穿过切萨皮克湾的光传播：实验与理论的比较

　　美国海军研究实验室(NRL)对穿过切萨皮克湾16公里射程的光传播中测量的光学参数，包括光学闪烁指数、分布函数和孔径平均值，与使用扩展Rytov理论和波动光学计算的结果进行比较。

 

　　对于自由空间光通信等应用，了解通过深层湍流的光传播非常重要。在过去的二十年里，NRL一直致力于将自由空间光通信 (FSOC) 过渡到美国海军和海军陆战队。这项工作包括在 2006 年“三叉戟勇士”演习期间首次展示高速舰对舰FSOC，以及在 2008 年“三叉戟勇士”演习期间首次展示舰对舰调制后向反射器链接。在海军研究办公室的 TALON 计划下开发强大的 FSOC 终端，将 FSOC 带到了积极使用的风口浪尖。因此，预测这些通信链路性能的能力非常重要。这些终端的许多应用都在低层大气中，范围超过 10 公里，因此它们最常在深湍流条件下运行。人们需要了解深度湍流将如何影响链路的误码率，并能够仅根据系统参数和环境条件来预测光学闪烁的强度和速率。

 

　　湍流对光传播有几种不同的影响，但对于 FSOC，由于闪烁引起的浪涌和衰落是最重要的，因为浪涌或衰落都会导致数据包错误。这就需要知道的基本统计量是概率分布函数 (PDF) 及其相关的累积分布函数 (CDF)。这些将决定在链路中需要多少检测器灵敏度余量才能实现给定的数据包错误率 (PER)。多年来，已经为闪烁提出了几种不同的分布函数。许多取决于闪烁指数 σI2 或对数闪烁指数 σlnI2。这些参数又取决于大气结构常数 Cn2、湍流的内外尺度、传播距离以及发射和接收终端的光学参数。多年来，已经提出了许多将这些参数与闪烁指数相关的不同理论，但最广泛使用的是扩展 Rytov (ER) 理论和波动光学模拟的各种公式。现有对闪烁指数和分布函数的研究主要是将模型与模拟进行比较，尽管也有一些工作试图与实验进行比较。但总的来说，缺乏理论与实验的详细比较。 NRL 已开始一项长期研究计划，将闪烁的实验测量与理论模型和模拟进行比较。本文报告了这项工作的一些初步发现。

 

　　这里，研究人员报告了该研究工作的一些初步发现。该研究表明测量闪烁指数可能是一件微妙的事情。闪烁指数σI2测量值取决于探测器动态范围，而对数闪烁指数σlnI2不能以简单的方式与与σI2相关联。将链路上测量的分布函数与使用与实验中测量的相同的 σI2和 σlnI2的对数正态和伽马-伽马分布函数进行比较，并与使用与实验中相同湍流参数的波动光学模拟进行比较。研究表明通过将伽马-伽马分布和对数正态分布进行比较，都不能精确拟合现有的实验的数据，伽马函数预测低强度的衰减概率太高。伽马-伽马分布与对数正态分布的最大区别在于预测了非常深的淡入淡出的更高概率。总的来说，对数正态函数更适合他们现有的数据。然而，从实验数据的闪烁指数估计α和β参数的间接方法远不如直接确定对数正态函数的σlnI2参数令人满意。波动光学模拟产生的分布与实验数据具有相同的定性形状，但预测的闪烁指数值过高。目前所有这些比较都是初步的，为了得出更有力的结论，需要对现有的实验装置进行改进。所有这些比较都是初步的。为了获得更有力的结论，需要改进我们的实验设置，这些包括： 1. 更高闪烁探测器的动态范围。 2. 更长的强度原始记录，用于计算实验分布函数和闪烁指数。 3. 连续计算σlnI2 和σI2。 4. 仔细控制链路上的平均功率，以将检测器相对于平均值的动态范围保持在一个恒定值。

 

　　未来对于波动光学模拟，研究人员希望研究不同的湍流谱，如Hill谱，以及可能的非Kolomogorov湍流，以试图理解模拟预测的闪烁指数值似乎过高的原因。与其他分布函数相比，还规划了逆高斯伽马分布函数和分数指数分布函数。