CN102938672B - 大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法，属于大气信道无线激光通信技术领域。本发明通过MODTRAN软件和基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法计算激光大气传输透过率和接收光信号的时域起伏数据，据此生成电光调制器的驱动控制信号，实现对大气影响的模拟。与现有半实物大气影响模拟方法相比，本发明能够比较精确地模拟大气湍流导致的光束漂移对无线激光通信的影响。

Description

大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法
技术领域
本发明属于大气信道无线激光通信技术领域，涉及一种大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法。
背景技术
近年来，无线激光通信受到人们的广泛关注。当无线激光通信系统工作在地球大气中时，大气吸收和散射造成激光信号功率发生衰减，大气湍流导致激光信号出现强度闪烁、光束漂移等现象，会严重降低通信系统的性能。大气影响最终表现为导致激光通信接收机收到的光信号强度发生随机起伏。在强度调制/直接检测激光通信系统中，使用阈值判决法实现数据检测。判决阈值的选取对最终的通信误码率有很大的影响。为了减小通信误码率，往往需要在激光通信接收机中使用某种最优判决阈值估计算法来估计最优的判决阈值。通常情况下，最优阈值估计算法的性能受接收光信号自身的起伏特性影响。因此，激光通信接收机的最优判决阈值估计算法的性能需要在实际通信工作过程中进行检验。开展野外无线激光通信试验是检验激光通信接收机的最优判决阈值估计算法性能的一种有效手段。但是，一方面开展野外试验的成本比较高，另一方面，受时间、地点、气象条件的限制，野外试验能涉及的外界大气条件有限，在试验过程中不能灵活地改变大气条件。因此，如何在实验室内模拟各种大气条件对激光信号传输的影响，并将这些影响加到实际的无线激光通信系统中，对于无线激光通信系统设计结果有效性的检验以及设计参数的优化有重要的作用。
激光大气湍流传输模拟有多种方法，包括：①激光在大气湍流模拟池中传输、激光穿过用空间光调制器模拟的湍流等半实物模拟方法；②基于随机相位屏的数值模拟方法。半实物模拟方法受物理条件限制，难以准确地模拟出给定的大气湍流内外尺度以及风速参数。一篇发表在《Optics Express》2008年16卷3期2206～2220页的文章，使用基于随机相位屏的数值模拟方法，模拟的了激光在大气湍流中传输时的光强闪烁时间特性；实际上，使用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法可以得到接收面上的随时间变化的光斑强度分布，再对光学接收天线口径内的光强进行积分求和，即可得到光学接收天线实际收到的随时间变化的光信号功率。
发明内容
本发明方法的目的在于提供一种大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法，实现在实验室内模拟大气对无线激光通信系统的光信号传输的影响。
本发明方法的技术解决方案：首先根据无线激光通信试验的链路参数和所考虑的大气条件，利用数值方法计算出激光大气传输的透过率和接收光信号的时域起伏数据；在激光通信接收机A001的光学接收天线103和探测器105之间，使用电光调制器104来控制接收光信号的强度；根据数值方法计算得到的透过率和接收光信号的时域起伏数据，通过计算机108生成电光调制器104的驱动控制信号A002，以便通过驱动控制电路模块107控制电光调制器104的输出光信号强度，将大气对激光传输的影响加到激光通信接收机的接收光信号中，实现大气对无线激光通信影响的实验室模拟。如图1所示，激光通信发射机101发射的激光信号经光学透镜组102后被光学接收天线103接收，再经电光调制器104进行强度调制后，入射到激光通信接收机A001的探测器105上；探测器105的输出电信号传送给码元符号判决模块106，由码元符号判决模块106实现最终的通信数据检测；计算机108根据数值方法计算得到的激光大气传输的透过率和接收光信号的时域起伏数据，生成电光调制器104的驱动控制信号A002，驱动控制信号A002通过驱动控制电路模块107传送给电光调制器104。光学透镜组102对激光通信发射机101发射的光束进行变换，使激光通信发射机101发射的光束能完全被光学接收天线103接收。
为了正确地生成电光调制器104的驱动控制信号A002，需要事先对电光调制器104进行标定。如图2所示，通过实验测量得到电光调制器104的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线A003，其中透光率T为1表示入射到电光调制器104上的激光完全从电光调制器104透射过去，透光率T为0表示入射到电光调制器104上的激光完全不能从电光调制器104透射过去。
本发明方法根据无线激光通信试验的链路距离、所考虑的试验地点的海拔/地形/地貌/气溶胶类型、激光波长，使用MODTRAN软件计算激光大气传输的透过率τ。
本发明方法根据无线激光通信试验的链路距离、发射光束参数、所考虑的试验地点的大气折射率结构常数、大气湍流内尺度、大气湍流外尺度、垂直径向风速、光学接收天线103的参数，使用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法，模拟大气湍流对激光传输的影响；每隔时间Δt就从激光发射端开始模拟一次激光在整个大气湍流传输路径上的传输过程，得到接收平面上的光斑强度分布，再在光学接收天线103的口径内对接收面上的光斑强度进行积分求和，得到光学接收天线103的实际接收光信号功率B003，并计算接收光信号功率B003与激光发射端的发射光功率A004的比值A005。通过连续模拟很多次激光在整个大气湍流路径上的传输过程，可以得到比值A005的一个时间序列A006。由于大气湍流导致激光的光强闪烁，因此时间序列A006中的各个元素的值是变化的。时间序列A006对应的时间长度为Δt与时间序列A006的元素个数的乘积。在进行数值模拟时，要求Δt＜Greenwood时间常数。
在进行无线激光通信实验室试验时，首先使激光通信发射机101、激光通信接收机A001、电光调制器104、驱动控制电路模块107正常工作；令i＝1，N为时间序列A006中的元素个数；为了模拟大气对无线激光通信的影响，计算机108每隔时间Δt就做如下工作：
Step001：计算激光大气传输的透过率τ与时间序列A006中的第个元素的值的乘积，并将计算结果赋值给变量S；将变量S除以光学透镜组102的透光率，并将计算结果赋值给变量Q；
Step002：根据变化关系曲线A003，计算透光率T等于变量Q时的驱动控制信号v的值A007；
Step003：生成大小等于值A007的驱动控制信号A002，并将其输出给驱动控制电路模块107；
Step004：i＝i+1，如果i＞N，则i＝1。
有益效果
本发明提供了一种大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法。在本发明中，首先通过MODTRAN软件和基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法计算激光大气传输透过率和接收光信号的时域起伏数据，然后根据这些计算结果来生成电光调制器的驱动控制信号，实现对激光信号强度的控制。本发明提供的模拟方法，能够根据要求灵活地设置链路距离和大气条件参数，不受物理条件限制。由于在数值模拟时，已将激光通信发射机的发射光束参数以及光学接收天线参数纳入考虑之中，因此本发明提供的模拟方法可以比较精确地模拟大气湍流导致的光束漂移对无线激光通信的影响。与现有的半实物模拟方法相比，本发明提供的模拟方法更有优势。
附图说明
图1为硬件组成结构示意图。
图2为电光调制器的透光率随驱动控制信号的变化关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。在本实施例中，电光调制器选用强度电光调制器。在激光大气湍流传输数值模拟中，Δt＝1/16×Greenwood时间常数。对于实际电光调制器来说，受晶体材料物体特性的限制，通常情况下，电光调制器的最大透光率小于1。假设通过实验测量得到的电光调制器104的最大透光率为Tmax，则电光调制器104能模拟的无线激光通信链路的接收光信号功率与激光发射端的发射光功率之比不超过Tmax与光学透镜组102的透光率的比值。接收光信号功率与激光发射端的发射光功率之比依赖于发射光束的束散角、链路距离、光学接收天线103的口径、激光大气传输透过率、大气湍流导致的激光光强闪烁、大气湍流导致的激光光束漂移参数。在开展无线激光通信试验之前，应该验证需要模拟的无线激光通信链路的接收光信号功率与激光发射端的发射光功率之比的最大值不超过Tmax与光学透镜组102的透光率的比值。通常情况下，电光调制器的最小透光率大于0，这可能会降低大气影响的模拟精度，选择消光比大的电光调制器可在一定程度上克服这一问题。在本实施例中，选择消光比为80以上的电光调制器。
本发明方法根据无线激光通信试验的链路距离、所考虑的试验地点的海拔/地形/地貌/气溶胶类型、激光波长，使用MODTRAN软件计算激光大气传输的透过率τ。
本发明方法根据无线激光通信试验的链路距离、发射光束参数、所考虑的试验地点的大气折射率结构常数、大气湍流内尺度、大气湍流外尺度、垂直径向风速、光学接收天线103的参数，使用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法，模拟大气湍流对激光传输的影响；每隔时间Δt就从激光发射端开始模拟一次激光在整个大气湍流传输路径上的传输过程，得到接收平面上的光斑强度分布，再在光学接收天线103的口径内对接收面上的光斑强度进行积分求和，得到光学接收天线103的实际接收光信号功率B003，并计算接收光信号功率B003与激光发射端的发射光功率A004的比值A005。通过连续模拟很多次激光在整个大气湍流路径上的传输过程，可以得到比值A005的一个时间序列A006。由于大气湍流导致激光的光强闪烁，因此时间序列A006中的各个元素的值是变化的。时间序列A006对应的时间长度为Δt与时间序列A006的元素个数的乘积。在进行数值模拟时，要求Δt＜Greenwood时间常数。
在进行无线激光通信实验室试验时，首先使激光通信发射机101、激光通信接收机A001、电光调制器104、驱动控制电路模块107正常工作；令i＝1，N为时间序列A006中的元素个数；为了模拟大气对无线激光通信的影响，计算机108每隔时间Δt就做如下工作：
Step001：计算激光大气传输的透过率τ与时间序列A006中的第i个元素的值的乘积，并将计算结果赋值给变量S；将变量S除以光学透镜组102的透光率，并将计算结果赋值给变量Q；
Step002：如果变量Q的值小于电光调制器的最小透光率，则将变量Q赋值为电光调制器的最小透光率；
Step003：根据变化关系曲线A003，计算透光率T等于变量Q时的驱动控制信号v的值A007；
Step004：生成大小等于值A007的驱动控制信号A002，并将其输出给驱动控制电路模块107；
Step005：i＝i+1，如果i＞N，则i＝1。
在本实施例的步骤Step002中，针对电光调制器的最小透光率大于0的情形，对变量Q的值进行了修正，以便在步骤Step003中能正确地计算出驱动控制信号v的值。
在本实施例中，参数N的值可以根据需要按如下方法确定：其中H表示需要通过数值模拟得到的接收光信号的时域起伏数据对应的时间长度。

Claims (1)

1.大气对无线激光通信影响的实验室模拟方法，其特征在于，所需的系统结构和实施方法如下： 
首先根据无线激光通信试验的链路参数和所考虑的大气条件，利用数值方法计算出激光大气传输的透过率和接收光信号的时域起伏数据；在激光通信接收机A001的光学接收天线(103)和探测器(105)之间，使用电光调制器(104)来控制接收光信号的强度；根据数值方法计算得到的透过率和接收光信号的时域起伏数据，通过计算机(108)生成电光调制器(104)的驱动控制信号A002，以便通过驱动控制电路模块(107)控制电光调制器(104)的输出光信号强度，将大气对激光传输的影响加到激光通信接收机的接收光信号中，实现大气对无线激光通信影响的实验室模拟；激光通信发射机(101)发射的激光信号经光学透镜组(102)后被光学接收天线(103)接收，再经电光调制器(104)进行强度调制后，入射到激光通信接收机A001的探测器(105)上；探测器(105)的输出电信号传送给码元符号判决模块(106)，由码元符号判决模块(106)实现最终的通信数据检测；计算机(108)根据数值方法计算得到的激光大气传输的透过率和接收光信号的时域起伏数据，生成电光调制器(104)的驱动控制信号A002，驱动控制信号A002通过驱动控制电路模块(107)传送给电光调制器(104)；光学透镜组(102)对激光通信发射机(101)发射的光束进行变换，使激光通信发射机(101)发射的光束能完全被光学接收天线(103)接收； 
为了生成电光调制器(104)的驱动控制信号A002，需要事先对电光调制器(104)进行标定；通过实验测量得到电光调制器(104)的透光率T随驱动控制信号v的变化关系曲线A003； 
根据无线激光通信试验的链路距离、所考虑的试验地点的海拔/地形/地貌/气溶胶类型、激光波长，使用MODTRAN软件计算激光大气传输的透过率τ； 
根据无线激光通信试验的链路距离、发射光束参数、所考虑的试验地点的大气折射率结构常数、大气湍流内尺度、大气湍流外尺度、垂直径向风速、光学接收天线(103)的参数，使用基于随机相位屏的激光大气湍流传输数值模拟方法，模拟大气湍流对激光传输的影响；每隔时间Δt就从激光发射端开始模拟一次激光在整个大气湍流传输路径上的传输过程，得到接收平面上的光斑强度分布，再在光学接收天线(103)的口径内对接收面上的光斑强度进行积分求和，得到光学接收天线(103)的实际接收光信号功率B003，并计算接收光信号功率B003与激光发射端的发射光功率A004的比值A005；通过连续模拟很多次激光在整个大气湍流路径上的传输过程，可以得到比值A005的一个时间序列A006；由于大气湍流导致激光的光强闪烁，因此时间序列A006中的各个元素的值是变化的；时间序列A006对应的时间长度为Δt与时间序列A006的元素个数的乘积；在进行数值模拟时，要求Δt＜Greenwood时间常数； 
在进行无线激光通信实验室试验时，首先使激光通信发射机(101)、激光通信接收机A001、电光调制器(104)、驱动控制电路模块(107)正常工作；令i＝1，N为时间序列A006中的元素个数，其中H表示需要通过数值模拟得到的接收光信号的时域起伏数据对应的时间长度，Δt为时间间隔；为了模拟大气对无线激光通信的影响，计算机(108)每隔时间Δt 就做如下工作： 
Step001：计算激光大气传输的透过率τ与时间序列A006中的第i个元素的值的乘积，并将计算结果赋值给变量S；将变量S除以光学透镜组(102)的透光率，并将计算结果赋值给变量Q； 
Step002：根据变化关系曲线A003，计算透光率T等于变量Q时的驱动控制信号v的值A007； 
Step003：生成大小等于值A007的驱动控制信号A002，并将其输出给驱动控制电路模块(107)； 
Step004：i＝i+1，如果i＞N，则i＝1。 
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