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摘要：针对应用于大气信道的空间光通信系统，首先介绍了5种常见传输光的类型及特性。然后根据推导的光束尺寸和相前曲率半径表达式，模拟了发射光束尺寸为2cm的1550nm激光束，在不同相干性状态下接收端光束传输扩散特性经3km传输后的变化趋势。最后针对整体链路推导了链路余量和链路可靠性表达式，为空间光通信系统选择最佳光束类型、系统设计参数以及链路预算分析提供理论依据。
关键词：空间光通信；大气信道；激光特性；链路预算
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2020.10.013
概述
空间光通信中的光波随机特性相较于射频通信和光纤通信，会受到大气信道中光湍流的影响，需要充分理解激光在大气信道中的传播理论特性，进而分析光湍流对空间光通信系统性能的影响机理。早在上世纪六十年代，国内外学者就展开了针对空间光通信系统大气信道理论的研究，经过数十年的研究积累和技术发展，逐渐形成了光湍流对空间光通信系统影响的分析理论。
光波在大气湍流中传输的基础理论是由Chernov L A 和 Tatarskii V I通过理论与实验的一致性验证的，在1960年和1961年分别提出了大气湍流中平面波和球面波的传输波动方程。直至2004年，Andrews L C提出的理论打破了经典理论的局限性，提出了在弱湍流和强湍流2种情况下，接收端强度起伏的二阶和四阶统计模型，从而得到光强起伏方差计算模型，进一步推导出平面波和球面的闪烁指数模型。2008年WuB等分析了在烟尘以及沙粒环境中传输的光信号的色散变换，并推导了接收光信号空间色散与角色散的关系。
目前国内的科研院校等研究团队在激光大气传输方面也取得了一些研究进展。比如中科院安徽光机所在 2008 年研究了部分相干光在大气湍流中的传输特性。哈尔滨工业大学研究团队针对不同调制方案通信系统，分析并比较了光波在大气信道中的性能。2009 年长春理工大学团队系统地总结了各种大气湍流效应对光通信的影响形式。
本文首先阐述空间光通信的不同传输光类型经过大气湍流的传输特性区别，然后从光场表达式出发，推导了描述光束经过湍流的2个重要参数光束尺寸和相前曲率半径的表达式，并模拟了接收端光束传输扩散特性在不同相干性状态下随距离的变化趋势，最后针对空间光通信系统整体链路，根据接收端的信号功率以及数据速率的表达式，从多个方面推导了链路余量和链路可靠性的表达式。
