论天气与激光通信的关系

2018-06-22侯亚萍

科学与财富 2018年15期

侯亚萍

摘要：激光通信是运用激光进行通信传输的方式。由于激光在大气中传播，通信通道是开放的，所以会被不同的天气情况影响到，本文是对天气与激光通信之间关系的探讨。首先，概括了一下什么叫做激光通信，激光通信有什么特点，从光纤通信技术存在哪些优势，以及易受天气影响的局限性。接下来，详细讲述了大气对激光在传输过程中的影响。从晴雨雪三种天气状况进行论述，大气对激光信道则从衰减效应、湍流效应全面进行详细介绍。又总结不同类型的天气对大气信道和大气激光通信的影响，分论通信质量好的天气还有两种通信质量不高的天气分别是什么原理。接下来，又简单讲不同的通信质量下的天气进行分类。最后，总结全文指出写作目的是为了指导今后大气激光通信事业的发展，架构出完整的应用方案体系。

关键词：激光通信；大气；通信质量；天气状况；效应

1 引言

无线激光通信技术指的是利用激光来进行通信传输的一种通信方式。在这个过程中，由于激光在大气中进行传播，通信通道的开放性，使得激光通信与大气之间关系密切。大气层物质复杂，情况多变，常会出现刮风下雨、打雷闪电、台风等天气，影响激光通信的正常进行。要想解决这个棘手的问题，就要首先来了解一下天气对大气激光通信信道的影响，即两者之间存在的关系。

2 无线激光通信的定义和特点

无线激光通信是无线通信技术重要的一种，主要指的是以光为通信媒介，以低层大气层作为传输信息通道的通信方式。与其他的无线通信方式相比，也有显著的优势，如激光通信比微波通信的安全性更高，信息传输量更大，对抗外界因素影响的能力更强。同时，与另一种无线通信光纤通信技术相比，激光通信的安装步骤更加灵活方便、使用成本更低，能够有效解决宽带最后接入的问题，在光纤通信技术无法连接的领域也发挥着巨大用途，在实际的应用中越来越广泛的利用。

3.天气情况对激光通信的影响

激光通信由于在大气中进行传播，便不可避免的会受到天气情况的影响，所以要想了解两者之间的关系，就要从天气状况入手。常见的天气状况有能见度高的晴天、包含湿气大、雾气重、云层浓厚的云雾天，还有水珠雪花尺度较大的雨雪天气三种。不同的天气状况有些自己独特的特点，对激光传输的影响也不同。如由于透明空气受到涡流和温度梯度的扰动，会直接导致投射的折射率发生变化，进一步改变激光在大气中的传播途径和方向。而云雾天气下，会产生大量的水花，使得正在传输中的光产生散射作用和吸收作用，进而影响传输过程中光的衰减和传感道路整体的改变。综上所述我们可以看出，不同的天气状况对激光通信有着不同的影响。主要可以分为湍流效应和衰减效应两大类。下面让我们一起进行详细了解。

3.1 衰减作用

激光作为光的一种，在大气层的传输过程中通常会发生散射作用和吸收作用。学术界将这种激光在大气层中产生的能量的减少称为衰减作用。很多情况下，散射都会构成衰减，大气层中激光的散射主要有以下三种情况：

1）光的波长远远大气中散射的微粒的长度时，发生瑞利散射作用。大气层中的氮、二氧化碳、氧分子等原子分子等对激光产生的就是瑞利散射作用。

2）当光的波长远远小于大气层中散射微粒的直径时，会发生几何散射作用。如湿气重的雨滴、冰雪、大雾等天气就会产生几何散射作用。

3）当光的波长正好等于或稍微小于散射的物质尺寸时，会产生米氏散射作用。这种散射主要发生在阴霾和雾气不太重的天气状况下。

从这三种情况我们可以看出，三种散射的不同之处主要在于激光波长和散射粒子限度之间的关系。不同的波长会产生不同的散射作用。

3.2 大气湍流

湍流指的是流速达到一定数值的物体，在流体中的运动路径不再平滑，随之流体做随机的没有规律的运动。由于大气层中的温度一直在发生变化，所以大气层就是一个运动着的流体系统，当激光的流速达到一定值时，就会开始做不规则的随机运动。传输质量受到影响，主要有一下四种情况：

1）光强闪烁

光强闪烁就是大气闪烁，这种现象主要是因为光的折射随机变化引起的，光在湍流窝传输过程中，由于折射使得失真情况出现，相位没规律的变化，光的强度也大大小小忽明忽暗。形成光束闪烁的效果，这就是光强闪烁映像。

2）弯曲和漂动

光完全被一个湍流包围，也就是光的传播直径比湍流直径要小时，在湍流的作用力下光会发生大面积的偏折现象。在这个过程中，光斑在一定区域会发生变化，这就是光的弯曲。经常用偏移量来表示。这种情况下，如果再将光看做是一个整体，激光的方向就会產生变化，学术界习惯称之为光的漂动效应。

3）光的展宽

激光的光的展宽效应指的是，经过传输后接受到的光束长度和占地面积发生了明显的变化。这是由于光的衍射作用和湍流漩涡的共同作用引起的。如果光的传输长度远远的大与湍流漩涡的长度，就会导致漩涡的变大，使得接收到的光发生衰减，光的半径进一步变大。从这个角度上说，激光的展宽是激光在大气层传输过程中光的强度明显下降有关的一种湍流漩涡作用。

4）其他作用

前面已经介绍了大气变化效应中的衰减效应和大气闪烁、光束弯曲和漂移、光束展宽三种湍流效应，其实除这些之外，由于大气物质含量大，情况复杂，还有其他的情况存在。

常见的有到达角的起伏变化、光斑的分散、光的影像点抖动和光的相位面发生扰动。还有背景噪声的加强，主要是由大气的散射作用导致。

大气层的情况是复杂多样，瞬息万变的，在实际的激光通信熊，往往不会只是一种情况单独出现，而是两种或两种以上的效应同时出现。对大气层的通信工作产生影响，今后的研究工作中要综合考虑，妥善处理这个问题。

4 各种天气情况下的激光通信

研究界使用大量的大气激光通信设备进行许多实验，研究了许多天气状况下的通信情况，来研究不同的天气类型与大气信息通道和激光通信的关系，成果如下。

4.1 大气湍流下的激光通信

大气湍流下的通信条件遭到严重破坏，情况较为复杂，易出现光强闪烁，信号不稳定，忽大忽小。下面简要介绍：

1）空气湿润、温度比较高的天气。一般出现在夏季。

2）太阳光照，雾气渐渐退去。

3）雨后天气放晴，温度快速回升。

4）晴朗天气时中午两点温度最高时。