3.4.1.Ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí
Tính không đồng nhất về nhiệt độ của khí quyển gây ra những thay đổi tương ứng trong chỉ số khúc xạ của không khí, các tế bào hay túi khí có các kích thước khác nhau từ ~ 0.1 cm tới 10 m. Những túi khí này hoạt động giống như những lăng kính khúc xạ có chỉ số khúc xạ khác nhau. Do đó bức xạ quang học lan truyền hoàn toàn hoặc một phần phụ thuộc vào kích thước tương đối của chùm quang và mức độ của tính không đồng nhất về nhiệt độ dọc theo tuyến của nó. Do đó, bức xạ quang đi qua bầu không khí hỗn loạn thay đổi ngẫu nhiên/fading và pha trong bức xạ của nó. Ảnh hưởng chung của sự nhiễu loạn giống như sự nhấp nháy của các ngôi sao gây
ra bởi sự biến động ngẫu nhiên của các bức xạ từ chúng và ánh sáng của đường chân trời vào những ngày nắng nóng gây ra bởi sự thay đổi ngẫu nhiên trong pha của chùm quang dẫn tới làm giảm tầm nhìn. Sự nhiễu loạn không khí phụ thuộc vào i) độ cao/áp suất khí quyển; ii) vận tốc gió; iii) sự khác nhau của các chỉ số khúc xạ do sự không đồng nhất về nhiệt độ. Các ảnh hưởng của sự nhiễu loạn không khí bao gồm:
Sự lệch chùm sáng – Góc lệch của chùm sáng so với tầm nhìn thẳng ban đầu khiến cho bộ thu không thu được tín hiệu.
Sự mở rộng của chùm sáng – Mở rộng chùm sự phân kỳ của chùm sáng do tán xạ. Do đó làm giảm mật độ công suất thu được.
Sự nhấp nháy của chùm sáng – Sự thay đổi mật độ công suất trong không trung tại mặt phẳng thu gây ra bởi sự can thiệp của nhiễu nhỏ có trong chùm quang.
Sự suy giảm tính nhất quán trong không gian – Sự nhiễu loạn của không khí cũng gây ra tổn thất về tính nhất quán (kết hợp) về pha của chùm quang. Điều này đặc biệt ảnh hưởng mạnh cho các bộ thu làm việc dựa trên nguyên lý trộn photon (ví dụ trong bộ thu nhất quán).
Sự biến động phân cực – Kết quả từ sự thay đổi trạng thái của phân cực của chùm quang thu được sau khi đi qua môi trường nhiễu loạn. Tuy nhiên, lượng phân cực biến động là không đáng kể khi một bức xạ quang ngang đi qua vùng không khí nhiễu loạn.
3.4.2.Mô hình sự nhiễu loạn không khí
Kết quả của sự nhiễu loạn không khí là do sự biến động ngẫu nhiên của các chỉ số khúc xạ n dọc theo đường truyền của sóng đi qua khí quyến. Sự biến động của chỉ số khúc xạ là kết quả trực tiếp từ sự khác nhau ngẫu nhiên về nhiệt độ khí quyển trong tuyến truyền dẫn. Sự thay đổi nhiệt độ ngẫu nhiên tự chúng thay đổi theo độ cao h và vận tốc gió v. Sự nhấp nháy là nguyên nhân làm suy giảm hiệu năng của các hệ thống truyền thông quang qua không gian trong dải cự ly >1 km. Mối quan hệ giữa nhiệt độ của không khí và chỉ số khúc xạ của nó được đưa ra bởi:
3 2 6 1 77.6(1 7.52 10 ) 10 e P n T λ − − − = + + × × , (3.8)
trong đó P là áp suất khí quyển, đơn vị milibars và Te là nhiệt độ Kelvin.
Sự nhiễu loạn không khí có thể được mô tả như là các vòng xoáy/các lăng kính có các kích cỡ và chỉ số khúc xạ khác nhau. Vòng xoáy có kích thước nhỏ nhất l0
được gọi là nhiễu loạn vòng trong với một giá trị khoảng vài mm, trong khi đó nhiễu loạn vòng ngoài L0 của nó có giá trị dao động tới vài mét. Theo mô hình ‘frozen-in’ của Taylor thì sự biến đổi về thời gian trong các thuộc tính thống kê của sự nhiễu loạn không khí là nguyên nhân gây ra sự chuyển động của khối không khí. Ngoài ra, vòng xoáy nhiễu loạn là cố định nó chỉ thay đổi khi gió di chuyển vuông góc với
hướng của sóng lan truyền. Thời gian nhất quán 0 τ
của sự nhiễu loạn không khí được tính theo ms. Giá trị này là rất lớn so với khoảng thời gian của ký hiệu dữ liệu. Vì vậy kênh FSO trên mặt đất chịu ảnh hưởng từ fading chậm.
Khi xét hệ thống truyền dẫn quang điều chế cường độ-tách sóng trực tiếp, ảnh hưởng của nhiễu loạn là sự thăng giáng của cường độ chùm quang khi đi qua không khí. Cường độ của sự thay đổi khúc xạ trong môi trường nhiễu loạn được đưa ra bởi phương sai log cường độ, l ( còn được gọi là tham số Roytov
2
l
σ
) và độ dài nhất quán của trường quang di chuyển qua kênh nhiễu loạn được cho bởi 0
ρ
. Trong dải
0 0
l ≤ λL L≤
các tham số này được định nghĩa như sau:
( )7 ( ) ( ) (5 )5 2 6 2 6 6 0 2.25 2 / / l C x x Ln L x dx σ = π λ ∞∫ − (3.9) 0 L ρ ≈ λ (3.10) Trong đó 2 n C
là hệ số cấu trúc chỉ số khúc xạ ( đặc trưng cho cường độ của chỉ số khúc xạ thay đổi theo môi trường). Mô hình chủ yếu được sử dụng cho
2
n
C
là Hufnagel – Valley (H-V) được mô tả như sau:
( ) ( )2( )10 ( ) ( ) ( )