大气激光信道传输的特殊介质影响及其信号处理

　　随着通信技术向大容量和长距离方向发展，大气激光通信在卫星间通信、本地网＂最后一公里＂接入及军事通信等领域有着广阔的应用前景。大气空间光通信是指以激光束为信息载体，在空间中直接进行数据、语音和视频等信号传输的通信技术，融合了微波通信和光纤通信的优势，能进行点对点、点对多点或多点间的语音、数据和图像双向通信。国际上已经对空间光通信系统所涉及的各项关键技术展开了深入研究，取得了突破性进展，成功实现了星间通信和星地通信。我国也已成功地试验了星地通信，很多单元技术已趋于成熟。
　　自由空间光通信 (free space optical communication，FSO) 系统是无线通信与光纤通信两者结合的产物。它包括深空卫星、同步轨道卫星、中轨道卫星、低轨道卫星之间及地面站之间的激光通信，还包括卫星与地面站之间的激光通信。大气激光通信是利用激光在大气中传输来通信， 与无线电相比，光具有频率高、方向性强、可用频谱宽、保密性强等优点；与光纤通信相比，具有造价低、施工简单、速度快等优势。
　　20 世纪 80 年代，各国竞相开始对不同调制方法的自由空间光通信技术进行理论与工程化研究。
　　美国、日本及欧洲的一些国家在光通信技术方面的研究一直处于领先地位。
　　80 年代初，麻省理工学院 (Massachusetts Institute of Technology，MIT) 林肯实验室和美国航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA) 联合研制了 NASA-ACCS 通信卫星演示系统，发射机采用了差分相移键控 (differential phase shift keying，DPSK) 调制方式，通过光外差检测进行接收，并于 1989 年成功发射了装载该系统的卫星。1995 年，由 NASA 支持的加州理工学院喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory，JPL) 研制完成了激光通信演示系统(laser communication demonstration systems, LCDS)，对信号光采用 OOK 调制方式。OOK 调制的优点是对激光器光源频率的稳定性要求不高，信标光采用连续波 (continuous wave，CW) 调制方式，LCDS 的数据传输速率为 750Mbit/s。1995 年，美国战略导弹防御组织实施了空间技术研究车 2 (Space Technology Research Vehicle 2, STRV-2) 实验计划。STRV-2 的通信单元采用 IM/ DD 方式半导体激光发射和雪崩光电二极管接收，数据传输速率估计达到 1Gbit/s。2000 年，朗讯公司和 Astro Terra 公司成功实现了 1550nm 附近 4 波长、波分复用为 10Gbit/s、传输距离为 5km 的无线光通信实验商用系统。2013 年 10 月，美国 NASA 成功实现了月球激光通信终端与地面的激光通信链路，数据传输速率为 622Mbit/s。该项目采用 16-PPM 调制、超导纳米线单光子探测及地面终端阵列收发技术，有效克服了大气湍流信道的光强闪烁问题和接收功率密度低的问题，实现了灵敏度极高的光子接收。
　　欧洲主要的光通信研究组织是欧洲航天局 (European Space Agency, ESA) 以及英国、法国和德国的一些机构。
　　80年代后期，ESA 制定了著名的半导体激光星间链路实验 (Semiconductor-Laser Intersatellite Link Experiment, SILEX) 计划，该计划是在卫星之间建立激光通信链路，研制所有关于卫星之间激光通信的子系统和通信单元。1994 年，由英国、加拿大和比利时的公司联合研制了小型光学用户终端 (small optical user terminal, SOUT) 和甚小光学用户终端 (very small optical user terminal, VSOUT)，采用 IM/ DD 方式实现星间链路通信。2001 年，SILEX 计划中研制的通信终端成功实现了世界上首次星间激光链路实验，采用二进制相移键控调制 (binary phase shift keying，BPSK) 相干检测方式，通信速率为 50Mbit/s。2005 年，德国宇航中心 (DLR) 研制了BPSK 调制/零差检测光通信通信终端 (laser communication terminal, LCT)，通信实验数据传输速率达到了 5.625Gbit/s，也是现有星地通信实验中的最高速率。2006 年 5 月，日本的光学轨道间通信工程试验卫星 (Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite, OICETS) 与国家信息通信技术研究所 (National Institute of Information and Communication Technology, NICT) 地面站成功地实现了激光通信实验。OICETS 搭载的激光利用通信设备 (laser utilizing communication equipment, LUCE) 激光通信终端，采用光功率为 100mW、偏振态为左旋圆偏振的 847nm 激光，调制方式为非归零码直接强度调制，数据速率为 49.3Mbit/s，误码率为 10−6。2009 年，英国诺森比亚大学 Popoola 指出大气湍流会大大降低直接检测系统性能，副载波调制优于 OOK，是一种有效抑制大气湍流影响的调制方法，可以将副载波 BPSK 调制技术应用于大气通信链路。2014 年 11 月，AlphaSat 卫星与 ＂哨兵＂1A 之间进行了第二代激光通信终端 (laser communication terminal, LCT) 激光通信验证，采用 BPSK 调制/零差检测， 测试速率达到 600Mbit/s，到 2015 年 8 月，已成功进行了 100 多次高速激光通信试验。
　　国内对自由空间光通信的研究起步较晚，但近年来已经取得了一些突破和进 展。
　　2002 年，中国科学院成都光电技术研究所开发了无线光通信终端，传输速率为 10Mbit/s，工作波长为850nm，通信距离为1∼4km，发射功率为 3∼30mW。电子科技大学对空间激光通信关键技术进行了有益的探索，2002 年研制了地面演示系统进行卫星光通信验证。武汉大学主要进行大气激光通信及信标光的捕获和跟踪方面的研究，于 2002 年进行了大气激光通信试验，采用 IM/ DD 方式，并在 2008 年完成了空间光通信自动跟踪伺服系统的地面模拟试验，2011 年实现 4.6km FSO 链路，使用密集波分复用完成了 5Gbit/s 数据传输。西安理工大学自 2000 年起对大气激光通信系统进行研究，在光学设计、编码调制等方面取得了令人欣喜的进展， 已经成功研制出一种无线激光通信系统终端，具有一些常用数字接口，包括串口、 并口、以太网，能在计算机或终端设备之间实现全双工通信，完成数据、语音和图像的可靠传输。2009 年，广西桂林激光通信研究所研制了激光大气通信机。该通信机通信距离可以达到 5km，通信速率为 155Mbit/s，误码率小于10−7。哈尔滨工业大学深入研究了星间激光通信技术。2011 年 10 月，哈尔滨工业大学研制的星地通信终端搭载在＂海洋二号＂卫星上，进行了我国首次星地激光通信试验并取得圆满成功，单路数据传输率可以达到 504Mbit/s。2013 年 9 月，长春理工大学成功地完成了飞机和飞机间的远距离激光通信试验，且在深空光通信方面也进行了有益的探索与研究。
　　从国内外自由空间光通信发展脉络可以看出：自由空间光通信技术发射端已由最初的 OOK 调制方式向其他多种调制技术发展，如 SCM 调制、PPM 调制、多脉冲位置调制 (MPPM)、数字脉冲间隔调制 (DPIM) 以及 BPSK 调制等，可靠、高效和抗干扰能力强的调制技术是进行高传输速率和低误码率通信的保证，在提高系统性能方面起着重要作用。自由空间光通信的接收端也因为直接检测灵敏度低而向相干检测方向发展。
　　降雨、雾、沙尘对大气信道传输的影响
　　激光在大气信道传输时受气候条件的影响很大，这主要是由于大气中气体分子和气溶胶粒子的吸收和散射造成的。在大气自然介质中的主要影响物质是CO2、O2、 水滴、烟、灰尘、冰片等。在对流层中，大部分水分以水蒸气、雾、水滴的形式结合起来，使能见度降低。据统计，激光在大气中的雨、雾、雪中的衰减程度依次是 3∼8dB/km、3∼10dB/km 和 3∼20dB/km。
　　爆炸产生的烟雾对大气信道传输的影响
　　国外对激光在烟幕中的传输研究较多，并且很多是在烟箱中进行实验，然后通过 Mie 理论进行分析和计算。
　　大气激光通信在战场环境的应用越来越多，作为战时的应急通信手段越来越受到重视。激光在战场的通信质量与战场环境有最直接和最大的关系，而爆炸作为战场的最主要因素，研究爆炸与激光通信有重要意义。
　　更多内容，详见目录
　　前言
　　第1章 大气激光通信 1
　　1.1 大气激光通信的发展 1
　　1.2 大气信道传输概论 3
　　1.2.1 降雨、雾、沙尘对大气信道传输的影响 3
　　1.2.2 爆炸产生的烟雾对大气信道传输的影响 4
　　1.3 大气激光通信下OFDM的发展 5
　　参考文献 7
　　第2章 光信号在大气介质中的能量衰减 9
　　2.1 大气介质对光信号传输的影响 9
　　2.1.1 大气分子的吸收效应 11
　　2.1.2 大气分子的散射效应 12
　　2.1.3 大气湍流效应 13
　　2.1.4 大气气溶胶对光信号的影响 14
　　2.2 降雨对光信号的影响 16
　　2.2.1 雨滴单球粒子的Mie散射 17
　　2.2.2 光波在雨介质中的衰减 17
　　2.2.3 雨滴尺寸分布模型 19
　　2.2.4 雨滴单球粒子的计算机仿真 20
　　2.2.5 光波在雨介质中的衰减仿真 22
　　2.3 雾的物理特性及对光信号的衰减效应 24
　　2.3.1 雾的分布与分类 24
　　2.3.2 雾的气溶胶模型 25
　　2.3.3 雾滴谱分布 26
　　2.3.4 雾滴尺寸分布模型 27
　　2.3.5 光信号在雾中的衰减仿真 28
　　2.4 沙尘暴对光信号的衰减效应 30
　　2.4.1 沙尘气溶胶模型与衰减特性 31
　　2.4.2 沙尘气溶胶粒子的复折射率 32
　　2.4.3 沙尘气溶胶的衰减特性 33
　　2.5 本章小结 36
　　参考文献 36
　　第3章 爆炸产生的烟雾对激光传输影响研究 38
　　3.1 烟雾对激光衰减的计算 38
　　3.1.1 van de Hulst近似方法 39
　　3.1.2 爆炸烟雾中激光衰减计算需要确定的参数 40
　　3.1.3 爆炸烟雾粒子分布选取 40
　　3.1.4 梯度传输理论 41
　　3.2 爆炸烟雾粒子的扩散模式 45
　　3.2.1 连续点源高斯扩散模式 46
　　3.2.2 烟团扩散模式 48
　　3.2.3 美国AD报告推荐的烟幕扩散模式 49
　　3.2.4 爆炸烟雾扩散模式的假设 50
　　3.2.5 仿真计算 51
　　3.3 爆炸对激光传输中湍流强度的影响公式推导 55
　　3.3.1 爆炸产物模型分析 55
　　3.3.2 爆炸产生大气压强的计算 56
　　3.3.3 爆炸超压峰值的对比 58
　　3.3.4 爆炸产生湍流的计算 60
　　3.3.5 仿真结果与分析 61
　　3.4 本章小结 63
　　参考文献 63
　　第4章 大气激光通信下OFDM系统结构及影响因素 65
　　4.1 大气激光通信下OFDM的数学描述 65
　　4.1.1 基本原理 65
　　4.1.2 保护间隔和循环前缀 68
　　4.1.3 大气激光通信下OFDM相干系统模型 70
　　4.2 大气激光通信下OFDM系统信道估计 73
　　4.2.1 信道估计算法 74
　　4.2.2 插值算法 77
　　4.2.3 基于导频的大气激光通信下OFDM信道估计 78
　　4.2.4 基于训练序列的大气激光通信下OFDM信道估计 81
　　4.3 信道编码下的大气激光通信OFDM信道估计 85
　　4.3.1 RS码下的信道估计 86
　　4.3.2 Turbo码下的信道估计 88
　　4.3.3 LDPC码下的信道估计 90
　　4.3.4 仿真比较分析 92
　　4.4 本章小结 93
　　参考文献 93
　　第5章 大气激光通信下的相位均衡技术 95
　　5.1 相位均衡技术概述 95
　　5.1.1 BPSK调制技术 95
　　5.1.2 QPSK调制技术 96
　　5.1.3 QAM调制技术 97
　　5.1.4 自适应滤波器原理 97
　　5.1.5 自适应滤波器应用 98
　　5.1.6 大气激光通信下的均衡系统模型 101
　　5.1.7 格形结构自适应滤波器 101
　　5.2 最小均方误差算法 102
　　5.2.1 LMS算法原理 102
　　5.2.2 RLS最小均方误差算法 103
　　5.2.3 算法的性能分析 104
　　5.2.4 仿真结果与分析 105
　　5.3 恒模盲均衡算法 106
　　5.3.1 恒模盲均衡算法原理 106
　　5.3.2 盲均衡技术的应用 107
　　5.3.3 Godard算法 108
　　5.3.4 Bussgang类算法 108
　　5.3.5 CMA算法 109
　　5.3.6 CMA算法的改进 110
　　5.3.7 仿真结果与分析 112
　　5.4 本章小结 113
　　参考文献 114
　　第6章 适于高速传输的大气激光通信 115
　　6.1 基于MIMO系统的大气激光通信 115
　　6.1.1 MIMO系统简介 115
　　6.1.2 系统模型的建立 116
　　6.1.3 自适应波束形成技术 117
　　6.1.4 恒模算法的改进应用 118
　　6.1.5 仿真结果及分析 119
　　6.2 适于信息高速传输的均衡技术 120
　　6.2.1 64-QAM调制技术的应用 120
　　6.2.2 均衡系统模型 120
　　6.2.3 步长因子的选择对恒模算法中的影响 121
　　6.2.4 眼图及蒙特卡罗曲线 122
　　6.2.5 仿真结果及分析 123
　　6.3 本章小结 126
　　参考文献 126
　　第7章 大气湍流信道不同调制方式直接检测性能 127
　　7.1 直接检测接收机模型 127
　　7.1.1 直接检测的基本原理 127
　　7.1.2 光电检测器统计特性 128
　　7.1.3 光电检测器噪声模型 129
　　7.2 开关键控直接检测性能 131
　　7.2.1 接收机信噪比和灵敏度 131
　　7.2.2 对数正态分布信道接收机性能 133
　　7.2.3 Gamma-Gamma信道接收机性能 135
　　7.3 脉冲位置调制直接检测 137
　　7.3.1 单脉冲位置调制 137
　　7.3.2 差分脉冲位置调制 140
　　7.4 数字脉冲间隔调制直接检测 140
　　7.5 副载波强度调制系统载噪比 142
　　7.5.1 ASK副载波强度调制 142
　　7.5.2 MPSK副载波强度调制 144
　　7.5.3 OFDM副载波强度调制 144
　　7.6 本章小结 147
　　参考文献 147
　　第8章 大气湍流信道相干检测系统性能 149
　　8.1 相干光检测技术 149
　　8.1.1 相干光检测系统组成 149
　　8.1.2 相干光检测基本原理 149
　　8.1.3 相干光检测优点及关键技术 150
　　8.2 相干光检测灵敏度及影响因素 151
　　8.2.1 相干光接收机检测灵敏度 151
　　8.2.2 Gamma-Gamma信道相干光检测性能 155
　　8.3 相干光检测载波恢复技术 156
　　8.3.1 MPSK载波频偏估计和相位估计算法 156
　　8.3.2 副载波强度调制载波恢复 158
　　8.3.3 OFDM载波频偏估计算法 162
　　8.4 偏振复用/偏振分集接收相干检测 166
　　8.4.1 相干检测偏振分集接收 166
　　8.4.2 偏振复用/相干接收 167
　　8.5 本章小结 167
　　参考文献 168
　　第9章 紫外光通信 169
　　9.1 紫外光通信简介 169
　　9.1.1 紫外光通信原理 169
　　9.1.2 紫外光通信特点 170
　　9.2 紫外光通信的应用 171
　　9.3 紫外光通信国内外研究现状 173
　　9.3.1 国外研究状况 173
　　9.3.2 国内研究状况 174
　　9.4 紫外光通信系统理论分析 175
　　9.4.1 大气组成及紫外光光谱特性 175
　　9.4.2 紫外光通信信道特性分析 176
　　9.4.3 紫外光通信两种大气传输模型 179
　　9.4.4 非直视紫外光通信系统的两种模型 182
　　9.5 晴朗天气下紫外光通信系统性能分析 186
　　9.5.1 路径损耗分析 187
　　9.5.2 脉冲响应分析 188
　　9.5.3 系统3dB带宽 190
　　9.5.4 信道容量仿真预测 192
　　9.6 紫外光源和光的接收设备 194
　　9.6.1 紫外光源 194
　　9.6.2 光电探测器 197
　　9.6.3 滤光片 199
　　9.6.4 无线紫外光通信可行性实验分析 200
　　9.7 本章小结 202
　　参考文献 203
　　本文摘编自朱耀麟等著《大气激光信道传输的特殊介质影响及其信号处理》文前及第一章，内容有删减。
　　大气激光信道传输的特殊介质影响及其信号处理
　　朱耀麟等 著
　　责任编辑: 宋无汗 张瑞涛
　　北京：科学出版社 2019.01
　　ISBN：978-7-03-059846-2
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　　《大气激光信道传输的特殊介质影响及其信号处理》以大气激光通信的无线信道传输特性和信息处理为主线，全面系统地介绍不同大气条件对自由空间激光通信传输特性的影响，注重基础理论分析与应用实践相结合，主要内容包括大气介质、降雨、雾、沙尘暴以及爆炸产生的烟雾对大气信道传输的影响，OFDM系统结构及不同信道编码下的信道估计适用于高速传输的MIMO系统的大气激光通信和均衡技术，大气湍流信道不同调制方式下直接检测系统性能，相干光检测技术的光传输系统及偏振复用/偏振分集接收的相干检测，以及晴朗天气下紫外光通信系统的性能等。本书着重讨论对大气激光通信最具影响的因素，并在一定程度上反映了国内外的研究现状。
　　（本期编辑：安 静）
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