大气湍流对激光通信的影响及对策研究

摘 要分析了大气湍流对自由空间激光传输和激光通信的影响，提出了几种应对大气湍流效应的有效方法。

【关键词】大气 湍流效应 激光传输 激光通信

自由空间激光通信依靠激光在大气中的无线传输实现信息的传递。自由空间的大气信道是随机多变的，它对激光传输的影响主要表现为两个方面，即大气衰减效应和大气湍流效应。大气衰减效应是指因大气对激光的散射与吸收作用而导致的激光能量衰减；而大气湍流效应则是指大气的折射率因大气的湍流运动而发生随机起伏，进而导致激光的相位及强度在空间和时间上都呈现为随机起伏的变化。大气衰减效应对自由空间激光通信的影响一般来说是比较容易解决的。而大气湍流效应则不然，由于它的强度和发生几率都是随机的，因而它对自由空间激光通信的影响很大而且难以克服，所以必须予以高度重视。

1 大气湍流对激光传输的影响

对于实际的大气而言，由于它始终处于随机的湍流运动状态之中，因此它的折射率也始终随空间和时间无规则地变化着。而折射率的这种无规则变化将使在大气中传输的激光参量随机而变，进而严重影响光束的质量。其表现为：光束弯曲漂移、光强闪烁、光束展宽等，这些影响被统称为大气的湍流效应。

1.1 光强闪烁

大气折射率随机细小的变化将引起光束截面内强度的随机变化，简称光强闪烁。事实上，当光束穿过大气湍流漩涡时，折射率的随机起伏将引起光波的波前畸变，致使接收端的相位随机改变。当激光束的直径R大于湍流直径r时，光束内就将会包含多个湍流漩涡，而每个湍流漩涡又各自对激光光束形成独立的衍射和散射，从而导致光束截面内强度在空间和时间上的随面起伏，忽强忽弱，这就是所谓的光强闪烁。

1.2 光束弯曲与漂移

大气中传输的激光束，当其直径R小于湍流漩涡的直径r时，激光束便被包含在这个湍流漩涡内，此时湍流的影响主要是使光束的整体产生随机偏折。体现在接收端，就是在接收端面上，光束的中心将围绕某个统计平均位置随机快速地跳动，此即光束漂移，在数值上可以用漂移量来表示。若把激光束视为一个整体，那么，其平均方向将会发生明显改变，这就是所谓的光束弯曲。

1.3 光束展宽

湍流漩涡或衍射的扩展导致的接收光斑半径或面积的增大称为光束展宽。当激光束直径R大于大气湍流漩涡直径r时，湍流漩涡将扩展，从而引起中心轴的接收光强产生一个常量衰减，使接收光斑半径增大。

由于大气湍流漩涡的尺寸是在某一个区间内连续分布的，而激光束的直径在传播过程中又不断地变化，所以上述的大气湍流效应也总是同时发生。研究表明，上述的大气湍流效应都具有饱和特性。

2 克服大气湍流效应的对策

目前，克服大气湍流效应对激光传输影响的对策主要有自适应光学技术、大孔径接收技术、多光束发射——阵列接收技术以及信道编码技术等。

2.1 自适应光学技术

自适应光学技术是通过对发生畸变的波前进行实时校正来克服大气湍流效应的。波前畸变自适应光学校正系统主要由波前探测、波前控制以及波前校正等三个部分组成。被接收到的受大气湍流影响的畸变波前首先通过变形镜反射，然后再由分束器将其分为两束，其中含有大部分能量的一束被送往光检测器用于检出信息，而含有少部分能量的一束则被送往波前畸变传感器，以便检出光波波前的畸变信息。被检出的波前畸变信息被送往波前控制单元，在那里波前畸变信息被转化为控制信号去控制波前校正单元。该控制信号控制变形镜产生相应的形变，从而使畸变的波前得到补偿和校正。

2.2 大孔径接收技术

大孔径接收技术是利用孔径平滑效应来降低接收光强的起伏，从而有效克服大气湍流效应的。接收孔径的增大可显著降低接收光强的随机起伏。但随着接收孔径的增大，接收端的重量和体积也必然增大，这对星载或机载激光通信系统而言显然是极为不利的。此外，接收孔径的增大也会给加工带来更大的难度，使成本上升。

2.3 多光束发射技术

所谓多光束发射，即从孔径间距大于大气相干长度的发射镜中发射出多束不相干光束，在接收端非相干叠加，以克服大气湍流效应和实现大气信道的有效补偿。不相干光束的获得是将单个激光束进行分束而实现的。

2.4 信道编码技术

大气激光通信系统一般都是功率受限的，因此，通过提高发射功率来改善信噪比是很有限度的，于是引入强有力的差错控制技术（即信道编码技术）是极为必要的。对自由空间激光通信而言，目前应用最广泛且最有效的信道编码当数Turbo码。由于Turbo码巧妙地应用了Shannon编码定理中的随机编译码条件，因而具有接近Shannon极限的译码性能，而且译码也更加简单。

3 结语

自由空间激光通信中，大气衰减效应和大气湍流效应是两个不可回避的问题，严重影响着激光信号的传输和激光通信的质量。自适应光学波前畸变校正技术、大孔径接收技术、多光束发射技术以及信道编码技术等是克服大气湍流效应的有效方法。

参考文献

[1]李晓峰.星地激光通信链路的原理与技术[M].北京：国防工业出版社，2007

[2]陈纯毅.大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展[J].兵工学报，VOL.30 NO.6 JUN.2009

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