后向散射对陆战激光通信影响分析

李小明，张广城，刘伟达

（1.长春理工大学　空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春　130022；2.长春工程技术学院，长春　130021）

后向散射对陆战激光通信影响分析

李小明1，张广城2，刘伟达1

（1.长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，长春130022；2.长春工程技术学院，长春130021）

激光通信抗干扰能力强、保密性好，非常适用于陆战条件下抗电磁干扰通信，对提升陆军作战能力具有重大推动作用。陆战环境复杂烟尘较重，发射的激光受到大气后向散射的影响会反射到己方的接收系统中，对接收产生一定影响，因此必须对激光通信系统后向散射的强度进行分析。根据陆战激光通信系统的特点，对收发独立口径和收发共口径的两类激光通信光系统大气后向散射进行了分析，并对系统发散角、接收视场、光轴间距等参数与后向散射强度的关系进行了仿真，为优化系统参数、减小大气后向散射对系统影响提供了参考。

激光通信；大气后向散射；陆战通信

大气激光通信是以激光为信息载体，在大气信道中进行无线传输的通信方式，它具有抗干扰能力强、保密性好、通信速率高等优点［1，2］。但激光在大气中传输时极易受到大气的影响，导致通信质量下降。大气对激光通信的影响主要有折射、吸收、散射和湍流等，其中散射是由大气分子和大气中的气溶胶离子等引起的传输方向上激光能量的减弱［3，4］，散射方向与激光传输方向相反的散射称为后向散射。后向散射带来的逆向传输会导致发射的激光经后向散射进入自己的接收系统中，在同波长双向通信时严重干扰系统对通信激光的接收探测，影响通信性能［5］。

在传统链路的激光通信系统中（卫星-卫星、卫星-地面等）通信节点较少，采用通信收、发系统使用不同波长激光，结合窄带滤光的方法能够很好解决后向散射的影响［6］。但是在陆战激光通信中通信节点较多，为了保证通信网络中不同作战单位通信的需要，要求通信网络中的各通信节点间均有相互通信能力，因此系统必须采用收、发同波长方案，这样就必须考虑后向散射对通信的干扰问题。

1　激光通信系统

因为激光通信系统的通信光束散角比较小（几十～几百μrad），为了保证通信时双方的通信光轴能够快速捕获和相互对准，激光通信系统一般都设计有束散角相对较大、光轴与通信光光轴平行的主动信标光单元，通信双方互相发射一束信标激光，然后通过相互跟踪对方信标光束保证双方通信光光轴的对准，信标光单元一般采用收发独立口径设计。为了压缩束散角、提高接收能量，通信光单元一般采用收发共口径方案，既通信激光的发射和接收采用同一个大口径光学天线，在后续光路中采用分光片将收发光分开。某激光通信系统的光学原理和光学结构分别如图1和图2所示。

图1　某激光通信系统光学原理图

图2　光学构示意图

2　后向散射强度模型

激光在大气中传输时，主要受到空气密度不均造成的分子散射、气溶胶粒子造成的气溶胶散射和大气湍流引起的不均匀性散射的影响。根据粒子的尺度与光波长的关系，散射可以分为：直径远小于激光波长粒子产生的瑞利散射、粒子的尺度和激光波长相比不能忽略时的米氏散射［7］。雾霾、烟尘等粒子的半径和激光波长满足x=2pr/l＞0.3，米氏散射起到主要作用，所以用米氏散射理论来计算粒子对激光的散射作用，忽略瑞利散射的影响［8］。

为了分析独立口径（信标）光系统和共口径（通信）光系统后向散射的程度，分别建立了两系统的物理模型，如图3和图4所示。

图3　共口径光学系统（通信光）示意图

图4　独立口径光学系统（信标光）示意图

图中，θx和θt分别为信标光和通信光发射束散角，φx和φt分别为信标光和通信光接收视场角，激光器输出功率分别为Px0和Pt0，dv为接收视场内的散射体积元，l为发射端与散射体积元的距离，D为通信光学天线口径，d为发射和接收口径间距。为了简化散射模型，这里只考虑了单散射的情况。

根据散射公式，发射功率为P0，束散角为θ的激光，在距离为l的截面上辐射照度为［9-11］：

其中βex为体消光系数，从散射体dv散射到方向角为α的辐射强度为：

式中βsc为体散射系数；P（α）为散射相函数，其中α为散射方向角。根据辐射光束的传播公式，接收系统接收到的散射光辐射强度为：

将公式（2）带入得：

对接收视场内的散射体积分得到接收到的散射光辐射强度为：

对于激光通信系统，无论是通信单元还是信标单元，发射光轴与接收光轴互相平行，且视场角都较小，因此散射角α为180°。散射单元dv对接收口径D所成的立体角为Ω（l）=π，则接收单元接收到的散射功率为：

d为发射与接收口径间距离。于是，信标光单元接收到的后向散射的强度为：

通信光系统接收到的向后散射射强度为：

3　散射影响仿真分析

为了分析系统参数对后向散射的影响，根据文献中［12］提供的乡村轻霾条件下的大气参数，对信标光和通信光后向散射的强度进行了仿真分析，仿真时所取的大气参数如表1所示，通信系统的主要参数如表2所示。

对激光通信系统发射端与雾霾的距离、发射束散角、接收视场、口径间距等参数对信标光和通信光后向散射强度的影响进行了仿真分析，结果如图5～9所示。

图5　信标光后向散射强度与发射端和粒子距离的关系

图6　信标光后向散射强度与接收视场关系（l=100m）

图7　信标光后向散射强度与发散角间关系（l=100m）

表1　轻雾霾大气参数

表2　激光通信系统参数

图8　信标光后向散射强度与收发光轴距离关系（l=100m）

图9　通信光后向散射强度与距离l的关系

4　结论

由以上分析可见，对于独立口径的激光通信系统，后向散射强度随接收视场的加大而增大，随发射束散角的加大而减小，随发射与接收光轴间距增大而减小；对于共口径激光通信系统，产生后向散射的大气粒子与激光通信系统的距离是影响后向散射的强度的主要因素，后向散射强度随大气粒子与发射端的距离的减小而增大。上述结论，可以为激光通信系统设计时减小后向散射的影响提供优化依据。

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The Effect of Back Scattering on Land-battlefield Laser Communication

LI Xiaoming1，ZHANG Guangcheng2，LIU Weida1
（1.National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Changchun Institute of Technology，Changchun 130021）

Laser communication is characterized by anti-electromagnetic interference and security，it is fit for near-earth anti-electromagnetic communication and security-information transmission.The condition of land battlefield is complex and smoke heavily，the laser will be reflected to its own receiving terminal because of back scattering and have a strong impact on communication performance，it necessary to study the effect of back scattering on laser communication. For improving the performance of system，analyze the effect of back scattering on beacon and communication laser，then simulate the relation between intensity of back scattering and caliber divergent-angle receiving-filed axle-distance. It is reference for laser communication system of land battlefield.

laser communication；back scattering；land battlefield communication

TN927

A

1672-9870（2015）06-0030-04

2015-09-30

李小明（1984-），男，研究实习员，E-mail：lxmkidd@163.com