一种复杂天气下的激光链路损耗计算方法

摘要

本发明公开了一种在复杂天气状况下的激光通信链路损耗计算方法，包括以下步骤：建立简化的激光信号传输模型；建立各种天气条件下的衰减模型；建立功率损耗模型；建立信噪比SNR模型；建立误码率模型；计算功率损耗数值分析结果；计算信噪比数值分析结果；计算误码率数值分析结果；制作数据表；功率余量比较。本发明运用了包括传输模型、衰减系数、功率损耗、信噪比以及误码率等一系列模型，充分利用衰减系数这一相关联的参数分别将功率损耗、信噪比、误码率与传输模型系统地结合起来，引入气象学定义划分后的典型天气状况，实现了在具体天气条件下对激光通信的功率、信噪比、误码率等的损耗进行定量分析，乃至直观地判断链路是否畅通的目的。

主权项

1.一种在复杂天气状况下的激光通信链路损耗计算方法，其特征在于：包括以下步骤：A、建立简化的激光信号传输模型激光信号斜程传输的经典模型为$\tau \left(\lambda \right)=\exp [-\sec \phi {\int }_0^H\mu (\lambda ,h)\mathrm{dh}]$其中，τ(λ)为波长λ的激光的大气透射率；μ为总的大气衰减系数，它是波长λ和海拔高度h的函数；φ为天顶角；H为激光垂直传输的高度；将下行链路假设为大气均匀分层且激光垂直传输，则斜程传输的经典模型可简化为垂直传输的模型：τ(λ)＝exp[-μ(λ)h]；B、建立各种天气条件下的衰减模型各种不同天气条件下衰减模型如表1所示：表1不同天气条件下衰减模型表中，μ_h、μ_f、μ_r和μ_s分别为霾、雾、雨和雪的衰减系数，单位为km^-1；V_b为大气能见度，单位为km；α为波长修正因子，且与能见度有关；A为经验常数；v表示降雨速度，单位为mm/h；R为雪速，单位为mm/h；μ_s中a和b的取值依据干雪和湿雪类型确定，干雪时：a＝5.42×10^-5λ+5.4958776，b＝1.38；湿雪时：a＝1.023×10^-4λ+3.7855466，b＝0.72；C、建立功率损耗模型利用垂直传输模型得到每公里功率损耗模型：L(λ)＝10lg exp(-μ(λ))，单位为dB/km；经过计算，得出云、霾、雨、雾和雪的功率损耗，具体计算结果如表2、3、4所示：表2云的功率损耗表3霾和雨的功率损耗表4雾和雪的功率损耗D、建立信噪比SNR模型D1、信号模型通常，探测器接收到的信号功率可表示为P_s＝P_tG_TG_RT_FL_FST_λ，其中，P_t是发射机的峰值功率，T_λ为波长为λ的激光在大气中的透过率，G_T和G_R分别是发射器和接收器透镜的增益，T_F是光学滤波器的透射比，L_FS是自由空间的损耗，公式为其中z为传输距离；D2、噪声模型在无线激光通信系统中，背景和信号服从泊松统计特性，即：探测器产生的光电子数与观测的时间间隔Δt成正比；过程无记忆性，在某时刻一个时间间隔内产生的光子数与该时刻前或后同一时间间隔产生的光子数是相同的；在此统计特征的基础上探测器的噪声功率表示为其中B_det是探测器的带宽；NRP_det为噪声等效功率，由雪崩式光电二极管的性能决定；D3、透过率计算依据米氏散射理论，透过率T_λ表示为下式T_λ＝exp(-μz)，其中的衰减系数μ根据步骤A建立的各种天气状况下的模型确定；D4、信噪比模型$\mathrm{SNR}=\frac{I_1-I_0}{{\sigma }_1+{\sigma }_0}$I₁、I₀分别为探测器总的光电流与无信号输入时的电流，σ₁、σ₀分别为有信号与无信号输入时探测器所接收到的总的均方根噪声；利用所述的信噪比模型及步骤B、C的各种天气状况分类方式，对几种典型的天气情况下大气链路的信噪比进行计算，结果如下表所示；表5晴天和云的信噪比表6霾的信噪比表7雨的信噪比表8雾的信噪比表9雪的信噪比上述表中，因为云没有衰减模型，故之前没有对其进行仿真，这里是依据其衰减系数经验值计算所得；E、建立误码率模型误码率模型，在不同的天气条件下，通信距离的改变，大气信道的误码率也不同，发射功率也要随误码的变化发生改变，才能保证链路的有效；建立误码率模型，便可为在不同天气情况下，预测发射功率的大小提供理论依据；利用激光传输的链路方程：$P_1=P_0\times {\left(\frac{R_r}{R_t+\mathrm{\theta l}}\right)}^2\times {10}^{(\frac{-\mu \left(\lambda \right)}{10}\times l)}$其中，P₁是探测器的接收功率，P₀是发射功率，R_r是接收屏半径，R_t是发射屏半径，θ是发射弧度，l是传播距离，μ(λ)是衰减系数；定义系统误码率模型：$\mathrm{BER}=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left(\frac{<i_{\mathrm{sl}}>}{2\sqrt{2}\sigma \left(l\right)}\right)$<i_sl>为光电探测器的平均光电流，σ²(l)为对应的均方量子噪声电流；F、计算功率损耗数值分析结果：将步骤A的衰减模型引入步骤C所述的功率损耗模型中，同时运用矩阵实验室软件MATLAB做进一步仿真分析，并计算得到典型天气情况下的功率损耗数值分析结果；G、计算信噪比数值分析结果：将步骤A的衰减模型引入步骤D所述的信噪比模型中，同时运用矩阵实验室软件MATLAB做进一步仿真分析，得到典型天气情况下的信噪比数值分析结果；H、计算误码率数值分析结果：将步骤A的衰减模型引入步骤E所述的误码率模型中，同时运用矩阵实验室软件MATLAB做进一步仿真分析，得到典型天气情况下的误码率数值分析结果；I、制作数据表：将步骤F-H的计算结果整理，制作数据表；J、功率余量比较：将衰减后的功率余量与地面接收机的灵敏度相比较，即当功率余量大于灵敏度所需要的功率时，接收机才能收到信号，如此可判断该天气条件下大气链路是否可实现激光通信。