Page 36 - 网络电信2020年4月刊上

光 通 信

的符号之间的串扰，并且具有高频谱利用率和对大气湍流的强 图 2 大气信道湍流涡旋
抵抗力。这为突破光通信的瓶颈提供了技术方法，具有非常广
泛的应用前景和使用价值。
为了解决无线光通信系统在复杂湍流环境下的频率选择性
衰落问题和多径效应问题，改善激光信号大气信道传输问题，
文章在深入探讨大气湍流效应形成原因及影响机理基础上，建
立了大气湍流影响下对数正态湍流通道的高斯光束空间光通信
系统模型，推导出了光波强度的概率密度函数，并利用该信噪
比概率密度函数分析各种大气湍流效应对系统性能的影响；研
究了OFDM调制原理，基于大气通道的特点，合理构建出了FSO-
OFDM系统模型；最后，对多径干扰下的FSO通信系统进行仿真
实验，在相同带宽条件下分别对单载波无线光通信系统和FSO-
图 3 Richardson 湍流级串图
OFDM通信系统的平均误码率性能进行了仿真。经实验验证，所
设计的无线光正交频分复用系统，与传统的单载波系统相比，
改善了激光信号大气信道传输问题，提高了信息传输速率。

二、激光大气传输理论分析
1. 湍流效应
湍流效应会导致大气折射率随机起伏，使接收端光信号
发生闪烁、漂移和光斑失真等现象，对无线光通信系统的信噪
比、误码率等性能指标产生很大的影响。为了最大化无线光通
信系统的优点，首先需要探索无线光通信系统的传输环境，并
了解大气信道对无线光通信系统的机制和影响。
大气环境与大气激光通信系统性能之间的关系如图1所示。
型，推导得出系统光波强度的概率密度函数，可利用该光波强
图 1 大气环境与无线光学系统性能之间的关系
度的概率密度函数分析各种大气湍流效应对系统性能的影响。
1. Kolmogorov 折射率起伏功率谱
大气湍流折射率波动功率谱主要基于Kolmogorov湍流理
论。
大气湍流导致大气光学折射率随机波动。大气折射率n是由
空气的温度和压强的变化引起的，因而它是压强P和温度T的函
[9]
数 ，其表示式为

其中：λ为波长，P为压力，T为热力学温度。Kolmogorov
理论认为：对于局部均匀和各向同性的湍流，折射率的变化可
通常用雷诺数(Re)来描述湍流效应的运动特性。 以通过折射率结构函数来表征，该折射率结构函数与标量距离
的功率成比例 [10] 。

式中：v为流动速度，p为流体密度，μ是流体系数。
2.湍流效应的级串特性 其中：l 0 <r<L 0 ，D n (r)是两个观察点之间的折射率增量的整
2
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动 体平均值，n(r)表示折射率，C n 即大气折射率结构常数。
[8] 在Kolmogorov提出的大气折射率结构函数的“2/3次方定
。从图2可以看出湍流由各种尺度的涡流组成。其中，大的
涡旋不稳定会持续分裂为小的涡旋，直至雷诺数小到某一数值 律”的基础上，可以得到描述大气湍流造成的折射率起伏的功
时，也就是说，当大涡旋继续分裂时，它不会停止，这是湍流 率谱 [11] 。Kolmogorov谱可写为
的弦性。图3是Richardson提出的湍流串特征图。

三、激光大气传输数值计算 式中：k=2π/l为空间波数，l为湍流涡旋的尺度。
在给出Kolmogorov谱模型的基础上，研究了平面波模型， 2. 激光大气传输平面波模型
建立了Log-normal湍流信道下的高斯光束空间光通信系统模 基于先前得到的Kolmogorov折射率功率谱模型，在大气湍

58 网络电信 二零二零年四月