降雨对激光通信传输的影响研究

DOI：10.13800/j.cnki.xakjd**b.2016.05

13文章编号： 1672-9315（2016）05-0685-06

收稿日期：2016-03-13责任编辑：李克永

基金项目：国家自然科学基金青年项目（21204072）；国家重大专项子课题（2011ZX06004009）；陕西省教育厅科研计划项目（2010JK691）

通讯作者：杨庆浩（1977-），男，江苏赣榆人，副教授，硕士生导师，Email：yangxjtu@hotmail.com

摘要：从理论研究和实验研究2个方面总结国内外有关大气中激光传输的研究进展，重点分析了降雨气象条件下对激光传输过程的影响。研究结果发现模拟仿真法在研究激光在大气中的传输时，一般采用常用的经验模型，该模型不具有普适性。雨场模拟实验中，设备产生的降雨在空间分布并完全不均匀，造成了两波段激光衰减系数实验值与理论值的误差。利用公式计算分析时，由于忽略了水汽吸收、雨滴散射等因素，从而使数据具有局限性。通过对理论模型仿真、模拟实验环境和数值计算与公式推导这3种实验方法的对比分析，提出了进一步改进有关降雨时激光通信实验研究的思路。关键词：激光传输；降雨；激光通信；雨滴谱分布；衰减中图分类号：TN 92；TN 24

文献标志码： A

0引言在低层大气中主要有氧、氮、氦、氩和氪等比较稳定的大气成分，还有二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。大气分子的扩散、离解及各种光化学作用使高层大气中出现臭氧层，有些成分会分解为原子状态（像氧、氮等原子），各种大气成分含量会随着高度不同而发生变化，还有其他悬浮颗粒如大气中的云、雾、尘埃等固态或液态颗粒。空气中存在的颗粒、原子和分子都会对光信号的传输产生不同程度的影响。激光作为一种新型光源，具有普通光源无法比拟的4个特性，即单色性好、方向性好、相干性好和亮度高，其能量可以有效地进行远距离传输，激光通信即是利用这一特性进行信息传输的模式。按不同的传输介质，激光通信可分为2种形式：大气激光通信和光纤通信。光纤通信即以光纤为传输媒介，光波作为信息载体的一种通信模式。近年来发展速度极快，应用面也极为广泛，是世界新兴技术的重大突破。大气激光通信利用激光作为载波进行信号传输，以空气作为传播媒介进行图像、数据、语音等信息的双向信息传输，结合了光纤通信和微波通信2方面优势，具有容量大、极高的数据传输速率、免受电磁干扰、极高的保密性等优点，因而广泛运用于军事、医学、工农业等领域。现代海战的主要作战方式为舰船编队作战[3]，无线电通信是当前采用的通信手段，其优点是传递距离远、数据传输快，但保密性差是其致命缺陷，易被敌方干扰和窃听，甚至己方的无线电设备之间也会产生相互干扰。相比之下，激光通信具有以下优势：一是激光无线通信的传输媒介为红外波段的不可见光，光束极细，所以几乎不可能被截取；二是激光不受电磁波的干扰，激光通信设备之间也不会相互干扰。因此，采用大气激光通信，舰船间通信的保密性可以得到极好的保障。但激光相对无线电来说，穿透能力较弱，在大气中传播时经常会被气溶胶、烟尘、分子以及降雨等吸收和散射，产生线性和非线性效应[1-2]，使激光的传输受到不同程度的衰减，即所谓的衰减效应。另外，大气层中空气密度的无规则的漩涡运动还会对激光的传输产生影响，即湍流效应。激光在大气的传输过程中，其频率、光强、相位和传播方向等都会发生相应改变。相对于其它几种情况而言，降雨是最为常见的一种天气现象，它对激光信号产生的衰减，严重的还会中断无线通信的链路。为了使激光通信在大气环境中更好地应用，研究激光在降雨中的传输特性具有十分重要的意义。在前期研究工作中，回顾了影响激光传输的主要因素和常见的雨滴谱分布，主要总结了在降雨条件下几种不同的典型的实验方法，并进行对比分析，从而提出进一步改进实验研究的思路。

1激光传输的影响因素理论回瞻1908年，由德国物理学家G.Mie提出了关于波在介质中传播的理论—Mie散射理论。从20世纪40年代起，国内外对雾、霾、云、雨等各种颗粒随机分布的尺寸、形状、物理参数、沉降速度等进行了广泛的研究，并取得一定成果。1945年，Anhur C larke提出了在自由空间中进行光信息通信的设想[4]。因为器件受限，直至20世纪70年代初，美国才开始进行相关研究，世界上第一个光学空间通讯实验终端在70年代末设计完成。之后，欧洲、日本等国家也相继展开了研究，如美国的ACTS计划也对此进行了大量的理论研究和实验，从1995年起每年均召开有关的学术会议，对其研究成果进行交流探讨和总结，并取得了可观的研究成果。

1.1雾滴特性理论雾滴由漂浮在空气中的大量小型水粒子组成，其半径一般在1～60 μm之间，且随温度的改变而发生相应变化。文献[5]中研究结果显示：在雾的消散过程中，其尺寸分布趋向于小粒子，粒子谱在接近消失时很宽，形成过程则相反。大多数研究者认为，雾滴谱的幂分布函数模型只适用于雾初形成的十几分钟内，对于稳定状态的雾滴，需用其他函数模型进行描述。1968年，霍格（Hogg）和朱氏（Chu）[6]提出，当雾滴处于稳定状态时，用修正函数Γ描述，此函数分布的优点是能够提供大部分雾滴的分布，缺点在于函数关系式中的一些常数需要通过实验来测定。Mallow[7]通过使用雷达确定了雾滴的尺寸分布，并结合实验中的单次散射理论和得到的雾滴分布函数，研究了激光脉冲的前向衰减和后向散射特性。文献[8]中也介绍了测量雾滴分布的相关技术。

1.2霾粒子特性理论霾是一种非水成物组成的多分散气溶胶，即悬浮在大气中的大量盐粒、烟粒或微小尘粒的集合体，其粒子尺寸在0.01～10 μm之间。1958年，Junge[9]在德国实验测量得出了霾粒子幂指数律谱分布函数模型。1965年，Friedlander和Pasceri[10]在美国巴尔的摩对大量霾进行了取样研究，从而发现粒子范围在0.2～20 μm的变化规律。20世纪70年代，Noll和Pueschel[11]在西雅图测量了该地区气溶胶的尺寸分布，并计算了气象视距及衰减系数。

1.3云滴特性理论云层散射及其消光特性的研究相对较成熟。通常情况下，中、低云的成分大多是水滴，散射及消光特性和雾极为相似，高云的成分多为冰晶，散射和消光特性区别较大。Weickman，Diem和Warner等人分别对云滴浓度、尺寸做了详细测量研究；1967年，Carrier等建立了主要云滴谱的尺寸分布模型，在红外光及可见光计算了散射、消光系数。

1.4降雨特性理论由于降雨时间和地域的不确定性，国外的研究人员基于降雨特性的研究提出了几种雨滴谱分布。雨滴谱是指在降雨率一定的情况下，不同尺寸的雨滴在单位空间体积中的分布状况。一般地，雨滴谱分布呈指数分布。

1）LP雨滴谱分布。Laws和Parsons研究出了LP雨滴谱分布[12]，测量了在降雨率不同的条件下，不同雨滴直径范围之内，雨滴的体积占总雨滴体积的百分比。体积分布为m（D），直径间隔为dD，单位体积内的雨滴谱分布如式（1）

N（D）dD=14R·m（D）dD6π·D3·V（D），

（1）

其中R为降雨率，mm/h；V（D）是直径为D的雨滴降落末速度，m/s.

2）Palmer和Marshall等1948年在LP雨滴谱实验基础上提出了一个负指数模型[13]，即MP雨滴谱分布函数，如式（2）

N（D）=N0e-λD，

（2）

其中N0=1.6×104（m-3·mm-1）；D（mm）为雨滴的等效直径，λ=4.1R-0.21（mm-1），R（mm/h）为降雨强度。MP谱分布函数符合一般雨滴谱的特点，然而对于强度较大的降水，则误差较大，在雨滴的小滴和大滴段尤为明显。MarshallPalmer雨滴谱分布模型表达形式较简单，从而被广泛应用。

3）Gamma雨滴谱分布。1984年，Ulbrich等人[14]提出用Gamma分布来描述雨滴谱，Gamma谱分布是在MP分布谱中引入一个形状因子，对各类降水量都适用，如式（3）

N（D）=N0Due-λD.

（3）当u=0时，为MP分布；当u<0时，曲线向下弯曲；当u>0时，曲线向上弯曲。该雨滴谱分布对大多数降雨都符合，但形状因子μ的参数估计较为复杂，若估计不当会对Gamma雨滴谱分布的拟和造成大的误差。

4）Joss雨滴谱分布。Joss等人用雨滴谱仪对雨滴尺寸进行测量，于1967年研制出了雨滴测量器，统计出暴雨和毛毛雨的雨滴谱分布JT和JD.它们的方程与MP函数分布相同，而参数略有不同。Joss分布常用于计算各种传输常数，特别是传输常数随雨滴谱分布变化的研究中。以4种雨滴谱分布为常用模型，还有其他形式的雨滴谱分布模型（但都不经常使用或只能在一个非常局限的范围内使用）。基于雨滴谱的多样性和区域性，很难对雨滴尺寸的分布进行定性的描述。

2对激光传输的影响研究实验G.Mie基于降雨对激光传输特性的影响，于1908年提出了介质中的颜料粒子对光进行散射的理论——Mie散射理论[15]。直至1960年，Rozenberg对大气中光散射的初期发展进行了较详细地总结。E.J.Mccartney于1976年针对大气分子和霾、雾等粒子对光的散射特性进行了研究。在1978年时，A.Ishimaru提出了波在离散随机介质中如何传输的问题[16]。目前常用的理论和方法均基于以上实验的研究结果，下面对这些实验方法进行一一阐述。

2.1理论模型仿真郭婧、张合[17]等人于几何光学散射理论和夫琅禾费衍射的基础上分别建立了雨滴对波段为532和1 064 nm 2种激光的传输衰减模型，并通过对这2种不同波长的激光在降雨量不同时的衰减特性分析以及实验室模拟不同直径的雨滴，通过测试2种不同波长验证了该衰减模型的准确性。结果表明，波长为532 nm的绿激光透射率高于1 064 nm的近红外激光束，该结论为绿激光在降雨条件下应用于探测系统提供了有效的实验依据。刘西川[18]等人为进一步确定降雨对激光在大气中传输的衰减影响，考虑到雨滴的非球形效应，建立了雨滴的近似椭球模型，利用射线追踪并计算了群雨滴在近红外和可见光波段的散射及衰减特性，分析讨论了降雨强度和不同雨滴谱分布对近红外波段激光和可见光传输衰减的影响。模拟结果显示，不同雨滴谱分布的群雨滴的散射能力从小到大依次为JT，Gamma，MP和JD分布；激光衰减程度与降雨强度及雨滴数密度有关，雨滴数密度越小，衰减越小。该结论对于准确地评估降雨对激光传输产生的影响有重要价值，有助于改善激光传输、激光通信和测风等方面的应用。实际降雨中往往伴有不同程度对激光的传输产生衰减作用的气溶胶。下一步研究应加入这一因素，得到更精确、更符合实际的激光传输衰减模型。高国强[19]对降雨的物理特性做了详细描述，基于微粒散射理论和雨滴特性，仿真分析了微粒散射光强空间分布的规律和衰减效率因子随微粒尺寸的变化特性，并成功推导出了降雨时常用的雨滴尺寸分布模型的衰减理论计算，结合实际使用的经验模型，使用Matlab仿真分析了MP，Joss以及其他2个尺寸分布模型的衰减系数随降雨率的变化情况。虽然对气溶胶的物理特性做出了详细的阐述，但由于缺少大量实验数据，实际操作比较困难。另外，在讨论衰减效率因子时，未考虑到激光波长对其产生的影响。

2.2模拟实验环境沙炎军[20]为了得到激光在雨中传输衰减的实验数据，进一步分析比较532 nm绿光和1 064 nm红外光在雨中的传输特性，建了一个模拟雨场的棚，运用水泵输送水来模拟实际降雨，通过调节阀门开关选择相应的水管和喷头，从而控制喷洒水滴的大小和降雨强度，使喷出的水滴直径从小到大依次变化，分析不同降雨率下激光雨场传输的影响。实验分别记录下波长为532 nm和1 064 nm的激光在不同降雨率R下的实验数据，并结合Bouguer指数衰减定律求出2种波段激光在不同降雨率下的衰减系数β1和β2.模拟雨场实验表明，在降雨率较小时，两波段激光的雨场衰减差异并不明显，随着降雨率R增大，水对1 064 nm的红外激光吸收更为严重，对532 nm的绿激光吸收相对较小，因而在降雨率较大时，波段在1 064 nm的红外激光的透射率小于532 nm的绿激光。由于模拟雨场实验棚的长度方向距离较短，降雨范围较小，从而使实验的测量结果具有局限性，但在一定程度上证明了2种波长的透射率随降雨率的变化情况。

2.3数值计算与公式推导柯熙政等人[21]基于Joss雨滴谱分布和Mie散射理论，分析了不同波长和粒子尺寸对激光散射产生的影响，计算了粒子尺寸和衰减效率因子的关系，推导出了光波在稀疏分布雨中的衰减公式。从数值计算结果可以看到，大粒子雨滴各个方向的散射光强明显小于小雨粒子的散射光强；前向散射光强随粒子半径的增加呈增长趋势。这就解释了实验中的现象：激光信号在大雨中的衰减小于在小雨中的衰减。这个现象与人们通常所认为的大相径庭，但由于仅考虑了粒子的尺寸分布这一因素，未加入对雨滴的散射的研究，因此数据具有局限性。朱耀麟等[22]在Weibull雨滴尺寸分布模型和Mie理论的基础上，分析了不同尺度的粒子对衰减效率因子的影响和对激光的散射作用，推导出了单球粒子对光波的衰减公式，同时也进行了部分仿真。数值计算结果显示，小粒子的前向散射光强比大粒子更大更集中，在雨中传输时，衰减系数在小雨中较大，中、大雨中时较小。实验结果与实际比较相一致，为激光通信的应用提供了有效的理论依据，但在多种天气情况下[23]，激光的传输特性还需要更进一步的研究。王旭等[24]将海口市连续10年的降雨统计资料进行整理分析，研究了该地区降雨对无线激光通信设备的影响。分析了海口市降雨对光链路传输产生的影响，对光链路功率余量、最大通信距离及误码率进行了计算和研究。结果表明，降雨严重影响了通信系统的通信距离和时长。该结果为海南市以及类似气候条件的地区提供了建立大气激光通信系统的理论依据。无线激光通信在充分体现其优越性的同时也有很大的局限性，大气对它的影响也是一个重要的原因。在仅考虑降雨条件时，若要保证全天候通信，则至少需70 mW的发射功率。

3结论采用模拟仿真方法研究激光在大气中的传输时，一般采用常用的经验模型，不具有普适性，对一些特殊的模型，需要进行大量实验补充修正，使其适用该地区雨滴谱分布。另外，在研究激光受气溶胶影响的单一效应影响，容易忽略粒子尺寸等其他影响因素，存在些许误差，下一步应开始研究多效应相互耦合及多种效应共存情况下，大气与激光相互作用的机理。在532 nm绿激光和1 064 nm红外激光模拟雨场衰减系数β1和β2实验值均与理论值β存在一定的误差，原因主要是实际降雨的雨滴尺寸分布与实验设备产生的降雨的雨滴尺寸分布存在较大差异，在降雨衰减理论分析中选用的是MP负指数模型来计算的，能较好地描述实际雨滴尺寸分布，另一个原因是实验设备导致的降雨在空间分布上存在较大的不均匀性，因而造成了两波段激光雨场衰减系数实验值与理论值的误差。在分析降雨对激光的传输影响时，不仅应该考虑雨滴的吸收和散射，还应考虑降雨产生的水汽作用，水汽对其相应吸收波段上的激光的吸收作用会加剧降雨对激光传输的衰减。由于水汽分子对各不同波段的吸收程度不同，从而使激光在雨中传播时衰减随波长的变化更为复杂，呈振荡情况。对于在大气窗口区的激光（如3～5 μm，8～12 μm，可见光波段）的激光，水汽吸收作用较微弱，所以在大气窗口区，衰减随波长的变化较小。激光通信在实际生活中的应用非常广泛，就目前中国通信领域来说，发展最快也最活跃的当属移动通信，移动业务使用量的不断增加，对无线网络的带宽和容量要求也越来越高，激光通信系统具备的自身优势，可提供对该问题的解决方案。大气激光传输还可应用于闭路电视系统中，它可直接传输声音及图像，而且不需要架设电缆，摄像系统可在以前无法实现的位置安装，相比传统方式具有极大优越性，不仅节约成本，而且相对加快了工程进度。21世纪是科技迅速发展的时代，光电技术突飞猛进，光纤通信由于自身存在局限性，在实际中的应用显得越来越不足，大气中的激光传输技术必将有很大的发展前景和提升。在了解和掌握了激光传输规律的基础上，需要进一步研究更大限度地减小降雨对激光传输的影响，这些研究不但具有重要的学术参考价值，而且在商业通信、军事及气象等方面都有重要的应用前景。激光通信技术避免了影响建筑、交通等不足，且安全性能相对较高，对环境没有危害，所以随着技术的不断完善，激光通信技术将会取代光纤通信技术，在通信领域带来一场技术上的变革。

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