航空平台间激光通信捕获链路功率分析与仿真

徐春凤， 韩成， 姜会林

(1.长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022； 2.长春理工大学 计算机科学技术学院, 吉林长春 130022)



航空平台间激光通信捕获链路功率分析与仿真

徐春凤1,2， 韩成2， 姜会林1

(1.长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022； 2.长春理工大学 计算机科学技术学院, 吉林长春 130022)

为研究航空平台间激光通信系统中主要环节和信道对信标光功率的影响，根据捕获探测器的信噪比和探测概率关系，分析激光器发射到探测器接收全环节的信标光功率变化情况，建立了空空激光通信捕获链路仿真系统。通过该仿真系统，分析不同大气能见度所对应的探测概率，在此基础上讨论要实现探测概率为99%，需要的最小发射功率和最长通信距离。仿真结果表明：发射功率越大，大气能见度对航空平台间激光通信探测概率的影响越明显；发射功率不变，大气能见度越高时，最长链路距离越远；当发射功率为5 W，地面能见度大于等于10 km时，即可实现150 km的激光链路。通过仿真系统得出了信标光发射功率与探测概率之间的关系，对激光器的选择起到一定的借鉴作用。在仿真的基础上，开展的飞机间野外试验，可以有效地模拟飞机间激光通信系统的捕获探测概率。

通信技术； 空空激光通信； 捕获链路； 能见度； 信噪比； 探测概率

0 引言

多年来，作为一种先进的通信技术，自由空间激光通信一直受到国内外学者的高度重视，开展了众多方面的研究，取得了很多研究成果。相对于卫星平台或地面平台，航空平台空间激光通信装置由于受到平台强振动的扰动、强天空背景光大气信道和高动态等因素的影响，因此，以航空平台为节点的激光通信链路的技术难度是最大的，并受到了各国的高度重视[1-4]。捕获、对准、跟踪(APT) 系统是激光通信的前提和保证。由于外界环境因素的严重干扰，APT技术成为航空平台间激光通中最复杂、最困难的技术之一[5]，其中捕获是建立激光通信链路的第一步。

对于航空平台间激光通信，1989年美国成功进行了飞机间激光通信试验，但通信速率只有19.2 kb/s；1999年，利用两架T39-A飞机开展了50 km到500 km的激光通信试验，在试验过程中，使用4个激光器融合成两个信道，每个信道的速率为600 Mb/s. 随后的十年，各国主要进行了星间或飞机到其他平台间激光通信试验，并取得了丰硕的成果。直到2011年，美国TT公司将自己研制的FALCON通信终端安装到无人机或载人飞行器，成功建立了132 km、2.5 Gb/s通信链路，并维持了30 min，期间经历了飞机转向、倾斜飞行和大气湍流[6]。

相对星间激光通信而言，空地、空空、星空等激光通信系统在搭载平台、通信信道、背景光等方面具有很多新的特性[7-10]。现有的研究主要集中在空地激光通信APT系统、 外界环境和通信性能等方面， 对航空平台间激光通信的研究并不多。捕获时间和捕获概率是自由空间激光通信捕获系统的主要技术指标，其中捕获概率由统计覆盖率、扫描覆盖率、探测概率构成，探测概率主要与捕获器件的信噪比有关，而捕获器件上的光斑能量的噪声决定着信噪比。对于航空平台激光通信，基于仿真系统来研究捕获链路中光功率的变化，并对在不同条件下分析捕获探测概率是非常有意义的。

1 捕获链路功率分析

对于航空平台间的空间激光通信，由于两个搭载平台的位置和姿态都不确定，需要进行一段时间的初始指向，即将两个通信终端的视轴旋转到一个特定的区域，称为捕获不确定区域。由于存在测量等误差，在接收和发射终端完成初始指向后，被测终端期望的姿态与实际测量得到的姿态间存在角度误差，即初始指向误差。信标光离开发射口径，经过远距离传输后，接收口径平面上得到的光斑不再是理想的平面波，因此，指向误差将直接影响捕获探测器上的光功率，在文中将对这种影响进行建模。在航空平台间激光通信系统中，由激光器发射的信标光功率，经过一系列的增益和衰减，获得探测器接收的信标光功率， 如图1所示。

图1 航空平台间激光通信捕获链路的仿真系统 链路图Fig.1 Laser communication acquisition link in air-air laser communication

激光捕获链路的功率变化，可以近似表示为接收光功率、发射功率、发射天线增益、发射光学效率、自由空间衰减、大气信道衰减、初始指向误差衰减、接收天线增益、接收光学系统效率的乘积。发射天线的增益与信标光的束散角有一定的关系。收发光学单元的光学表面质量会影响激光光束的波前功率分布。对于能量服从高斯分布的光斑，初始指向误差引起的衰减[11]可近似为

G(θdir)≈e-8(θdir/θdiv)2，

(1)

式中：θdir为初始指向误差角度；θdiv为激光器输出的束散角。

2 大气信道分析

航空平台既有低空平台(如低空飞艇、直升机等)，又有高空平台(临近空间平台)，对于高空平台间激光通信受到的大气信道的影响比较小，但对于低空平台间的激光通信受到的大气的影响比较大。因此，激光通信的信道包括自由空间信道和大气信道，自由空间信道损耗不考虑大气引起的损耗[11]。自由空间信道引起的损耗LS，其关系为

(2)

式中：λ为激光波长；L为通信距离。

对于空空激光通信来说， 激光在大气中传播时，由于两个航空平台近似位于相同高度，因此其激光通信链路可以认为是水平的，可以忽略高度对激光通信的影响。散射衰减系数与激光波长和不同海拔高度处的压强p及温度T有关[12]：

(3)

式中：R=287.05 J/(kg·K)；Kb为波尔兹曼常数；nNN为在0 km海拔高度处的空气折射率；ρNN为在0 km海拔高度处的空气密度。大气衰减系数为

(4)

式中：v为能见度(m)；λ0=550 nm；q是与能见度有关的系数[13]，关系为

(5)

大气湍流闪烁效应使远场光斑的功率在时域和空域产生强烈的波动，从而使得汇聚到探测器上的光功率呈现较强烈波动，极大地增加了光功率偏离的程度。在中、弱湍流条件下，平面波和球面波的对数振幅起伏方差[14]分别为

3<α<5；

(6)

3<α<5.

(7)

式中：a(α)可由(8)式[14]表示：

3<α<5；

(8)

(9)

(10)

在高速飞行时，位于航空平台舱壁表面处的气体被压缩。根据文献[16]可知，由于温度的差异，引起流体加速变化，导致航空平台舱壁上的气体密度与自由气体的密度有较大差异，由此可以得到飞机舱壁处和自由气流密度间的关系为

(11)

式中：ρw为平台舱壁处的密度；ρ0为大气密度；M0为自由气流马赫数；r为回收参数；u为等压与等容时的比热之比。

由于静压力不变，因此大多数附面层流的密度会出现波动。层流附面层的密度变化是平稳的，因此不需要考虑其引起的能量衰减。由于流层有序的活动受到破坏，演变成无序的运动，产生湍流附面层。在弱像差条件下，附面层主要是引起Strehl比的下降，近似为

(12)

式中：σ2为波前方差。假定湍流是各向的，预计的波前方差为

(13)

式中：G表示气体的一种特性；lz为沿光轴的相关长度；ρ为波动密度；l为通过扰动的总光程。

3 信噪比和捕获探测概率分析

对于大多数空间激光通信系统来说，都选用电荷耦合器件(CCD)作为捕获探测器。探测器的信噪比直接影响探测概率，因此需要对CCD的噪声进行分析。假设CCD噪声信号统计服从标准的正态分布，若采用强度调制/直接探测方式，由虚警率、丢失率和探测概率的定义可知，对于CCD探测器的一个像元来说，探测概率为

(14)

式中：iA为CCD接收到的平均有效信号对应的电流；It为CCD的阈值电流；iN为CCD均方噪声电流；erfc(·)为余补误差函数；erf(·)为误差函数。

通过前面的分析可知，捕获探测概率主要与探测器的信噪比有关。大多数情况下，捕获探测器采用CCD，CCD信噪比[16]为

(15)

式中：Ns为信号等效电荷数；NB为背景光信号等效电荷数；NN-RMS为暗电流等效电荷数；NN-AD为量化误差等效电荷数。探测器接收到的天空背景光功率PB与天空背景光亮度谱密度φ(λ)、系统的接收口径d、接收视场角θ、窄带滤光片的带宽Δλ有关，其表达式为

(16)

4 仿真结果与分析

根据上述的理论可知，信标光的信噪比直接决定着探测概率，因此构建了捕获链路功率仿真分析子系统，该系统的仿真界面如图2所示，系统中的主要参数如表1所示。通过该系统，可以分析不同参数条件下，激光通信系统接收到的光功率和信噪比。在此基础上，就可以进一步分析不同参数与探测概率的关系。

运行此仿真系统，可以得到不同CCD信噪比条件下的捕获探测概率，如图3所示。当信噪比大于6时，一个通信终端的捕获探测概率优于99%.

从前面的分析可知，大气湍流对信标光功率的影响主要与大气折射率结构常数有关，比较典型的模型如图4所示，在仿真系统中采用Hufnagel-Valley模型[17]。

在上述条件下，初始指向误差与功率衰减之间的关系如图5所示，指向误差为3 mrad时，信标光功率损耗大约50%。假设初始指向误差为2 mrad(其他参数不变)，如图6所示，曲线A是地面大气能见度为10 km条件得到的，曲线B是地面大气能见度为20 km条件得到的，曲线C是地面大气能见度为30 km条件得到的。为了使捕获探测概率优于99%，需要的最小发射功率分别为4.2 W、2.5 W、1 W.

图2 捕获链路功率分析仿真系统Fig.2 Simulation system for power analysis of laser communication acquisition link

发射功率/W2量化噪声等效CCD输出电压值/μV141激光器输出的束散角/mrad3CCD每个电荷数等效输出电压值/μV345波长/nm1550CCD像元数256×256安全裕量14量子效率03发射光学系统透过率07CCD积分时间/ms8发射口径/mm230CCD响应灵敏度7光学放大系数10亮度谱密度/(W·m-2·nm-1·sr-1)02通信距离/km100接收视场角/mrad10航空平台的海拔高度/km5窄带滤光片带宽/nm3接收天线口径/mm230接收光学系统透过率07

图3 信噪比与探测概率的关系Fig.3 SNR vs. detection probability

图4 大气折射率结构常数模型Fig.4 Model of atmospheric refractive index structure parameter

图5 指向误差与功率衰减之间的关系Fig.5 Pointing error vs. power attenuation

图6 信标光发射功率与探测概率之间的关系Fig.6 Relationship between transmitting power of beacon and detection probability

假设初始指向误差为3 mrad(其他参数不变)，如图7所示，图7中曲线A是地面大气能见度为10 km条件得到的，曲线B是地面大气能见度为20 km条件得到的，曲线C是地面大气能见度为30 km条件得到的。为了使捕获探测概率优于99%，所需要的最小发射功率分别为4.5 W、2.9 W、1.3 W.

图7 信标光发射功率与探测概率之间的关系Fig.7 Relationship between transmitting power of beacon and detection probability

假设初始指向误差为4 mrad(其他参数不变)，如图8所示，曲线A是地面大气能见度为10 km条件得到的，曲线B是地面大气能见度为20 km条件得到的，曲线C是地面大气能见度为30 km条件得到的。为了使捕获探测概率优于99%，所需要的最小发射功率分别为5 W、3.5 W、2 W.

图8 信标光发射功率与探测概率之间的关系Fig.8 Relationship between transmitting power of beacon and detection probability

假设信标光的发射功率为2 W(其他参数不变)，如图9所示，曲线A是地面大气能见度为10 km条件得到的，曲线B是地面大气能见度为20 km条件得到的，曲线C是地面大气能见度为30 km条件得到的。使捕获探测概率优于99%的条件下，最大的通信距离分别约为小于100 km、200 km、280 km.

图9 通信距离与探测概率之间的关系Fig.9 Communication distance vs. detection probability

假设信标光的发射功率为3 W(其他参数不变)，如图10所示，曲线A是地面大气能见度为10 km条件得到的,曲线B是地面大气能见度为20 km条件得到的，曲线C是地面大气能见度为30 km条件得到的。使捕获探测概率优于99%的条件，最大的通信距离分别约为100 km、250 km、320 km.

图10 通信距离与探测概率之间的关系Fig.10 Communication distance vs. detection probability

假设信标光的发射功率为5 W(其他参数不变)，如图11所示，曲线A是地面大气能见度为10 km条件得到的，曲线B地面大气能见度为20 km条件得到的，曲线C地面大气能见度为30 km条件得到的。在满足捕获探测概率优于99%的条件下，最大的通信距离分别约为150 km、300 km、350 km.

图11 通信距离与探测概率之间的关系Fig.11 Communication distance vs. detection probability

在上述仿真的基础上，开展了飞机间野外试验，其中与捕获相关的数据如表2所示，表中记录了多次捕获试验的部分数据和仿真结果。根据图3给出的仿真结果，当信噪比大于6时，一个通信终端的捕获探测概率优于99%，可以看到试验数据中捕获成功的概率和仿真结果是一致的。因此，本文所构建的仿真模型可以有效地模拟飞机间激光通信系统的捕获探测概率。

5 结论

捕获概率与多种因素有关，例如：大气吸收、湍流、漂移、折射率结构常数；信标光激光波长、功率、束散角；光端机平台的稳定强度、运动角速度、角加速度；激光接收的效率、灵敏度等多要素强关联的指标。文中只针对探测概率分析了从激光器发射到探测器接收全环节的信标光功率变化情况，建立了仿真模型。在不同的条件下，利用本仿真系统分析了航空平台间激光通信捕获性能，通过分析可知，当参数如表1所示的情况下，地面大气能见度大于25 km时，信标光发射功率为3 W就可满足捕获概率优于99%的要求。其他条件不变，要满足捕获概率优于99%的要求，在地面大气能见度分别为10 km、20 km、30 km的条件下，得到的最小发射功率分别约为4.5 W、2.9 W、1.3 W. 发射功率越大，对捕获概率的影响越明显。

表2 捕获不确定区域试验

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Analysis and Simulation of the Power of Laser Communication Acquisition Link in Air-Air Optical Communication

XU Chun-feng1,2, HAN Cheng2, JIANG Hui-lin1

(1.School of Opto-electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022, Jilin, China; 2.School of Computer Science and Technology, Changchun University of Science and Technology， Changchun 130022, Jilin, China)

In order to study the effects of the key link and channel in air-air laser communication system on beacon power, the change of beacon power from laser emission to detector receiving is analyzed, and the simulation system of air-air optical communication acquisition link is established based on the relation between signal-to-noise ratio and detection probability of acquisition detector. A simulation system is used to analyze the detection probabilities under different atmospheric visibility. The required minimum transmitting power and maximum communication distance are analyzed with detection probability of 99%. The results show that the greater the transmitting power is, the more obvious the impact of atmospheric visibility on the detection probability of the air-air laser communication is. When the transmitting power is constant, the atmospheric visibility is higher, and the longest link distance is greater. When the transmitting power of beacon is 5 W and the ground atmospheric visibility is or more than 10 km, the relevant maximum communication link of 150 km can be achieved. The relationship between the transmitting power of beacon and the detection probability is explored by the simulation system. The field experiment is carried out on the basis of simulation, which could effectively simulate the acquisition and detection probability of air-air laser communication.

communication technology; air-air laser communication; acquisition link; atmospheric visibility; signal-to-noise ratio; detection probability

2016-02-02

国家自然科学基金项目( 91338116)

徐春凤(1977—)，女，讲师，博士研究生。E-mail:xcf@cust.edu.cn； 韩成(1978—)，男，副教授，硕士生导师。E-mail: hchwork@sina.com; 姜会林(1945—)，男，工程院院士，博士生导师。E-mail: hljiang@cust.edu.cn

TN929.12

A

1000-1093(2016)11-2015-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.008