Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   11 ,  No.   1 ,  Febr uar y   2021 , pp.  38 3 ~ 389   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v11 i 1 . pp 38 3 - 389          383       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om   Foc us ed a nd  collim ate d  G aussian  l aser be am  s cintil lation  i n  w eakly  t urbu lent  m arine  a tmo spheri c  m ediu m       Ah med  A.   Abbas 1 ,  H amz a Gerç ekci oğlu 2 , H .  H aldun G ök t aş 3   1 Coll ege of   Enginee ring ,   Univ ersity   o f   Anbar ,   Ira q   2 Ministr y   of Tra nsport,   Mari ti m e   Affai rs  an d  Co m m unic at ions, T urke y   3 Coll ege of   Enginee ring ,   Ankar a Yıldı rım Be y a zıt   Univer sit y ,  Tur ke y       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   10 , 201 9   Re vised  Jun   1 0 ,   20 20   Accepte d  J u n   28 , 20 20       The   scintill at io n  inde x  on  the   axi s  for  Gauss ia n  bea m s  f ocuse d  an d   col li m ated  in  w ea k  m ari n e  turb ule nc e  is  form ul at ed   via  the  usa ge  of  R y t ov  m et hod.   The   a ver age   bi t  err or  r at e  <BE R >  is  eva lua t ed   using  thi s   form ula ti on.   Th e  scintill at ion   in dex  and  <BE R>   ver sus   propa gation  dista n c e   and  source   siz e  ar e  de te rm i n ed  b y   using  t he  log - norm al  distri bute d .     I nte nsit y   for   th e  collimat ed  a nd   foc used.   Gauss ia n  be ams ,   which   a r e   exhi bited  for  wa vel eng th,   source   size ,   foc al   l ength,  and  <SNR>.   The   foc used   bea m s  are   rev e al ing  m ore   adv ant ag eous  tha n   col li m a te d  be ams   in  an   at m o spheric   m ar ine   env ironment .   Th e  find ings  o f  thi s  stud y   are   signifi c ant  for  optical c om m unic at ion   s y st e m   per form anc e   i n  thi s  lay e r.   Ke yw or d s :   Atm os ph eric  pro pa gation   Atm os ph eric t urb ulence   Fr ee - sp ace   O ptica l com m un ic at io n     Scinti ll at ion     This   is an  op en   acc ess arti cl e   un der  the  CC  B Y - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Ah m ed  A . Ab ba s,    Coll ege  of   En gi neer in g ,   The U niv er sit y o f  A nbar ,    Anba r ,   Ir a q.     Em a il :  ah m ed. abb a s@ uo a nba r. e du.iq       1.   INT R ODU CTION     The  at m os ph e r ic   m arine  env i ronm ent  is  one  that  is  in  i m m ediat e  con ta ct   with  water  and   directl y  i m pacted b y sea s an d ocea ns . In  this m edia, the o cea n  a nd  a t m os ph e re alt ern at e be twee n  trem end ous am ount s   of   m oistur e,  he at ,  and   m o m entum  par ti cularl y   by  turb ule nt  trans port.  Th us,  stud yi ng  tur bule nce  in  the  m arine  env i ronm ent  is  i m po rtant  t o  ens ur e  e ff ic ie nt   op ti cal   com m un ic at ion   syst e m s  and   in  t he  de sig n  of  na utica l  la ser  rad a r.   Atm os ph eric  tur bu le nce  is  con si der e d  on e  of   t he  extrem el y  i m portant  fact o r s  for     eff ic ie ncy - li m i ti ng   of  the  com m un ic at ion   li nk s  in  fr e e - sp ace  op ti ca l  (F SO).  Sci ntil la ti on   is  a   vital   conseq ue nce  of   the  tu rbul ence,  w hich  gen e rates  de pt h  inco ns ta nc y  within  the  sign al   received  a nd   conseq ue ntly   l eads  to  li nk  unreli abili ty .  In  this  s tud y,  t he   fo c us   is  sci nt il la t ion   in  the   m arine  en vironm ent.     The  fi nd i ngs  on  the  sci ntil la ti on   i nd e x  of   f oc us e d  an d  coll i m at ed  Gau ssi an  la ser  beam s   prop a gatin g  i n  this  env i ronm ent ar e all  r ep or te d [ 1,   2].   Nu m erous  stu dies  hav e  bee n  co nducted  on  var i ous  eff e ct s  of   disti nct  turbulence  on   the  m arine  atm os ph e re.  In  this  pa per,  on ly   the  i m po rta nt  posit ive  ex pressi ons  a re  re ported .  I n  the  m arine  atm os phere ,     the  powe r  s pec tra  are  sta te d  i n  [ 3,   4].  Util iz ing   on - a xis  sci ntil la ti on   from   higher  orde r  la ser  beam s  in  a   wea k  tur bu le nt  m ari ne  e nv i ronm ent  m edium   wer e  assesse d  a nd   pr ese nted   in  [5,  6].  Starti ng  a  gen e rali zed  m arit i m e  atm os ph e ric  s pectr um   m od el   to  pr ese nt  Gau s sia n  bea m   wav es  pro pag at in g  th r ough  non - K ol m og oro v  m arit i m e  atm os pheric  e nviro nm ent  wh e re  an  a naly ti c   ex pr essi on  is  deri ved   of  a ver a ge   sci ntil la ti on   ind e x  wh ic h  is   asso c ia te d  with   the   receiver - a per t ure  [7 ] .   The   m a rine  at m os pher ic   tur bu le nce  m od ulati on   t ra ns fe r  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  11 , No .  1,   Febr uar y  2021  :    383   -   389   384   functi on  c har a ct erizes  the  re su lt s  of  m arin e  at m os ph eric  tur bu le nce  on  a  syst e m   with   opti cal   i m a gin g  [ 8].    The  s pr ea d  a nd  wa nder  bea m s  of   a  Gau ss ia n  beam   wave  wer e  a natom iz ed  by  pr op a gating  t hro ugh  m arine  atm os ph e ric  tu rbulence  [ 9].  The  beam   wave  fr ont  co rr ect ion   in  m arit i me  atm os ph e re  was  stu died  by   us ing  adap ti ve  opti cs  [10,   11] .  U sing   ra ndom   ai r - w at e r  inter face  thr ough  an  ada ptive  opti cs  syst e m   cause d  m itigati ng   si gnal   dist or ti ons   there f or e  t his   ne w  c oncept  descr i bed  in   [ 12 ] .   I n  t he  m arit i m e  env ir onm ent,    fiel d  m easur e m ents  are  us e d  to   offer  m os t  i m po rtant   co ntributi on  s pec ifie d  by  the   ty pe  of  m et h odol og y  t o  com pu te  the  prob a bili ty  d ensi ty  f unct ion o f  t he  la ser  b eam  intensit y [ 13 ] .      T he  ang le   of   arr ival  fluctu at ion s  in  the  m arit i m e  atm o sp he ric  tur bu l ence  is  exam i ned   [ 14,   15] .   Am on g  key  interi m   data  i s  irra diance  s ci ntil la ti on ' s  t e m po ral  powe r  sp ect ra  ove r  wea ke ned  m arine   disturba nce  w hich  is  exam ined  analy ti cal ly  and   num erical ly   in  each  el em ent  [1 6].  I n  add it io n,   s uch   to  key   interi m   data  is  to  de pict  the  c orrelat ion   of  ir rad ia nce  inc on sta ncy  at   uniq ue   tim e  sit uatio ns   [ 17] .  I n  t his  stud y ,   we  de rive d  an d  eval uated  the .  Scinti ll at ion   ind e x  th rou gh   weak e ne d  at m os phe ric  m arin e  turbulence  by   us in g  Ry tov   m et ho d.  O ur   goal   is  to   com pr ehe nd  how   the  us e  of  fo c us e d  a nd  c ollim at ed  Gaussi an  beam s  helps  in   sh ri nk i ng the  on - a xis sci ntil la t ion  i n wirele ss  op ti cal  c om m u nicat ion  i n h or i zon ta l l in ks  i n t his lay er.       2.   FOR M ULAT ION   This  sect io n  is  der i ved  f or   the  sci ntil la ti on   in dex  on  th e  axis  f or   Ga us sia n  beam s  fo c us e d  a nd   collim at ed  in  weak   m arine   tur bule nce.  T he   power   s pectrum   of   m arine  ref racti ve   in de x  fluctuati on  in  s p at ia l  do m ai n  is as  fol lows   [1,  2]:       Φ ( ) = 0 . 033   2 2 [ 1 − 0 . 061 / + 2 . 836 7 / 6 / 7 / 6 ]  ( − 2 / 2 ) ( 0 2 + 2 ) 11 / 6   ,     (1)     w he re   = 3 . 14 0 , 0 = 1 0 ,  the   scal es  of  tu rbulenc e  oute r   a nd  i nner     0   an d  0 ,   re fers  to   the   wav e   nu m ber   ( sp at ia l )   f or  0  ≤    <  ∞ .   T he   sci ntil la ti on   in dex  base d  on  Ry to v  a ppr ox im at ion   for  hom og en eous  a nd  isot ropi c   tur bu le nce is  presente d  as  [1 7 ].     2 = 4  { ∫  ∫  ∫  [  1 ( , , ) +  2 ( , , ) ] 2 0 ∞ 0 0 Φ ( ) } ,       (2)     In   w hich  ( κ , θ)  in dicat e  to   the  pola r  c oor din at e  il lustrati on   of   t he   two - dim ension al   s patia l  fr e qu e ncy ,   de noti ng  a   le ngth along  t he  pro pa gation  a xis   w hich   is  a v a riab le ,  L  is   the   pro pag at io n  dista nc e  of  the li nk   an d R e ( *)   de no te s   th e re al   par t  of th e ar gu m ent   [17 ] .   The  e xpr es sion s  in  the i nteg rand  of  ( 2) are      1 ( , , ) = − 2 2 ( ) 1 ( 1 +  ) 2  [ − ( − ) ( 1 +  ) 2 ( 1 +  ) ] ,   (3)      2 ( , , ) = 2 | ( ) | 2 1 ( 1 +  ) ( 1 − ∗ )  [ − ( − ) 2 ( 1 +  1 +  − 1 − ∗ 1 − ∗ ) 2 ] ,     (4)     ( ) = 1 / ( 1 +  ) ,   (5)     wh e re  “*”   is  t he  c om plex.   C onjug at e,     =  (− 1) 0.  5,   = 2 /     is  a  wa ve nu m ber ,   = 1 ( ) 2 +       he re    a nd     are   th e  s ou rce  siz e   a nd  f ocal  le ngth   of   the   Gaussi an  beam   and  in ci de nt  f ie ld  e xpressio n  i s      ( − 1 / 2  2 )   [ 18,   19] .  Inse rting  ( 3),  (4)  a nd  the   po wer  s pectr um   of   m arine  i n  ( 2),   act ing  the   inte gr at ion  ov e r    fr om   [20].  The n,   th e  sci ntil la ti on   ind ex  on   the  ax is  fo r  Ga us sia n   beam s  fo cu s ed  an d  colli m at ed.    In   wea ke ned m arine t urbu le nc e is f ound a nd  dem on strat ed  a s:     2 = 1 . 39 2   2  { ∫  ∑ 1 ! ∞ = 0 [ [ ( 0 2 ) − 5 6 Γ ( − + 5 6 ) Γ ( + 1 ) ] 0       × [ ( − 1 2 ( ) ( 1 +  ) 2 ) [ − ( ( − ) ( 1 +  ) ( 1 +  ) + 1 2 ) ] + ( 1 | ( ) | 2 ( 1 +  ) ( 1 − ∗ ) )       × [ − ( ( − ) 2 ( 1 +  1 +  − 1 − ∗ 1 − ∗ ) + 1 2 ) ] ]   − 0 . 061 [ ( 0 2 ) − 1 3 Γ ( − + 1 3 )       × Γ ( + 3 2 ) ] [ ( − 1 2 ( ) ( 1 +  ) 2 ) [ − ( ( − ) ( 1 +  ) ( 1 +  ) + 1 2 ) ]         + ( 1 | ( ) | 2 ( 1 +  ) ( 1 − ∗ ) ) [ − ( ( − ) 2 ( 1 +  1 +  − 1 − ∗ 1 − ∗ ) + 1 2 ) ] ]                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Foc us ed  an d  c olli ma te d   G aus sian l as er  b e am sci ntil lati on   in weakly t urb ulent  marine     . . .  ( Ah med A.   Ab ba s)   385   + 2 . 836 7 6 [ ( 0 2 ) − 1 4 Γ ( − + 1 4 ) Γ ( + 19 12 ) ] [ ( − 1 2 ( ) ( 1 +  ) 2 )     × [ − ( ( − ) ( 1 +  ) ( 1 +  ) + 1 2 ) ]     + ( 1 | ( ) | 2 ( 1 +  ) ( 1 − ∗ ) ) [ − ( ( − ) 2 ( 1 +  1 +  − 1 − ∗ 1 − ∗ ) + 1 2 ) ] ] ] } .     (6)     Lessen  ( 6 )   t o  s ci ntil la ti on   inde x  in  K olm og oro v  to   af firm   t he  acc ur acy   of  our  m od el   a nd  by  way  of  ta kin g  i nn e r  s cal e 0 = 0 .  In   a ddit ion,  ne glect   th e  influ e nce  of  ou te r  scal e  [ 1] .  The   sci ntil la ti on   inde x   i n  Ko lm og or ov   i n  [ 2 1 ]   m at ched   with  our  m od el   a fter  re duci ng.   BER   a nd   SN R  ar e  util iz ed  to  det erm ine     the  qual it y  of  the  c omm un ic at ion   syst em s.  BER   perf or m a nce   d epe nds   on  the   sci ntil la ti on  stre ng t h,   re cei ver  no ise ,  an d  a ve rag e  receive d  powe r.   I n  wea ken e d  m arine  tur bu le nce,  a ve rag e  bit  er ror   rate  <  >   is   pr ese nted  as  fol lows   [22,   23] .       <  > = 0 . 5 ∫ ∞ 0 ( )  ( 0 . 5 < > √ 2 )  ,     (7)     wh e re  <  >   is  av erag e   sig nal  to  no ise   rati o,    re pr e sents  un it y  no rm ali zed.  Sig nal,     (.)   i s     the fu nction o f c om ple m entary erro r , a nd f in al ly   ( )   is ex pr e sse d  in  the m at hem at ic al   (8)   [ 24 , 25]:     = 1  √ 2 exp { − [ ln ( ) + 0 . 5 2 ] 2 2 2 } ,             > 0 ,     (8)       3.   RESU LT S   This  sect ion   presents  the  nu m erical   resu lt s  fo r  on - axis  sc inti ll at ion   ind ex  for  colli m a t ed  Ga us sia n  beam s  and   fo c us e d  Ga us sia n  beam s  in  m arine  at m os ph ere   ver s us   the  cha ng e s  in  the  sou rce  siz e,  li nk   le ng t h,   fo cal   le ngth ,  and   wa velen gth .  Additi on al l y,  <B ER>   ver su s  source  si ze,  li nk   le ngt h,   a nd   wa ve  le ng th     are  al so   prese nt ed  and   discu s sed.   All   these  resu lt s  are  ac quire d  from   (6 )   and   ( 7).  Most   resu lt s  are  obt ai ned     by  re gu la ti ng  the  wa velen gt h  = 1550   nm ,  inn er  scal e  =  2  m m ,  ou te r  scal e  0 = 1     and  str ucture  const ant   2 = 1 ×   10 − 15 m − 2 / 3 .  W e  pr e fer   = 1550   nm   becau se  these  l asers  are  m os t  br oa dly  us e d  com m ercial ly   because  they a re s a fe fo r  the   ey es an d  the  in te ns it y i s att enu at ed  i n   F SO l ink s .    In   Fig ure  1,   th e  le ng th  li nk s   ver s us   sinti ll at ion   in dex     wit h  three  s ource - siz e  values  1,   2,   an d  3  cm   wh e n  the   f oca l  le ngth   is  = 10 7   (c ollim at ed  Ga ussi an  beam s)  and  =   ( f ocu se d  Gau s sia n  bea m s).     The  colli m at e d  Ga us sia n  be a m s   hav e  ap pro xim at e ly   the  sa m e  sci ntill at ion s  in  com par is on   with  f ocused   Gau s sia n  be a m s  at   =1  cm   for  al l   pro pa ga ti on  distanc e s.  T he   lo west   sci ntil la ti on  a re  e xhibit ed   a t  al l   pro pag at io n for the  focu sed  Gaussian  b eam  A t  = 2 ,   and   3  cm .            Figur e  1.  The  s ci ntil la ti on  index a gainst t he pr opagati on  di sta nce fo r diffe ren t s ource  sizes  = 1 , 2 , 3   cm       W it h  t hr ee   wa velen gth s   78 0,  1064,   a nd  15 50  nm ,  the  sci ntil la ti on   in de x  ver s us  the   le ng t h  li nks  ar e   ind ic at ed  in  Figure  2.  T he  fig ur e  a pp e ars  tha t  sci ntil la t ion   ind e x  c on ce r n  on   t he  wa velen gth   a nd   will   increa s e   with  distance .   The  va riance   in  atm os ph e r ic   m arine  turbulence  inc reas es  becau s e  th e  transm issi on   range  0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 P r op a ga t i on   di s t a nc e   ( L  i n  k m )   S c i nt i l l a t i on   i nd e x   ( m 2 )      C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m s = 1 c m ,   F s =L s = 2 c m ,   F s =L s = 3 c m ,   F s =L s = 1 c m ,   F s = s = 2 c m ,   F s = s = 3 c m ,   F s = Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  11 , No .  1,   Febr uar y  2021  :    383   -   389   386   increases .  I ncrea sed  wav el e ngth  ca n  s hr i nk  the  sci ntil la ti on   in de x  in  weak   m arine  tur bu le n ce  f or  bo t h  collim at ed  and f ocu se d Ga us s ia n  beam , but s ci ntil la ti on  b ec om es low er  wi th a  fo c us e d G aussian  b eam .           Figure  2.  The  s ci ntil la ti on  index a gainst t he pr opagati on  di sta nce f or c olli m at ed  and c oncentrate d  g a us s ia n  beam  w it h  dif f eren t  wa velen gt hs     = 0.7 8, 1.0 64, 1. 55 μ m       Fo r  f ocu se d  Gau s sia n  bea m s,  F ig ure   3  exh i bits  the  s ci ntil la ti on   inde x  ve rs us   sou rce  siz e  with    L  =   0.5,  1,   1.5,  and   2.5  km .  The  fi gure  in dic at es  the  highes t  so urce  siz e  pro duce  lo w  sci ntil la ti on   ind e x  with   al l  L .   The   sci nt il la t ion   ve rsus   L   is   sho wn  in   F ig ure   4,  with  dif fer e nt   f oc al   le ngths     =   ( focuse d  beam ),  10 4 ,  10 5 ,   a nd  10 7   m   (co ll i m at ed  beam ).   From   wh ic h  the   con ce ntrate d  Gau s sia n  bea m s  will   retur n  the  best   sci ntil la ti on   in dex   res ults  in   weak e ne d  m arine  tu r bu le nc e.  I n   F ig ure   5,   lo g  (<BER >)  is  de picte d  ver s us     the  sou rce  siz e  for  t he  f oc use d  Gaussi an  beam   at   pr opa gation  dista nc es  L  =  0.5,  1,   1.5,  an d  2.5  km   and   <SNR>  =1 5  dB .  Partic ularly   at   reasonably   siz able  sourc e  siz es,  the  < BER >  turns  in to  extrem el y  s m al le r   wh e n  the   co nc entrati ons   of  G aussian  beam   i s  at   the  pr opa ga ti on   Dista nce  L  =  0. 5  km .  Fi g ure   6  e xh i bited  log  (<BER >)  vers us   L   with     =  780,   1064,  a nd  1550  nm .  As  L   increase s,  s o  <B ER>   raises  too .   F or  three   values   of   wa velen gths,  a  m ark ed   i m pr ov em en t  is   obser ve d  i n  the   perform a nce  in   f ree  s pace   li nks  at   highe r   wav el e ng t hs   f or   c ollim at ed   and   focuse d  Ga us sia n  beam ,  bu t  the  be st   i m pr ovem ent   accrues   wit h  the  f oc us e d  Gau s sia n beam s.   Fig ure  7  il lustr at es the p e rform ance o f  l og < BER > as a d ist ance fu nction  with <S NR> =  5  a nd   15 d B  and    = 1  a nd  2  c m .  I n  F ig ure   7  t he  <B ER>   i ncr ease s  as   L   i ncr ease s  a nd  i m pr ov es   in   li nks  of  at m os ph eric   m ari ne  are  r el a te d   to   la rg e r  < SN R>  a nd s ource size  for foc us e d  G aussia n beam s.           Figure  3.  The  s ci ntil la ti on  index a gainst t he  s ource size  f or   var i ou s  d ist a nc es of  pro pag at i on L=  0.5, 1 , 1 .5 ,   and 2.5  k m  and   =   0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 P r op a ga t i on   di s t a nc e ( L  i n  k m )   S c i nt i l l a t i on   i nd e x ( m 2 )      C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 2 c m   C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 2 c m   C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 2 c m   C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 2 c m   C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 2 c m   C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 2 c m   = 1 5 5 0   n m ,   F s =L = 1 5 5 0   n m ,   F s = = 1 0 6 4   n m ,   F s =L = 1 0 6 4   n m ,   F s = = 7 8 0   n m ,   F s =L = 7 8 0   n m ,   F s = 5 10 15 20 25 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 s   ( i n  c m )   S c i nt i l l a t i on   i nd e x ( m 2 )      C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   = 1 5 5 0   n m L = 0 . 5   K m L = 1   K m L = 1 . 5   K m L = 2 . 5   K m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Foc us ed  an d  c olli ma te d   G aus sian l as er  b e am sci ntil lati on   in weakly t urb ulent  marine     . . .  ( Ah med A.   Ab ba s)   387       Figure  4.  The  s ci ntil la ti on  index a g ai ns t t he pr opagati on  di sta nce fo r diffe ren t  fo cal  le ngths     =     (focused  b eam ),   10 4 , 10 5 , a nd 10 7   m           Figure  5.  <B E R>  ag ai ns t  sou rce size  for diff eren t  pro pag at i on d ist a nces   L = 0 . 5, 1,  1.5,  a nd 2.5 km ,    <SNR> = 15  dB  and   =           Figure  6.   <B E R>  ag ai ns t  pro pag at io n dist an ce f or   dif fer e nt  w a velen gth s     =  0 . 78, 1. 064,  1.55 μ  m ,    < SN R>  = 15  dB     0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 P r op a ga t i on   di s t a nc e   ( L  i n  k m )   S c i nt i l l a t i on   i nd e x   ( m 2 )      C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 4 c m , = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 4 c m , = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   s = 4 c m , = 1 5 5 0   n m  F s = L    F s =   1 0 4   m    F s = 1 0 5   m    F s =   1 0 7   m   5 10 15 20 25 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 s ( i n   c m )   l o g ( < B E R > )       C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   S N R = 1 5 d B ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   S N R = 1 5 d B ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   S N R = 1 5 d B ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   F s = L ,   S N R = 1 5 d B ,   = 1 5 5 0   n m L = 0 . 5   K m L = 1 K m L = 1 . 5   K m L = 2 . 5   K m 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 - 1 0 -8 -6 -4 -2 0 pr op a ga t i on   di s t a nc e ( i n  k m ) l og ( < B E R > )       C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   S N R = 1 5   d B ,   s = 2 c m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   S N R = 1 5   d B ,   s = 2 c m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   S N R = 1 5   d B ,   s = 2 c m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   S N R = 1 5   d B ,   s = 2 c m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   S N R = 1 5   d B ,   s = 2 c m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   S N R = 1 5   d B ,   s = 2 c m = 1 5 5 0   n m ,   F s =L = 1 5 5 0   n m , F s = = 1 0 6 4   n m ,   F s =L = 1 0 6 4   n m ,   F s = = 7 8 0   n m ,   F s =L = 7 8 0   n m ,   F s = Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  11 , No .  1,   Febr uar y  2021  :    383   -   389   388       Figure  7.  <B E R>  ag ai ns t  pro pag at io n dist an ce f or   dif fer e nt   < SN R>  =  5 a nd  15 d B , a nd s ource sizes     = 1 ,    2          4.   CONCL US I O N     Th e  form ula ti on   a nd  eval uation  of   the   sci nt il la ti on   for  Ga us sia n  beam s  f ocused  a nd  c ol lim at ed  in   weak  m arine  tur bule nce  is  f or  the   horiz on ta l  li nk s  via  the   us a ge  of   Ry to v  m e tho d.    The   ob ta ine d  res ults  is  f or  sci ntil la ti on   ind ex  a nd  <B ER>   ver s us   the  li nk   le ng t h  f or   be am   siz e,  wav el en gth ,  f ocal  le ng th ,  an d  < SN R> .   Howe ver,  the   res ults  s how   that,  l ow est   sci ntil la ti on s  a t  al l  prop a gati on  dista nces  wh e ne ver  inc r easi ng     the  wa velen gt h  a nd  sou rce   siz e  of  the   fo c us e d  Ga us sia n  beam   in  wea k  at m os phe ric  tu rbulence .     Fu rt her m or e,  t he  at m os ph e ric  m arine  in  hori zon ta l  li nks,  < BER >  beco m es  sm aller  in  th e  case  of  s hort  le ng t h  li nk s,  a nd  w he n  the  wav el e ngth  a nd   source   siz e  increase.   W e  noti ced  t hat  the  sci ntil la ti on   in dex   ha s  bee n  reduce d  us i ng  the  fo c us e d  beam s  and   th eref o re  the  a ver a ge  BER   conseq ue ntly   has  bee n  im pr ove d.    The  fin dings  c an  be  a  be nef i ci al   ref ere nce  i n  perform ance  an d  desig n  e va luati on s   of  th e  horiz on ta l  li nk s   of   op ti cal   wirele ss  com m un ic at ion   t hat  ar e  thr ough  m arine  m edia,  i.e.,   ab ove   seas  a nd  oceans.     Her e ,    the  sci ntil la ti on   ind ex  was  f ound  j ust   for  Ga us sia n  e xcita ti on ,  i t  can  be  f ound    fo r   oth er  excit at io ns   li ke  cos - Ga us sia n,  cos h - Gau s sia n,  sine - Ga us sia n,   sin h - Gaussi an ,  He rm it e - cosh - Ga us sia n,   Herm it e - sine - Ga ussi an,  Her m it e - sinh - Gau s sia n;  Herm it e - cos - Ga uss ia n  beam s….etc.  These   ex ci ta ti on s  m ay  re du ce   the  e ff ect   of   sci ntil la ti on  and im pr ove in  opti cal  li nk s.       REFERE NCE S     [1]   F.  S.  Vete li no,   et   al . ,  “ A  ne w  m ari ne  at m ospheric   spec tru m   for  la ser  pr opaga t ion, ”   Pro c ee d ings  of   SPIE ,  At mos pheric   Propagati on  I V ,   vol .   65 51,   2007.   [2]   K.  J.  Gra y shan,   et   al. ,  “ A  m ari n e  at m ospheric   spec trum  for  la se r  propa gat ion , ”   Wav e s  in   Random  and  Co mplex   Me dia ,   vol .   18 ,  no.   1 ,   pp .   173 - 1 84 ,  2008 .   [3]   C.   A.  Frieh e,   et   al . ,  “ Eff e ct s  of  t empera ture  and  hum idi t y   f luctua ti ons  on  the   op tical   r efr a ct iv e   in de x  in  th e  m ari n e   boundar y   l a y er , ”   Journal  o f the   Opt ic al   Soc i ety of   Am eri ca   A ,   vo l .   65 ,  no .   12 ,   pp .   1502 - 1511 ,   197 5.   [4]   L.   C.   Andrews ,   “ An   ana l y tical  m odel   for  the   ref rac t ive   index  power  spec trum  and  it s  app li c at ion  to  optic a l   scint illations   in   t he  a tmos p her e ,”   J ournal  of   Mod e rn   Opt ics ,   vol.   39 ,  no .   9 ,   pp .   184 9 - 1853 ,   1992 .   [5]   Y.  B a y ka l ,  “ Higher - orde r  la ser   bea m   scintill at io n  in  we akly   tur bule nt   m ari ne   atm ospheric   m ediu m , ”   J ournal   of     the   Opt ic al   Soc i et y   of   Ame rica ,   vol.   33 ,  no .   4 ,   pp .   758 - 763 ,  2016 .   [6]   M .   Q.   Tah a,  e t  al . ,   “ Two - le ve l  sche duli ng  sch e m e  for  int egr a ted  4G - W LAN  ne twork, ”   Int ernat ional   Journal  of   El e ct rica l  and   C omputer  Engi n e ering   ( IJE CE) ,   v ol .   10 ,   n o .   3 ,  pp .   2633 - 26 43,   20 20 .   [7]   M.  Cheng,   e t  al. ,  “ Scint i ll a ti on  and  ape r ture   av era ging  for  Gau ss ia n  bea m s  through  non - Kolmogorov  m ari ti m e   at m ospheric   turb ule nc e cha nne ls, ”   Opti cs   E xpre ss ,   vol .   23 ,  no .   25 ,   pp.   32606 - 3262 1 ,   2015 .   [8]   L.   Cui ,   et   al. ,  “ Atm ospheric   tur bule nc e  MTF  fo r  i nfra r ed  opt ica l  wave s’  prop ag at ion  through   m ari ne   at m ospheri c  turbul en ce , ”   In frared  Phy si cs  &   Technol ogy ,   vo l .   65 ,   pp.   24 - 29 ,   2 01 4 .   [9]   I.   Tosel l i,   e t  al. ,  “ Gauss ia n  bea m   propa gation  in  m ari ti m e  at m ospheric   turbu le n ce :   long  te rm   bea m   s pre ad  and  bea m   wande r ana l y sis, ”   Proc ee d ings o f   SPIE ,   Free - Spa ce   Las er  Comm unic ati ons   X ,   vol .   7814,   2010 .   [10]   R .   A .   Fa y adh,   e t  al . ,   “ Esta bl ishm ent   Network  by   Us ing  FS O  Li nk  Based  on  MD   Code  for  Hy brid  SC M - SAC - OCD MA   W ire les s  Sy stem, ”   Int e rnational   Journ al  of  E lectric a l  and  Computer  E ng ine ering   ( IJECE) ,  v ol .   8 ,  n o.   6,     pp.   5107 - 5117 ,   2018 .   [11]   M.  Li   and  M.  Cvij etic ,   “ Coher ent   fre e  spac e  o pti cs  comm unicati ons  over   the   m ari ti m e  at m osphere   with   use  of  ada pt ive   op tics f or  bea m   wav efr o nt  cor r ection, ”   A ppli ed   Opt ics ,   v ol .   54 ,   no .   6 ,   pp .   1453 - 1462 ,   201 5.   0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 -8 -6 -4 -2 0 pr op a ga t i on   di s t a nc e ( i n  k m ) l og ( < B E R > )       C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m C 2 n = 1 0 - 1 5  m - 2 / 3 , l 0 = 2   m m ,   = 1 5 5 0   n m s = 1c m ,   F s = L  s = 1c m ,   F s =   s = 2c m ,   F s = L  s = 2c m ,   F s = s = 1c m ,   F s =L s = 1c m ,   F s =   s = 2c m   F s =L   s = 2c m ,   F s = S N R = 5   d B S N R = 1 5   d B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Foc us ed  an d  c olli ma te d   G aus sian l as er  b e am sci ntil lati on   in weakly t urb ulent  marine     . . .  ( Ah med A.   Ab ba s)   389   [12]   A.  K.  Majumdar,   et   al . ,  “ Anal y s i s  of  opti ca l  comm unic at ions  thro ugh  the   ran dom   ai r - wat er  interfa ce :  f ea sibi li t y   fo r   under - wate r  co m m unic at ions, ”   Proc ee dings  of   SPIE ,   Las er  Comm unic ati on  and  Propag ati on  through  th e   At mos phere   and   Oce ans ,   vol .   851 7,   2 012 .   [13]   O.  Korotkova,   e t  al. ,  “ Probabilit y   densi t y   func t i on  of  the   intensit y   of  a  l ase r  be am  propa gat i ng  in  the   m aritime   envi ronm ent , ”   O pt ics   Ex press ,   vo l .   19 ,  no .   21 ,   pp .   20322 - 20331 ,   2 011.   [14]   M.  Sulta n a,   et  al. ,  “ Perform anc e  inve stig at io n  of  OF DM - F SO   sy st emund er  dive rse   wea t her   cond it ions  of   Bangl ad esh , ”   Int ernati onal  Journ al  of  El e ct rica l  and  Computer  Engi nee ring   ( IJECE) ,  v ol .   8,   n o.   5,   pp.   3722 - 373 1,   2018 .   [15]   L.   Cui,   “ Anal ysis  of  m ari ne  at m ospheric   turbul ence  eff e ct s  on  infra red   imaging  sy st em  b y   angl e  of  arr iv a l  fluc tu at ions, ”   In f rar ed  Phy s ic s   an d   Technol og y ,   v ol.   68 ,   pp .   28 - 34 ,  2015 .   [16]   L.   Cui ,   “ T emporal   power  spe ct ra  ov er  wea k ene d  m ari ne  d i sturbanc e  whi c h  is  exa m ine d   ana l y t ically   a nd  num eri ca l l y   in   e ac h  elem ent ,”   Jo urnal  of the   Opti cal   So ci e ty of   A meric a  A ,   vo l .   3,   no.   9,   pp.   2 030 - 2 037,   2014 .   [17]   Y.  Ba y k al ,   “ Form ula ti on  of  cor rel a ti ons  for  general - t y p e  bea m s  in  at m ospheric   turbul ence, ”   Journal  of  the   Opt ic a l   Soc iety  o f   Am eri ca  A ,   vo l.   23 ,   no .   4 ,   pp .   23889 - 2 38 93 ,  2006 .   [18]   H.  Gerç ek ci oğlu ,   et   a l. ,  “ Flat - to pped  Gauss ia n  l as er  bea m   scinti ll ation  in  wea k l y   turbu le nt  m arine  at m ospheric  m edi um ,”   Opti c s Comm unic ati o ns ,  v ol. 399,  pp.   24 - 27,   2017 .   [19]   M.  C.   Gökç e,   e t  al. ,  “ Bit   err or  rat e  anal y s is  of  MIS O  F SO   sy stems , ”   Wav es  i n  Random  and  Complex   Me d ia ,    vo l.   26 ,   no .   4 ,   pp .   642 - 649 ,  201 6 .   [20]   I.   S.  Gradshte y n   and   I.   M.  R y zh ik,   “ Ta ble   of  Int egr al s,  Seri es,   a nd  Products ,”  Sev en th  Edi t ion ,   Ac ademi c  Press ,  2007.   [21]   H.  Gerç ek ci oğl u,   “ Perform anc e  of  annular  bea m s  in  wea k  at m ospheric  turbul en ce   fo r  sate l li t e  l ase r   comm unic at ions , ”   Opt ic s Comm unic ati on s ,  v ol .   439,   pp .   233 - 23 8,   2019 .   [22]   L.   C.   Andr ews   and   R.   L .   Phi ll ips,  “ La se r  B ea m   Propaga ti o n  through  Ran dom   Media , ”   S PIE ,   B el l ingham ,   W ashingt on,   20 05.   [23]   S.  A .   Arpal i,   et   al . ,  “ Bit   err or  ra te   of  a  Gauss ia n  bea m   propa gat i ng  through  biol ogic a l  ti ss ue , ”   Jo urnal  of  Mode rn  Optic s ,   v ol .  67,   no.   4 ,   pp .   340 - 3 45 ,   2020 .   [24]   Y.  Ba y kal   and   H.  T.   E yy u boğl u,   “ Scint illation   inde x  of  fl at - to pped  Gauss ia n  bea m s , ”   Applied   Optic s ,   vol .   45 ,     no.   16 ,   pp .   3 973 - 3979 ,  2006 .   [25]   H.  Gerç ekc ioğ lu ,   “ Bit   err or  r ate  of  foc used  G aussian  be ams   in  wea k  o ceani c   turb ule nc e , ”   Journal   of  th e  Opt ic a l   Soci e ty   o f Ameri ca   A ,   vo l. 31,  no .   9 ,   pp .   1963 - 19 68,   2014 .       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS        Ah me d  A.  Ab b as    is  A  hea d   o f  Elec tr ic a l  E ng ine er ing  Depa r t m ent ,   Col le ge   o f  Engi n ee ring ,   Univer sit y   of  A nbar   from   2018  ti ll  now.  He   rece ive d  th e  B . Sc.   d egr ee  in  El e ct r ical  Eng ineeri ng/   Univer sit y   of   Technol og y   in   199 4,   he     re ceive d  MS . c .   in   comm unic a ti on  Engi ne e ring /Unive rsi t y   of  Technol og y   i n  200 5  and    he  rec e ive d  P hD  in   comm unic at ion   Engi ne eri ng /Ankar a  Yı ldı rım   Be y azıt  Univer s ity   in  2017.     Dr.  Ahm ed      is  re sea rch er  in  optical   wav e  propa gat ion  through   ran dom   m edi a.         Hamz a   Ge rç ek ci oğlu   cur ren t l y  works  at   Republ ic   of  Turkey   Ministr y   of  Trans por ta ti on  and  Infra struct ur e,   Dire ct or at e  Gen era l  of  Aerona u ti cs  and  Space   Te chno logi es.   D r.   Ham za   does  rese arc h   in   Enginee ring   Edu ca t io n,   E lectr oni c En gine er ing  and   C om m unic at ion  E ngine er ing.          H.   Hal du n  Göktaş   rec ei v ed  the   B. Sc.   degr ee   in  El e ct ri ca l  an d  Elec tron ic   Eng ine e ring/ Hac et t epe  Univer sit y   in  1987 .   H e  rec ei v ed  M.Sc .   in  Elec tr ic a l  and  El e ct roni c  Engi ne e ring /Hacet t epe  Univer sit y   in   1 990  and  r ec e ived  PhD   in  Elec tr onic   Eng ineeri n g/E rc i y es  Unive rsit y   in  1996 .     Prof.   Dr.  H al dun   is r ese arc h er in optical   f ibe r   co m m unic at ion  an d  optical fi b er  se nsors .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.