中断概率依次为０．０９，０．２１及０．４１．当传输距离达到１ ５００ｍ和２ ０００ｍ时，中－强湍流下中断概率趋于相近，在ＳＮＲ＝０．５ｄＢ，传输距离Ｌ＝２ ０００ｍ时，中断概率依次为０．３９，０．４１和０．４１，这时传输距离成为主要的影响因素．仿真结果表明，当通信距离较近时，无线光通信系统可靠性变化受大气折射率结构常数影响较大，而当增大通信距离时，中断概率受Ｃ２ｎ变化的影响减小，通信距离长度将导致平均信噪比珔γ明显减小，可见传输距离长度仍然是影响无线光通信可靠传输的一个重要因素．当误码率阈值过高或由于湍流和传输距离使信道平均信噪比珔γ减小，均导致无线光通信系统的中断概率都有所增大，降低通信可靠性．因此，在无线光通信系统设计时，应充分论证误码率阈值要５１４ 第５期 黄根全：大气湍流下无线光通信信道性能研究求，并根据信道特性分析确定最远传输距离，才能保证系统可靠通信．４ 系统信道容量无线光通信以大气作为传输介质，激光束在大气中传输时，大气衰减和大气湍流的变化是无法精确预知的，大气扰动对光无线通信系统的影响是实时变化的，因此大气信道可看作不稳定随机时变系统．定义接收机瞬时电信噪比为γ＝ｓ２／Ｎ０＝（ηＩ）２／Ｎ０，其中η为光电转换效率；Ｉ为归一化光强；Ｎ０为高斯分布的方差，也即噪声的平均功率．在接收和发射端理想信道状态信息的各态历经平均信道容量，记为〈Ｃ〉，可用式（１２）进行估算［１２］ 〈Ｃ〉＝∫∞０ＣＡＷＧＮ（ｓ，Ｎ０）ｐ（Ｉ）ｄＩ＝∫∞０Ｂｌｏｇ２（１＋珔γ）ｐ（γ）ｄγ（１２）式中：ＣＡＷＧＮ（ｓ，Ｎ０）为高斯信道容量；ＣＡＷＧＮ（ｓ，Ｎ０）＝Ｂｌｏｇ２（１＋（ｓ２／Ｎ０））；Ｂ为信道带宽；ｐ（γ）为接收端光电转换后的瞬时信噪比概率密度函数．利用式（１２）可估计因大气湍流所导致的光强起伏对于平均信道容量的影响．由文献［１１］可知，对数正态分布，接收机电信噪比的概率密度函数为 ｐ（γ）＝１２γσ２２槡πｅｘｐ－（ｌｎ（γ／珔γ）＋σ２ｓ）２８σ２（）ｓ（１３）对于Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布 Ｐ（γ）＝（αβ）（α＋β）／２ΓαΓβ·γ（α＋β）／４－１γα＋β４·Ｋα－β２αβγ／γ槡槡（）－（１４） 将式（１３）、（１４）带入式（１２），采用数值积分法可得到两种不同信道模型下的平均信道容量．图２～３是在不同湍流强度下对数正态分布和Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布的平均信道容量〈Ｃ〉／Ｂ仿真，其中横轴表示接收机平均电信噪比ＳＮＲ＝ηＥ／［Ｉ］／Ｎ０，纵轴为平均信道容量〈Ｃ〉／Ｂ，单位ｂ／ｓ／Ｈｚ．从图２～３可以看出，平均信道容量随着接收机平均电信噪比增大而增大，弱湍流下的信道容量明显大于强湍流，湍流信道容量小于高斯信道容量．仿真结果表明，中－强湍流信道容量与弱湍流情况相比，随着ＳＮＲ增大信道容量递增速度较慢，在较小的平均电信噪比下趋于饱和，说明湍流强度很大时，信道容量不再随ＳＮＲ增加而增大，而是趋于某一最大值．因此，在无线光通信系统设计是应该根据实际情况准确估计信道湍流，设计最佳信噪比，保证系统能够在最大信道容量工作．图２ 对数正态分布平均信道容量Ｆｉｇ．２ Ａｖｅｒａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｌｏｇｎｏｒｍａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ图３ Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布平均信道容量Ｆｉｇ．３ Ａｖｅｒａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆＧａｍｍａ－Ｇａｍｍａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ５ 结论在分析无线光通信大气信道湍流效应基础上，建立了不同湍流强度信道数学分析模型，分别对信道性能在不同大气折射率结构常数及通信距离下进行了定性分析，比较了对数正态分布、Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ分布模型的中断概率及平均信道容量随湍流强度变化的规律，给出了湍流信道情况下无线光通信系统基本设计思路和原则，为无线光通信系统的研究与设计提供了理论依据．参考文献：［１］ 木楠，王红星，孙晓明．湍流信道条件下大气无线光通６１４ 西安工业大学学报 第３１卷信系统差错性能分析比较［Ｊ］．海军航空工程学院学报，２００８，２３（５）：５１７． ＭＵ Ｎａｎ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ＳＵＮ Ｘｉａｏ－ｍｉｎｇ．ＢｉｔｅＥｒｒｏｒ Ｒａｔｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｕｎｉ－ｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，２３（５）：５１７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［２］ Ａｎｄｒｅｗｓ Ｌ Ｃ，Ｐｈｉｌｌｉｐｓ Ｒ Ｌ．Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ ＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＴｈｒｏｕｇｈ Ｒａｎｄｏｍ Ｍｅｄｉａ［Ｍ］．Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ：ＳＰＩＥ Ｏｐｔｉ－ｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ，２００５．［３］ Ａｒｎｏｎ Ｓ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］／／Ｄｒｉｇｇｅｒｓ Ｒ Ｇ．Ｃｈａｐｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＥＯＥ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋｅｒ，２００３：１８６６．［４］ Ｕｙｓａｌ Ｍ，Ｌｉ Ｊ，ＹＵ Ｍ．Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙ－ｓｉｓ ｏｆ Ｃｏｄｅｄ Ｆｒｅｅ－ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｋｓ Ｏｖｅｒ Ｇａｍｍａ－ｇａｍｍａ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ Ｗｉｒｅｌ Ｃｏｍｍｕｎ，２００６，５（６）：１２２９．［５］ Ｇａｇｌｉａｒｄｉ Ｒ Ｍ，Ｋａｒｐ Ｓ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓ－ｔｒｙ，１９９８．［６］ Ｚｈｕ Ｘ，Ｋａｈｎ Ｊ Ｍ．Ｆｒｅｅ－ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｈｒｏｕｇｈ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．Ｃｏｍｍｕｎ，２００２，５０（８）：１２９３．［７］ Ｎｉｓｔａｚａｋｉｓ Ｈ Ｅ，Ｔｏｍｂｒａｓ Ｇ Ｓ，Ｔｓｉｇｏｐｏｕｌｏｓ Ａ Ｄ，ｅｔａｌ．Ａｖｅｒａｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ－ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｖｅｒ Ｇａｍｍａ－ｇａｍｍａ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｕｒ－ｂｕｌｅｎｃｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｃ］／／２００８ＩＥＥＥ ＭＴＴ－Ｓ，Ａｔｌａｎｔａ，２００８：１５６１．［８］ Ｈａｔａ Ｍ，Ｍｏｒｉｎａｇａ Ｎ，Ｎａｍｅｋａｗａ Ｔ．Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＳｙｓｔｅｍｓＴｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ ｏｆ ＩＥＩＣＥ，１９８３，６６（１）：７９．［９］ 吴晗玲，李新阳，严海星．Ｇａｍｍａ－Ｇａｍｍａ湍流信道中大气光通信系统误码特性分析［Ｊ］．光学学报，２００８，１２（２８）：９９． ＷＵ Ｈａｎ－ｌｉｎｇ，ＬＩ Ｘｉｎ－ｙａｎｇ，ＹＡＮ Ｈａｉ－ｘｉｎｇ．Ｂｉｔ ＥｒｒｏｒＲａｔｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｇａｍｍａ－ＧａｍｍａＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｉｎｉｃａ，２００８，１２（２８）：９９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）［１０］ Ｌｉ Ｊ，Ｕｙｓａｌ Ｍ．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｓｙｓｔｅｍ Ｍｏｄｅｌ，Ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ Ｃｏｄｉｎｇ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ Ｖｅ－ｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈ Ｃｏｎｆ．Ｏｒｌａｎｂｏ，２００３：１６８．［１１］ Ｚｈｕ Ｘ，Ｋａｈｎ Ｊ Ｍ．Ｆｒｅｅ－ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａ－ｔｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ Ｃｈａｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｃｏｍｍｕｎ，２００２，５０（８）：１２９３．［１２］ Ａｄａｍｃｈｉｋ Ｖ Ｓ，Ｍａｒｉｃｈｅｖ Ｏ Ｉ．Ｔｈｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｌｓ ｏｆ Ｈｙｐｅｒｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ＴｙｐｅＦｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｅｄｕｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ Ｉｎｔ Ｃｏｎｆ ｏｎ Ｓｙｍｂｏｌｉｃ ａｎｄ ＡｌｇｅｂｒａｉｃＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，１９９０：２１２．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｖｅｒＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ＣｈａｎｎｅｌＨＵＡＮＧ Ｇｅｎ－ｑｕａｎ（Ｎｏｒｔｈ Ｒａｄａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ ｏｖｅｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ，ｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｗａｓ ｆｏｕｎｄｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｎ Ｇａｕｓｓ?Ｌａｇｅｒ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｗｅａｋ ｔｏ ｍｏｄｅｒａｔｅａｎｄ ｍｏｄｅｒａｔｅ ｔｏ ｓｔｒｏｎｇ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ａｖｅｒａｇｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＳＮＲ，ａｎｄ ａｖｅｒａｇｅ ｃｈａｎｎｅｌｃａｐａｃｉｔｙ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｖｅｒａｇｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＳＮＲ．Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｒａｔｅ ｉｓ ｆａｓｔｅｒａｎｄ ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｓ ｂｉｇｅｒ ｕｎｄｅｒ ｗｅａｋ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｔｈａｎ ｓｔｒｏｎｇ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｏｐｔｉｃａｌ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ；ｏｕｔａｇｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ；ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｐａｃｉｔｙ（责任编辑、校对 魏明明）７１４ 第５期 黄根全：大气湍流下无线光通信信道性能研究。
3.1 大气湍流机理的研究湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。
湍流运动的动力学性质是由雷诺数 (Re)来衡量的，它是一个无量纲数，其定义为：Re=ρvL μ=v L ∨ （3.1）式中L 为流动的特征长度；v 为流动的特征速度；ρ为流体的密度；μ为流体的粘性系数：∨=μv 为运动粘性系数。
当由雷诺数表征的粘性流体的流动超过某一临界值时，它就从层流状态转变成一种更不规则的状态，即部分流体的速度在平均流动速度附近波动，而这些波动具有连续功率谱。
通常以涡流或涡旋形式将这些波动概念化，这些涡旋造成了流体的移动或其它特性的混合。
就大气来说，风速的湍流波动引起大气参量的混合，如温度、气溶胶或水汽。
这里成为焦点的参数是折射率，即光学湍流。
折射率的变化表现为两种形式：由于地面温度的影响，大气中温度随高度会有梯度出现，于是折射率也出现一个梯度；随位置和时间作迅速的变化，变化的频谱可达数百赫兹，变化的空间尺度可能小到毫米量级，变化的强度与天气状况和地面状况有一定的相关关系。
柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)理论即湍流的局部均匀各向同性理论(也称2/3定律)。
它是建立在下面三个假设的基础上：1) 湍流涡旋运动的随机特征是各向同性的；2) 在局部均匀各向同性区域中，流体运动仅仅由内摩擦力和惯性力决定；3) 在大雷诺数(Re)时，存在称为惯性范围的尺度区间，在此范围内，内摩擦力的影响是不重要的，因而可以略去，运动图像由惯性力决定。
其表达式为：D r （r ）=C v 2r 23⁄ l 0<r<L 0 (3.2)式中，纵向速度分量是平行于连接两个观察点的矢量r 。
常数C v 2被称作速度结构常数，它是Kolmogorov 定义的，C v 2表达式如下：C v 2=αε23⁄=2ε23⁄ （3.3）上式中ε为单位体积内起伏的能量耗散率。
当湍流出现时，首先是与流动整体特征尺度相当的巨大涡旋，它的尺度记作L 0，它相当于气流离地面的高度，L 0成为湍流的外尺度。
