因吸收和散射而引起的特殊的大气衰减atmoWord文档格式.docx
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1引言
在设计FOS链路时，必须考虑到若干影响因素，包括因大气吸收而引起的损耗、散射和湍流、小气候环境和局部影响、链路距离和链路未对准。
还必须考虑到波长的选择、数据率、眼睛安全问题和周围的太阳辐射等。
FSO系统的运营要求在视距（LOS）内。
当测试视距时，由于FSO系统使用波束扩展和经校准的波束，因此波束中心与任何障碍物之间所需的空隙实际上等于波束半径。
这与RF系统形成对比，后者需要菲涅耳区空隙。
FOS系统的主要缺点是它们容易受到大气的影响，如衰减和闪烁的影响，这些影响会降低链路的可用性。
窄的波束还使激光通信终端的布局要求比RF系统的布局要求更严格。
设计FOS链路时的一个关键参数是功率预算因素。
链路余量（dB）是指超出接收机灵敏度的可用功率，可以通过公式
（1）计算得到：
（1）
其中：
Pe（dBm）：
发射机总的功率；
Sr（dBm）：
接收机的灵敏度，它取决于带宽（数据率）；
Ageo（dB）：
因发射波束随距离增大而扩展所引起的链路几何衰减；
Aatmo（dB）：
因吸收和散射而引起的大气衰减；
Ascintillation（dB）：
因大气湍流而引起的衰减；
Asystem（dB）：
代表所有其他与系统有关的损耗，包括因未对准波束方向而引起的损耗、接收机光损耗、因波束漂移而引起的损耗、因周围光线而引起的灵敏度降低（阳光辐射）等。
在下面各节中给出这些项的定义和计算，以及对规划一条FSO链路所做的最初考虑。
2设计FSO链路时最初的考虑因素
选择合适的链路位置是事关FSO系统能否成功运行的一个重要问题。
FSO链路的安装必须考虑到路径沿途的主要气候条件、物理障碍、表面类型以及收发器的安装情况，以确保链路的最佳性能。
2.1天气
–选定链路路径附近的气候条件，尤其是当地的气候，将影响雪、雨、毛毛雨、霾、气溶胶和灰尘/沙粒的出现，而这些因素将造成所发射信号的吸收与散射。
2.2路径特性
–必须明确避免发射机与接收机之间路径的物理障碍。
非常值得注意的是，成年树木在一年内可以长高0.5～1米，并且一年内其树叶密度也会发生变化。
–建筑物之间的链路应考虑到热气通风口，它会造成整个链路路径上热空气的上升，并且因此而产生的湍流会导致接收机上明显的闪烁效应。
–FSO视距路径之下的地形和表面类型可对链路性能产生巨大的影响。
跨越山谷或开放海域的FSO链路常常会受到雾的影响。
链路之下的建筑物结构可能引起其上空气额外的热活动，并因此而可能导致接收信号上更强的闪烁效应。
2.3收发器安装
–大多数FSO系统的波束宽度都非常窄，结果是，准确安装发射机与接收机变得至关重要；
任何不当的安装都有可能引起巨大的信号损耗。
望远镜的座架必须稳固，应直接安装于坚固的墙上，或安装于单根柱子的顶部，对一段时间内可靠的性能而言，这些都被认为是必不可少的条件。
应尽可能减小因不均匀热膨胀而引起的移动或因风而引起的振动。
3几何衰减
即使在晴朗的天气条件下，波束也会分岔，结果是，检测设备收到的信号功率变小了。
因发射波束随距离增大而扩展所引起的衰减称为几何衰减，通过以下公式来计算：
（2）
Scapture：
接收机捕捉表面积（m2）；
Sd：
距离d处发射波束表面积，它通过以下公式来近似计算：
其中：
：
波束分叉（mrad）；
d：
发射机－接收机之间的距离（km）。
对短的链路，捕捉面积有可能大于波束面积。
在这些情况下，由于聚集了所有的波束能量，因此Ageo的值应设为0。
4因吸收和散射而引起的特殊的大气衰减atmo
特殊的大气衰减atmo（dB/km）可计为以下两个项的和：
（3）
clear_air：
晴空条件下的特殊衰减（因存在气体分子）；
excess：
因偶尔出现的雾、薄雾、霾、毛毛雨、雨、雪、冰雹等而引起的特殊衰减。
大气是一个随时间变化的传输媒介，因此，atmo是一个随机过程。
不过，如公式
（1）所示，对系统可用性及其影响所施加的限制通常从统计学角度进行处理。
链路余量Mlink代表衰减数量，它是特定系统在特定范围内可以容许的。
4.1特殊的晴天衰减clear_air
晴天条件下的衰减主要是指因气体分子吸收而引起的衰减。
在特定光波长上的大气吸收源自光子、原子或分子（氮N2、氧O2、氢H2、水H2O、二氧化碳CO2、臭氧O3等）之间的相互作用，这种相互作用导致入射光子的吸收和温度的升高。
吸收系数取决于：
–气体分子类型；
及其
–浓度。
分子吸收是一种波长选择性现象，它带来大气传输窗和大气吸收区。
在红外波段中具有高吸收性的重要大气分子包括水H2O、二氧化碳CO2、臭氧O3和氧O2。
由于气体分子的尺寸大大小于波长，因此，来自气体分子的散射栓见可以忽略不计。
通常情况下，激光的波长选择在大气传输窗之内，因此，clear_air可以忽略不计。
在FSO系统中所用的波长通常接近690、780、850和1550nm。
不过，与相对未受污染的郊区位置相比，在气溶胶含量很高的密集市区的应用，可能受益于不同的波长。
4.2特殊的额外衰减
额外衰减是指因雾、薄雾、霾、毛毛雨、雨和雪颗粒的偶尔出现而引起的衰减。
这些颗粒的出现会引起入射通量的角度再分布，称为散射，它减少了初始方向上的通量传播。
不过，这里不存在类似于吸收的能量损耗。
发射激光波长散射体的物理大小决定了散射类型。
表1显示了三种不同的散射形式，它们取决于散射体的大小以及波长与散射体衰减系数之间的大致关系（有效截面积）。
表1还显示了各种形式中有关可见光和红外波长的散射体类型。
表1
取决于相对发射激光波长之散射体大小r的散射形式。
还显示了波长与散射体衰减系数Q（）之间的大致关系。
瑞利散射
米氏散射
非选择性散射
或几何散射
r<
<
Q（）～−4
r
Q（）～−1.6～
Q（）～0
r>
>
散射体类型
空气分子
霾
雾
气溶胶
雨
雪
冰雹
由于瑞利形式的Q（）～−4关系式，因此气体分子的散射对总的衰减系数的影响可以忽略不计。
由于颗粒比波长大得多，因此可以通过几何光学来描绘与激光波长无关的散射。
雨滴、雪、冰雹、云中的小水滴和浓雾将在几何上散射激光。
由于颗粒的尺寸可以相比激光波长，因此可应用米氏散射理论。
雾和气溶胶颗粒是米氏散射过程的主要作用因素。
可以使用一种解析法，它基于理论上获得的大气颗粒有效截面积来计算预测特定的衰减，对大气颗粒，假设了其颗粒大小的分布。
不过，气溶胶或雾的颗粒大小分布都是决定其物理和光学特性的重要参数，难以对它们进行建模和度量。
4.2.1估计因雾天而引起的特殊的衰减fog（米氏散射）
由于解析法在计算因米氏散射而引起的衰减时常常不太实用，因此FSO界采用了一些经验法。
在这些方法中，因米氏散射而引起的衰减系数与能见度有关。
能见度或视距在技术上定义为：
光的最初功率降至2%所经过的距离，或者，质量上的能见度是指刚好能够参照地平线辨别一个黑体的距离。
能见度参数易于度量并存储于气象站或机场数据库中，它允许使用该参数的分布来对这些电信系统做本地性能评估。
不过，在机场收集到的能见度数据可能不一定代表在城市或农村环境中的条件，这两种环境在地形学上差异巨大，接近水体。
以下是一个经验简化公式，在FSO界用来计算因雾而引起的特殊衰减fog（）（dB/km）：
（4）
V：
能见度（km）；
：
波长（nm）；
q：
取决于散射颗粒之大小分布的一个系数。
它由实验数据决定，如下所示：
q=1.6V>
50km
=1.36km<
V<
50km（5）
=0.585V1/3V<
6km
为获得超过某个特定时间百分比的衰减值（即针对某个特定的概率），要求公式（4）不超过该百分比的能见度值。
4.2.2因雨天而引起的特殊的衰减rain
特殊的雨衰减rain（dB/km）通过以下关系式来计算：
（6）
ITU-RP.837建议书提供了降雨率R（p）（mm/h），超过了平均年的任何特定百分比p和任何位置的降雨率，公式（6）提供了超过时间百分比p的特殊衰减。
参数k和取决于雨的特性，表2提供了从这些指标确定的一些值。
图1和图2描绘了rain与降雨率R之间的关系，使用了表2中有关日本的参数。
表2
用于估计因下雨而引起的特殊衰减的参数
位置
k
日本
1.58
0.63
法国
1.076
0.67
图1
因降雨而引起的大气衰减
图2
4.2.3因雪天而引起的特殊的衰减snow
作为降雪之函数的衰减通过以下公式来计算：
（7）
snow：
因降雪而引起的特殊衰减（dB/km）；
S：
降雪率（mm/h）；
和b：
波长的函数（nm）。
表3中给出了干雪和湿雪的估计值。
表3
用于估计因下雪而引起的特殊衰减的参数
α
b
湿雪
0.000102+3.79
0.72
干雪
0.0000542+5.50
1.38
5闪烁的影响
影响激光通信系统性能的第二个主要大气过程是因湍流而引起的大气闪烁，它将引起接收信号功率出现剧烈波动。
大气湍流产生临时性的气囊，其温度稍有不同，密度和折射率也不同。
当激光束穿越这些折射率不同的大气时会发生变形，因波束漂移和闪烁，会出现数据丢失现象。
各种影响的大小取决于这些湍流单元相对激光束直径的大小。
如果湍流单元大于波束直径，那么若波束漂移开接收机孔径，则整个激光束将发生随机弯曲，导致信号损耗。
尽管波长依赖性较弱，但较长的波长将比较短的波长更少地发生波束漂移。
更常见的是，如果湍流单元的尺寸小于激光束直径，那么射线弯曲和衍射将在激光束波前产生失真。
这将在接收机处引起激光束强度的暂时波动，频谱范围为0.01Hz～200Hz，称为闪烁。
对流层闪烁的影响一般从被观测信号的幅度对数χ（dB）（“对数－幅度”）角度进行研究，定义为其瞬时幅度与其平均值之间的比，以分贝数计。
强度和波动率（闪烁频率）随波长的增大而增大。
对平面波和弱湍流，闪烁变化（dB2）可以通过以下
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