摘要：大气信道是影响无线光通信质量的主要方面，为了全面掌握目前出现的信道测试方案，采用归纳总结和对比分析的方法，并结合实际测试，对信道测试方法进行研究。从大气衰减效应、光强闪烁效应以及光束漂移效应三方面测试内容出发，研究了各自运用的测试方法，并给出了相应的示意图，同时对比分析各自的优缺点，为采取合适的大气信道测试方法提供理论依据。
关键词：无线光通信； 大气信道测试； 大气衰减； 大气湍流
中图分类号：TN929.1234文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)23003504
Research on Atmospheric Channel Characteristic Test in
Wireless Optical Communication System
WU Xiaojun1， ZHANG Xin2， WANG Song3
(1. Naval Aeronautical Engineering Institute, Yantai 264001, China; 2. PLA Unit of 91550, Dalian 116015, China)
Abstract： Atmospheric channel can affect the quality of wireless optical communication. To understand the current channel test method, the summarizing and analyzing methods are used in this paper, the test method of channel is studied by combining actual test. Starting from atmospheric attenuation, scintillation and beam drifting, the test methods of themselves are studied. To provide evidence and take appropriate test scheme, the advantages and disadvantages are summarized for the current test method.
Keywords： wireless optical communication； atmospheric channel test； atmospheric attenuation； atmospheric turbulence
收稿日期：20110704
资金项目：山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助项目0引言
无线激光通信也称自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)是以激光为载波、大气空间为传输介质实现大容量信息传递的一种新型宽带接入技术。和目前常用的光纤通信和微波通信相比，它具有很强的优势，主要体现在部署链路快捷；无需频谱许可认证；带宽高，组网方式灵活；安全保密性强；协议透明；便于携带；成本低。正是由于这些特点，无线光通信被广泛应用于大量多媒体宽带接入、骨干网的扩展和备份、灾难抢救应急系统的建立、大规模临时通信系统的组建等等，而且针对其安全保密性强的特点，在军事上的应用越来越广泛［1］。
信道是通信系统必不可少的组成部分，是信号的传输介质，信号的传输过程就是信号与信道介质的相互作用过程，研究传输介质对信号传输的影响对于实际工作具有重要价值［2］。由于无线光通信是以大气为介质，因此，大气衰减效应和大气湍流效应是影响无线光通信质量最主要的两个方面。正是由于这两方面的影响，导致了无线光通信链路传输距离受到限制以及传输误码率的增大，进而造成无线光通信系统设计和工程实现非常困难，严重影响了无线光通信的广泛应用。所以，通过大气随机信道测试掌握激光传输特性，建立有效的大气信道模型对改善无线光通信系统的性能，提高无线光通信的质量具有重要的意义。
1大气衰减和大气湍流概述
无线光通信是以激光为载体，大气为介质的新型通信方式，因此，在无线光通信系统中，大气衰减和大气湍流是影响无线光通信质量最主要的两个方面：
大气衰减(Atmospheric Attenuation)是指激光在大气中传输时，由于大气的吸收和散射，造成的光能量的衰减。激光信号的大气衰减效应使得激光在大气中传输时受气候条件影响很大，在传输时强度衰减很快，这主要是由于大气的气体分子和大气气溶胶粒子的散射、吸收造成的。激光在大气中传输时产生衰减效应的主要因素是二氧化碳、氧、烟、灰尘、水滴、冰粒等。在较低的大气层中，大部分水是以水滴、雾、水蒸气的形式集合起来的，占大气体积的4％，其中雾对通信的影响较为明显［3］。
大气湍流(Atmospheric Turbulence)是指大气中局部温度、压力的随机性变化。在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形成空气对流。这样，在大气中各点的温度和密度是无规则变化的，这种变化随高度和风速而不同，变化较为剧烈时形成湍流。而大气的折射率取决于密度，因此大气的折射率也随空间和时间作无规则的变化，它会对光束传输产生影响，从而形成湍流效应，它会引起激光光束的强度闪烁、光束漂移、扩展与抖动［4］。
2大气信道特性测试内容及其对通信的影响
由于无线光通信在大气中受到大气衰减和大气湍流的影响，因此测试内容主要分为大气衰减效应测试、光强闪烁效应测试、光束漂移效应测试以及光斑扩展效应测试。
根据各种效应的产生机理不同，它们对通信的影响如下：大气衰减效应影响无线光通信系统的有效传输距离；光强闪烁效应相当于接收端引入了噪声，从而增加了系统的误码率；光束漂移和光斑扩展使通信的传输方向发生改变，严重时会使通信中断。
3大气信道特性测试方法总结
由于大气信道对无线光通信的影响是随机的，因此国内外对大气信道特性进行测试的方法有很多种，各种方法都有优点和缺点，下面将各种测试方法进行简要介绍并且加以比较。
3.1大气衰减效应测试
大气透过率(Atmospheric Transmissivity)是指电磁波通过大气中某个给定路径长度后的辐射能与入射辐射能之比。衰减系数(Atmospheric Extinction Coefficient)是指由衰减作用引起的功率损失和入射波功率通量密度之比，它是衡量大气衰减作用的主要指标。根据比尔定律可知，透过率与衰减系数之间存在一定的换算关系，通常来说，测得透过率相对来说比较简单，因此，一般都是通过测得透过率之后再得出衰减系数。根据总结，目前采取测得透过率的方法主要有以下几种：
3.1.1全光斑接收测量法
全光斑接收测量法顾名思义，即接收设备收集所有到达接收端的能量，然后将接收能量与发射能量相比，所得结果就是大气透过率。因此，全光斑接收法的重点就是接收设备的孔径要足够大，以至接收全部光能量。与此相对应，发射光束一般采用会聚光束或准直光束，而非发散光束。其基本原理如图1所示［56］。
图1全接收测量原理图全光斑接收法的一个突出优点就是测量得到的结果就是激光大气传输的总的透过率，包括了大气分子的吸收和散射以及气溶胶的吸收和散射的全部影响，不需要采用任何理论或经验的公式；另一个优点就是其波长的选择不受实验条件的限制，主要根据研究需要进行选择，选择激光器的波长，而不用从其他波段的测量结果进行反演。
全接收法的一个重大的缺点就是受接收设备口径的限制，测试距离有限，当口径不够大时，不能完整地接收发射过来的能量，从而引入测量误差。另一个缺点就是在每次测试之前都要将收发两端放在仪器进行定标，操作起来不方便。
3.1.2间接测量法
间接测量法就是指利用经验公式间接测量大气透过率的方法。间接测量法常采用两种方案：能见度仪+常规气象站；微脉冲激光雷达+常规气象站。使用能见度仪和微脉冲激光雷达是为了测量气溶胶的透过率，气体分子、雨、雪的衰减可以利用常规气象站测得，然后再利用经验公式得出激光通过大气的总透过率［78］。
3.2大气湍流效应测试
基于研究湍流对无线光通信系统的影响的目的，大气湍流效应测试内容主要包括：折射率结构常数C2n测试、光强闪烁效应测试、光束漂移效应测试(到达角起伏统计特性)、光斑扩展效应测试。
3.2.1光强闪烁效应测试
大气湍流导致的最常见且明显的光传输效应是光强闪烁，它是由于同一光源发出的通过略微不同的路径的光线之间随机干涉的结果。
光强闪烁测试就是测量接收端的光强，通过对测量数据进行处理来研究光强起伏的统计特性。因此按照接收端接收设备的不同可以分为光电倍增管测试和CCD(Chargecoupled Device)测试。
现有的大多数测量光强闪烁效应的仪器都是采用光电倍增管进行的。闪烁测试根据任务和目的的不同，可以采用多口径发射、多口径接收、点发点收、点发大口径接收、大口径发射大口径接收等方式，其基本原理都是相同的。 现在市场上有多种型号的闪烁仪，这些闪烁仪都是采用特定的方式测量闪烁的仪器，只不过它们都经过了针对C2n的定标，可以通过测量的闪烁反演C2n，但本质上它们都是测量光强闪烁的仪器。国外从Tatarskii创造弱湍流理论开始，一直在从事光强闪烁的测试和分析，国内主要是安光所从1980年开始进行了一些测试，但是跟国外相比，还有很大差距，基于湍流理论的测试研究还很少。
CCD测试的原理就是通过计算接收的CCD图像的灰度值来计算光强的闪烁。例如用SH波前传感器进行测试，如图2所示。SH波前传感器主要由微透镜列阵和面阵CCD探测器构成。微透镜阵列将入射到传感器内的畸变波前采样分隔为若干子波，分别会聚在其焦平面上形成一个光斑阵列，用面阵CCD进行感光探测，将每一块CCD面元内所有像素的灰度值求和，就可以得到入射到每个子孔径内的相对光强值。这样，每一个入射子波、子孔径透镜以及相应的CCD面元就构成了一个光强探测系统［910］。
图2SH波前传感器原理图3.2.2光束漂移效应测试
湍流大气中光斑的形变特性最为常见的是光束漂移，顾名思义，漂移反映了光斑空间位置的时间变化。由于大气湍流的随机性，准确测量出光束漂移效应比较困难，目前，实验上常常利用CCD成像器件、四象限探测器和阵列探测器等设备来研究光束形变效应的影响。
用CCD测量光束漂移简单、方便、技术较为成熟，但它有两个主要限制：帧频较低，难以反映高频变化趋势；动态范围较小，图像易于饱和。在进行漂移测量的频谱分析中，由于图像帧频的限制，一般只能观察到几十赫兹的频谱。激光器发出的激光，经过湍流大气后，通过CCD将聚焦与漫反射板上的光斑实时采集记录。随着CCD技术的飞速发展，高帧频、大动态范围的CCD可用来进行光斑漂移的实验检测。此外，为了获得足够大面积上光斑的整体概貌，尚需要足够大面积的接收系统。通常也有两种方法：一是采用大口径的光学接收系统，二是将光斑投射到大面积的漫反射面板上，再二次成像［11］。CCD测量光束漂移的原理如图3所示。
图3CCD测量光束漂移原理图使用大动态范围的光电倍增管和高速A/D转换器组成的阵列探测系统。这种系统的主要缺陷在于空间分辨率较低，不能和图像法相比。但与一般跟踪系统四象限探测器件相比，具有更高一些的空间分辨能力。而且该测量系统的频率范围延伸至上千赫兹。其缺陷是探测单元少，空间分辨率不高。由于探测单元的截面是圆形的，相邻三个单元间存在空隙，对于湍流强度非常小、光斑尺寸小于探测单元光敏面的情况，虽然测量结果能在一定程度上反映其变化趋势，但是在定量方面不可靠。此外，当湍流强度非常大时，光斑漂移幅度很大并伴随着光斑的破碎，致使部分光逸出探测截面，也影响漂移量的精确计算。这些问题的解决可以通过增加探测单元数目来实现，因而也需要使用多通道的A/D转换器，同时需要在探测系统前加扩束系统以调节光斑接受的面积。
目前，出现了一种比较新的测量光束漂移效应的方法，就是将位置敏感光电倍增管(Position Sensitive Photomultipier Tube，PSPMT)引入大气湍流引起的光束漂移效应的实验测量中。根据光电倍增管的工作原理，可以分析出探测器的放置位置对输出信号的影响，通过实验方法对PSPMT进行了位置定标和增益定标，获得了入射光束在探测面上的位置坐标，测量结果显示：在入射光斑尺度达到厘米级同时具有较高强度的情况下，一次采样无法正确反映入射位置。因此，以若干次测量的统计平均值表示入射位置，并综合考虑采集卡的最高采样频率、采样点和信号频率的因素，可以非常有效地测量光束漂移效应。该方法具有接收口径大，时空分辨率高和设备相对简单等优点［12］。
4大气信道特性测试国内外现状
无线光通信的巨大潜在应用使各个国家对它在大气中的传输特性倍感兴趣，许多研究人员对激光在大气中的传输特性进行了理论探讨和大量的实验观测。尤其是发达国家在信道测试方面已经走在世界前列，近几年来，我国在这方面也做了一些工作。下面举几个比较典型的例子简要介绍一下目前大气信道特性测试的现状。
4.1国外测试现状
1994年，英国伦敦市中心开通了一条155 Mbs/4 km(1.55 μm)的大气激光通信链路，该链路利用配套的气象站及先进的探测器用于研究大气衰减及大气湍流对高速数据传输的影响。该通信链路记录了雾、雨产生的光衰减的累计分布以及出现频度、光束展宽、光强起伏、到达角起伏等一系列实验数据并进行了详细分析，另一条同样建立在伦敦市中心的工作于0.83 μm，通信距离为4.1 km的光通信链路获得了18个月内到达角起伏、12个月内雨引起的光强闪烁的统计特性及其对光通信链路的影响［13］。
为了实现高速可靠的无线光通信链路，德国航空宇宙中心(DLR，German Aerospace Center)于2001年开启了FASOLT测试项目，建立了一条由海拔578~1 620 m处的一条长60.9 km的倾斜测试路径，用于测量大气的变化，波长为808 nm和975 nm。该链路主要用于检测湍流对于数据传输的影响，记录每日的光束变化，到达角起伏和闪烁；它们同时还建立了一套相应的通信系统，用来验证在强湍流下超过60 km的光通信链路的可行性，该系统其发射功率为1 W，接收口径为75 mm，该链路最终成功实现了100 Mb/s的通信，而155 Mb/s和270 Mb/s的通信由于大气衰减的影响而未能实现［14］。
2002年3月到2003年4月，在美国华盛顿，采用大气透射计和能见度仪在雾天环境下进行测试，测试路径倾向于辐射雾，主要目的是测试雾天对无线光通信的影响。最后得出，在能见度较低的情形下(低于650 m)，克鲁斯公式得出的结果是不恰当的；在能见度较高的情形下，克鲁斯公式提供的结果可信度较高［15］。
在2004—2005年和2005—2006年的冬天，在米兰和格拉茨进行了FSO测试。测试是在中等大陆雾的条件下进行的，采用的波长为850 nm和950 nm，距离为79.8 m和650 m。波长为850 nm的发射角为2.4°，发射功率为8 mW，经过透镜后的平均发射功率为3.5 mW；波长为950 nm的发射角为0.8°，发射功率为1 mW。
2007年，捷克共和国利用无线光通信设备和常规气象站进行了无线光通信性能的简单测试，分析能见度等因素的影响，该链路的波长为830 nm，传输距离为100 m，海拔26 m。
4.2国内测试现状
2005年，贵州民族学院的袁纵横用CCD在不同大气条件下对激光信号的传输进行实验测试研究，给出了在同一时刻的不同天气条件下、在同一天不同时刻及不同能见度条件下的测试结果，粗略地分析了随机信道对激光信号传输的影响。
为了进一步研究实际工程中的激光大气传输特性，长春理工大学设计了一个野外激光传输实验系统，在三条不同距离的传输路径上开展了激光野外传输实验。在实验测量数据的基础上，分析了接收孔径尺寸、传输距离、发射光束数目等对接收光强起伏的影响，对比了不同接收孔径尺寸下的到达角起伏变化，讨论了大气湍流对焦平面光斑面积变化的影响［16］。
2007年7月安徽光机所与中国电力科学研究院通讯研究所通信技术研发中心合作，在济南外场进行了实验测量，利用安徽光机所自行研制的微脉冲激光雷达、多道光学粒子计数器和大口径面接收激光闪烁仪，测量了济南地区激光大气传输的衰减效应和湍流效应。
5结语
无线光通信凭借其独特的优势，使得它在通信领域的地位越来越重要，如何克服外界条件对通信质量的影响是目前研究的热门话题。彻底掌握大气信道的特性，进而降低大气衰减和大气湍流效应的影响，是提高无线光通信质量的重要方面。虽然，目前已经出现了一些大气信道特性的测试方法，但是由于受到理论研究和硬件技术的限制，这些方法还不够成熟，相信，随着科学技术的发展，大气信道特性测试方法也将不断地进步，推动无线光通信在各个领域的广泛应用。
参考文献
［1］柯熙政，席晓莉.无线激光概论［M］.北京:北京邮电大学出版社,2003.
［2］樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京:国防工业出版社,2006.
［3］杨瑞科,马春林,韩香娥,等.激光在大气中传输衰减特性研究［J］.红外与激光工程,2007,36(z1):415418
［4］饶瑞中.光在湍流大气中的传播［M］.合肥:安徽科学技术出版社,2005.
［5］吴际华,龚知本.激光辐射通过大气传输的衰减［J］.应用激光,1982(5):14.
［6］宋正方,韩守春.近红外辐射在雾中衰减的研究［J］.红外研究,1987(4):315319.
［7］路远,凌永顺.红外辐射大气透射比的简易计算［J］.红外技术,2003,25(5):4553.
［8］吴晗平.红外辐射大气透过率的工程理论计算方法研究［J］.光学精密工程,1998,5(4):3543.
［9］YUKSEL Heba, DAVIS Christopher C. Aperture averaging analysis and aperture shape invariance of received scintillation in free space optical communication links \[C\]. San Diego, CA, USA: Proc. of SPIE, 2006.
［10］苑克娥,朱文越,饶瑞中,等.基于ShackHartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量［J］.红外与激光工程,2007,36(z1)：436439.
［11］饶瑞中,王世鹏,刘晓春,等.湍流大气中激光束漂移的实验研究［J］.中国激光,2000,27(11):10111014.
［12］马晓珊,朱文越,饶瑞中.利用位置敏感型光电倍增管测量光斑漂移的定标方法［J］.量子电子学报,2006，26(3)：311315.
［13］边永昌.大气对空间光通信影响研究［D］.长春:长春理工大学,2006.
［14］KNAPEK Markus， HORWATH Joachim， PERLOT Nicolas. The ground station in the optical payload experiment (STROPEX)results of the atmospheric measurement instruments \[C\]. \[S.l.\]: SPIE, 2006.
［15］FISCHER K W, WITIW M R, EISENBERG E. Optical attenuation in fog at a wavelength of .55 micrometers \[J\]. Atmospheric Research, 2008,87(34): 252258.
［16］陈纯毅.无线光通信中的大气影响机理及抑制技术研究［D］.长春:长春理工大学,2009.
作者简介： 吴晓军男，1984年出生，辽宁东港人，硕士研究生，助理工程师。主要研究方向为无线光通信理论研究。
张鑫男，1985年出生，硕士研究生。
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