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浅议大气湍流对无线光通信系统的影响
摘要：当激光波束通过大气湍流时，大气湍流效应造成了光束漂移、强度起伏，光束扩展和像点抖动等现象，导致相干性退化削弱激光通信的质量，从而破坏了激光的相干性。文章介绍了大气湍流的形成及基本特性，对强度起伏、光束漂移及扩展与到达角起伏进行了分析，并通过研究分析穿过大气湍流后激光波束的变化特征，将会对无线光通信的发展具有十分重要的实际意义。
关键词:大气湍流光束漂移光束扩展强度起伏到达角起伏
自激光问世以来，具有保密性好，抗干扰能力强，信息容量大，传输率高，系统尺寸小，重量轻，建造和维护经费低，无需频率许可证等优点。在通信、雷达、测距、遥感和检测等方面的大量应用有力地促进了无线光通信等方面的研究。
同时，激光特有的高强度、高单色性、高相干性和高方向性诸多特性，使它成为空间通信最理想的载体，因为它增益更高、速度更快、抗干扰性更强和保密性更好，同时容量更大、波束更窄。然而，在许多使用激光工作的系统，其性能会受到大气的影响，激光的传输介质包含了长距离的大气，如自由空间光通信、激光雷达、激光测距等，其中湍流效应是对激光大气传输影响最大的因素之一。由于大气湍流引入的相位扰动，光束会产生展宽和漂移，光场的时－空相干性受到干扰甚至破坏；由于大气湍流的存在，当激光穿过其中时，会产生闪烁现象，光场强度分布也会发生起伏，大气折射率会发生微小的起伏。这些效应会削弱光束质量，本文具体分析了随机大气信道湍流效应的各种影响因素，为避免影响自由空间光通信系统、激光雷达系统、激光测距系统的性能，提出了一些具有实用价值的建议，将会对提高大气光学系统的性能有实际的意义。
1 大气湍流效应
大气温度的随机变化引起大气密度的随机变化，人类活动和太阳辐照等因素将引起大气微小温度的随机变化，从而形成大气的湍流，它是大气折射率导致的随机变化。这些变化使湍流大气中传输光束的波前也将作随机起伏，它们的变化的累积效应导致折射率轮廓的明显不均匀性，由此引起光束漂移和扩展，强度起伏和像点抖动等一系列光传输的大气湍流效应。我们通常把折射率场的变化主要是由温度起伏引起的湍流称为光学湍流，量度这种折射率起伏强度的量，称为大气折射率结构常数c■■，它在均匀各向同性湍流的下定义为：
c■■=r-2/3 l0r-2/3 l0为短期平均光斑半径，为长期平均光斑半径，为平均束漂移量，三者的关系表示为： “短期”和“长期”的时间判据是δt=d/v。d是光的直径，v是横向风速。当观察时间远小于δt时，则得短期观察效果，而当观察时间远大于δt时，则得长期观察效果。δt的量级在0.05秒左右。通常情况下大气湍流造成的光束扩展可以比光束自身的衍射极限大到2到3个数量级，从而使通过随机大气传输的激光光强降低。传输光束的漂移和扩展现象体现了对传输光束成像的所形成接收光斑的空间位置的时间变化情况。它比较全面的反映了湍流对光传输的影响程度。
2.2 强度起伏和大气闪烁
激光通信在湍流大气中传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发生起伏，即出现所谓的闪烁现象。大气闪烁效应实际上就是通常情况下，当光束直径比湍流尺度大很多时，光束截面内包含多个湍流旋涡，每个旋涡各自对照射其上的那部分光束独立散射和衍射，使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机分布，相干性退化，光束面积扩大，引起接收端的光强起伏和衰减。大气湍流使信号变得不易把握，对光通信系统的稳定通信造成很高误码率通信质量下降。
2.3 到达角起伏
激光在湍流大气中传播时由于光束截面内不同部分的大气折射率的起伏，在均匀介质中传播具有均匀波前，这将导致光束波前的不同部位具有不同的相移，这种相位形变导致光束波前到达角起伏，相移导致随机起伏形状的等相位面，从而也导致望远镜中像点抖动。
3 结束语
本文通过分析穿过大气湍流后激光波束的变化特征及在某些条件下的大气信道特征，将会对无线光通信的发展具有十分重要的实际意义。大气湍流效应造成了光束漂移、强度起伏，光束扩展和像点抖动等现象，从而破坏了激光的相干性，导致相干性退化削弱激光通信的质量。通过对大气湍流对光通信系统影响的研究，有助于我们了解激光通过大气信道传输时所产生变化的特征，以便对激光通信系大气中传输的设计中寻找到合理的措施来降低或缓解其影响。激光束通过有湍流的大气传输时，会发生变化，变化情况与激光束宽和湍流尺度的相对大小相关，其强度、相位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机变化。
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