分子吸收-ITU.doc

ITU-R * 应提请无线电通信第1研究组和第9研究组注意本建议书。
设计地面自由空间光链路所需的传播数据
(ITU-R第228/3号课题)
(2007年)
范围
本建议书提供设计自由空间光(FSO)链路和规划自由空间光系统所需的传播数据,它们分别处于本建议书所指明的有效范围内。
国际电联无线电通信全会,
考虑到
a) 在地球上,可见光和红外光谱可用于无线电通信;
b) 为正确规划工作于可见光和红外光谱的自由空间光(FSO)无线电通信系统,需要具备适当的传播数据;
c) 已开发了一些方法,以便计算在规划工作于可见光和红外光谱的自由空间光系统时所需的、最重要的传播参数;
d) 已尽可能利用可用的数据对这些方法进行了测试,结果表明,这些方法完全兼容传播现象的自然可变性,以及完全可用于规划工作于可见光和红外光谱的系统。
认识到
a) 国际电联《组织法》第12款第78条规定,无线电通信部门的功能之一是“……不受频率范围和所用建议书的限制,开展各项研究工作……”,
建议
1 应采用附件1中所提供的传播参数预测方法,分别在本附件中所指明的有效范围内规划自由空间光(FSO)系统。
注1 –可见光和红外光谱中频率的传播预测方法,有一些相关的增补信息,这些信息可以在有关设计地面自由空间光链路所需之预测方法的ITU-R建议书中找到。
附件1
1 大气因素
地球大气层对光线的吸收与散射会对FSO链路造成不利影响。大气通常由许多不同的分子种类以及被称为气溶胶的微小悬浮颗粒组成,而正是由于大气的这种组成,大气与光相互作用。这种相互作用导致众多现象的发生:频率选择性吸收、散射和闪烁。
– 在特定光波长上的频率选择性吸收源自光子、原子或分子之间的相互作用,这种相互作用导致入射光子的消光、温度升高和辐射性发射。
– 大气散射源自传播媒介中光子、原子和分子之间的相互作用。散射造成已做或未做波长修正之辐射的角度再分布。
– 闪烁源自传播媒介中的热湍流,这种热湍流导致随机分布的单元。这些单元具有不同的尺寸(10 cm-1 km)、温度和折射率,导致散射、多路径和到达角的变化。结果是,~200 Hz的频率范围上波动。闪烁还会引起波前畸变,导致光束的散焦。
另外,当太阳与自由空间光链路的方向共线性时,阳光也会影响FSO的性能。
2 分子吸收
分子吸收源自光射线与媒介原子和分子(氮N2、氧O2、氢H2、水H2O、二氧化碳CO2、臭氧O3和氩Ar等)之间的相互作用。吸收系数取决于气体分子的类型与浓度。吸收系数的光谱变化决定了吸收光谱。该光谱的特点是因气体可能的能量等级变化而产生的,这些气体本质上是因电子跃迁、原子振动和分子旋转而产生的。压力或温度的升高往往通过激发更高的能量等级以及通过多普勒效应而拓宽光谱吸收线。分子吸收是一种选择性的现象,它导致相对透明的大气传输窗口以及相对不透明的大气吸收波段。
在光距中的传输窗口为:
– 可见光和非常近红外: μm;
– 近红外或红外 I: μm;
– 中红外或红外 II: μm;
– 远红外或红外 III: 从8到14 μm;
– 极远红外或红外 IV: 从16到28 μm。
气体分子具备适合各物种的、量化的能量等级,并且能够在入射电磁辐射和从最初能量等级ei向更高能量等级ef跃迁的影响下吸收能量(或光子)。然后,辐射能量因一个或多个光子的损耗而衰减。
只有当入射波频率准确对应所考虑分子的其中一个谐振频率时,才会发生此过程,它通过以下公式来计算:
(1)
其中:
u0: 为入射波频率(Hz);
h: 为普朗克常数,h= 10−34J-s。
用于确定因分子谐振而产生的吸收的基本参数为:各分子种类可能的能量等级、从能量等级ei向能量等级ef跃迁的可能性、谐振线的强度,以及各线的自然剖面。
通常,当分子正相对入射波移动时,各吸收线的剖面将通过多普勒效应以及因分子相互作用而引起的碰撞效应来修正。这些现象导致各分子自然线的光谱拓宽。对某些分子而言,如二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、氮(N2)和氧(O2),吸收线剖面可从各中央线充分扩展。该属性导致吸收的连续统一性。图1显示了海平面上、一条长1 820米的水平链路上,因分子吸收而在名义上度量得到的大气透射率。
图1
因分子吸收而引起的大气透射
3 分子散射
分子散射源自光与大气颗粒的相互作用,大气颗粒的尺寸小于入射光的波长。因大气气体分子而引起的散射(瑞利散射)造成了电磁辐射总的衰减。
因
分子散射而引起的消光系数bm(l)通过以下公式来