第二章 激光通信信道

2.1大气信道对激光信号的衰减作用

激光在大气中传输会受到复杂气候气象条件的影响，而且这种影响很大，即在传输过程中，光的强度衰减很快，这种现象主要是由于大气中存在CO2、氧、烟、灰尘、水滴、冰粒等，这些气体分子和大气气溶胶粒子对激光的散射和吸收作用造成的[1]。

在较低的大气层中大部分的水分以细水滴、雾和水蒸气的形式集合起来，它们占了大气总体积的4%，这就使得大气的能见度变得较差，光在大气中的传播也受到天气的影响，雾霾对通信也有极大的影响[11]。

大气自身属性对激光束的传播有很大的影响，主要的影响因素有：大气的透射率、大气分子对光束的吸收与散射、大气微粒引起的消光作用以及大气湍流运动对光束的扰动[12]。在工程上一般将大气激光信道分成大气衰减信道和大气湍流信道两个类别，此外，大气信道中的背景噪声也是一个影响因素。

2.2水下信道对激光信号的衰减作用

实现光束在水下传输是非常具有挑战性的，不同水体的基本特征（从浅水到深海）有很大的不同，深入了解复杂的水下环境的物理化学特性对完成这项工作是非常重要的。不同水体的性质会随着地理位置（从深蓝色海洋到近海水域附近）和溶解物浓度的改变而变化。在一般情况下，考虑以下不同的水体类型：

(i)纯海水：纯海水中的吸收被认为是纯水中吸收（没有悬浮颗粒物）和盐在纯盐水中吸收的总和。后者被假定为在可见光谱区（400-700nm）是可以忽略不计的。在该波段吸收是主要限制因素且会随着波长的增加而加剧。因此，波长为500nm的红光衰减超过蓝色光，所以，清澈的深海水会呈现蓝色。

(ii)清澈的海水：这类海水中含有更多的溶解颗粒像溶解盐，高浓度的矿物成分，有色可溶有机物等，基于悬浮颗粒的浓度和它们的地理位置，他们被进一步分为1型到III型（基于Jerlov水型）[13]。

(iii)沿海海水：溶解颗粒浓度高，故而浊度增加。这种水体条件下吸收和散射的影响更多。

(iv)混浊港：具有最高浓度的溶解物和悬浮粒子，因此，吸收和散射对光束传播限制极大。

水的光学性质分为固有光学性质和表观光学性质两大类。固有光学特性是只依赖于介质的具体组成和存在于介质中的颗粒物质，而表观光学性质则依赖于介质以及光照的几何扩散结构直线光束或分散开的光束。固有光学性质包括吸收系数、散射系数、衰减系数和用来确定水下无线光通信链路估算的体积散射函数。表观属性定义的是光束方向性的属性，并用于评估水平表面附近的光通信环境[14]。常见的表观特性是辐射，辐照度和反射率。表观特性只能由规则和稳定的光源组成。因此，太阳的辐照度可以随着时间和云层变化，是个不稳定的特性。在这样的情况下，一个考虑环境影响的特性比例系数，还有结合归一化导数进行评估拟合，得到公式其中E是原来的表观性状，如太阳下行辐照度。水的物理性质不仅在地理上不同，而且还会根据垂直深度而变化。最上层称为透光层，因为它可以接收到足够量的阳光，因此，大量含有叶绿素的浮游植物的光合作用在这个区域进行。这一区域在清澈的海水中深度可达200米，在大陆架为40米、在沿海水域则是15米。叶绿素随深度的变化形成一个从表面到底部的高斯曲线。

叶绿素-深度分布高斯曲线的峰值被称为深度-叶绿素最大衰减系数，如图2-1所示。

图2-1：随深度增加而变化的衰减曲线[16]