Nhiễu loạn không khí là vấn đề gây ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của một tuyến thông tin vô tuyến quang. Nguyên nhân gây nên nhiễu loạn không khí được giải thích như sau: Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt trái đất làm cho lớp không khí gần bề mặt trái đất ấm hơn lớp không khí ở trên cao. Lớp không khí có nhiệt độ cao hơn ở dưới trở nên nhẹ hơn ( vì mật độ giảm đi do giãn nở) bay lên và hòa trộn một cách hỗn lo ạn với lớp không khí lạnh hơn ở trên cao gây nên hiện tượng nhiệt độ của không khí bị dao động một cách ngẫu nhiên. Sự không đồng nhất về nhiệt độ và áp suất này gây nên sự thay đổi một cách ngẫu nhiên về chiết suất của các lớp không khí. Hiên tượng này này gọi là sự nhiễu loạn không khí.
Gió làm dịch chuyển không khí có thể gây ra dịch chuyển trọng tâm của chùm tia, nhưng về bản chất gió không làm thay đổi ngẫu nhiên chùm tia laser như sự nhiễu loạn. Gió và sự không đồng nhất của nhiệt độ và áp suất tạo ra những xoáy lốc, những ô nhỏ hay những túi khí có kích thước thay đổi từ 0,1 cm đến 10 m, dẫn tới sự thay đổi nhanh chỉ số khúc xạ, đó cũng là nguyên nhân gây ra sự nhiễu loạn. Các túi khí này đóng vai trò như những thấu kính có đặc tính thay đổi theo thời gian. Sự lan truyền của ánh sáng trong không gian theo đó sẽ bị lệch hướng một phần hay lệch hướng hoàn toàn là phụ thuộc vào mối quan hệ giữa kích thước của chùm sáng phát ra và mức độ không đồng nhất của nhiệt độ.
24
Nhiễu loạn không khí dẫn tới sự thay đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ không khí, dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường không khí. Những sự thay đổi ngẫu nhiên về nhiệt độ là một hàm c ủa áp suất khí quyển, độ cao so với mặt nước biển, và tốc độ gió. Các xoáy lốc yếu dạng thấu kính được mô tả như trong Hình 2.1, gây ra tác động xuyên nhiễu ngẫu nhiên giữa các vùng khác nhau của búp sóng truyền dẫn làm cho dạng sóng bị biến dạng.
Hình 2.1: Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu
Nhiễu loạn khí quyển bao gồm nhiều khu vực dòng xoáy hình c ầu với đường kính và chỉ số khúc xạ khác nhau. Các chùm tia quang truyền qua khí quyển ở không gian và thời gian khác nhau với chiết suất khác nhau, các chỉ số này không đồng nhất ở các quy mô khác nhau. Sự không đồng nhất với quy mô lớn sẽ tạo ra hiện tượng khúc xạ khiến chùm tia phát đi lệch so với hướng truyền ban đầu. Do đó, ở quy mô lớn thì hiệu ứng chủ yếu là làm sai lệch pha của sóng truyền đi. Sự không đồng nhất với quy mô nhỏ tao ra hiệu ứng nhiễu xạ và làm sai lệch biên độ của sóng gây ra sự biến thiên của biên độ.
Các tác động rõ ràng nhất mà nhiễu loạn không khí tác động lên hệ thống FSO có thể kể đến như:
- Độ lệch của dạng búp sóng phụ thuộc vào thời gian.
- Lệch hướng trọng tâm của búp sóng.
- Sự tăng lên của độ rộng bước sóng vượt quá dự kiến do sự nhiễu xạ.
25
- Sự đứt gãy của búp sóng thành các phần riêng biệt.
Trong phần này, những mô hình miêu tả hàm mật độ xác suất của sự biến động bức xạ được đưa ra. Bởi vì sự cực kỳ phức tạp trong việc mô hình hóa nhiễu loạn không khí, chưa có một mô hình nào có thể được sự dụng cho tất cả các điều kiện nhiễu loạn không khí đã được liệt kê ở trên. Chính vì vậy có ba mô hình nhiễu loạn không khí được sử dụng và công nhận rộng rãi nhất. Đó là ba mô hình log- normal, gamma-gamma, và mô hình mũ âm. Các mô hình này l ần lượt được ứng dụng trong các điều kiện nhiễu loạn yếu, nhiễu loạn trung bình đến mạnh, và nhiễu loạn bão hòa.