沙尘天气下激光信号的传输特性研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xueyueer001
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由于激光脉冲信号具有精度高、传输速率快、保密性能好等特点,因此被广泛应用于通信、导航、测量等工程领域中。然而,近年来随着自然环境的恶化,我国北方沙尘天气频发,空气中沙尘粒子的浓度增加,尤其是在我国的西北地区,沙尘天气的发生情况更加严重。当激光信号在沙尘天气中传输时,沙尘粒子对激光信号的吸收作用和散射作用会严重影响激光信号的传播特性,从而造成无线光通信系统误码率上升,导致通信系统的可靠性和稳定性降低。因此研究激光信号在沙尘天气中的传输特性具有重要的意义。本文主要的研究工作如下:  以米氏散射理论为基础,计算了单个球形沙尘粒子对激光信号的散射光强分布,分析了沙尘粒子的衰减效率因子、散射效率因子和吸收效率因子随粒子半径的变化关系。分别研究了不同波长的激光信号在沙尘天气中发生单次散射和多次散射时光强与能见度间的变化关系。推导出了激光信号发生单次散射时光强与能见度间的解析表达式,同时采用蒙特卡洛方法分析了发生多次散射时光强与能见度间的关系,并将其结果与激光信号发生单次散射时的结果进行了对比。为了进一步分析激光信号强度在传输过程中所受到的影响,本论文还分别计算了当激光信号波长、沙尘能见度以及光信号传输距离不同时,接收端光强的变化情况。  激光脉冲在沙尘天气中传输时,会受到沙尘粒子的散射和吸收作用,这不但会导致激光信号能量的衰减,还会使激光脉冲信号的时域和频域特性发生较大的变化。这种影响往往会导致光束能量减小,光束的形状产生畸变,严重影响接收系统的性能。沙尘粒子对激光光束的多次散射作用使接收端产生多径效应,这将导致接收到的脉冲波形产生时延和展宽。针对激光脉冲在沙尘天气中的时延和展宽问题,以光信号在离散介质中的传输理论为依据,求解了脉冲信号在传播过程中的双频互相关函数,推导了沙尘天气下的脉冲响应。通过分析沙尘天气中不同能见度下激光脉冲时延和展宽的变化情况,得到了激光脉冲的时延量和展宽量与沙尘能见度间的关系,并分别研究了波长为3.8μm、7.6μm和10.6μm的激光脉冲的时延和展宽与沙尘天气中大气能见度间的关系。
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