激光在大氣中的傳輸特性研究及仿真

1、.激光在大氣中的傳輸特性研究及仿真呂宏飛，田愛(ài)玲，韓峰、王紅軍、劉丙才（西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，西安710032）摘要：激光在大氣中傳輸受到各種因素的影響。本文以脈沖激光測(cè)距設(shè)計(jì)的實(shí)際需要為出發(fā)點(diǎn)，從大氣的組成入手，對(duì)激光在大氣中傳輸?shù)睦碚撎匦赃M(jìn)行研究，并建立激光大氣傳輸系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。而激光在大氣中的衰減主要受到大氣分子的吸收、大氣中微粒的散射和大氣的折射影響。針對(duì)以上幾個(gè)因素的影響，本文在選擇波長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，用MATBLE對(duì)激光

2、經(jīng)過(guò)大氣散射后的透射率進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和MATBLE的仿真可以證明，在傳輸距離相同的條件下，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，分子的散射越弱；波長(zhǎng)越短，其散射越明顯。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：激光測(cè)距，大氣傳輸，吸收，散射中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TN241文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AStudySimulationoftheTransmissionacteristicsoflaserpropagationintheatmosphere

3、（LvHongfeiTianAilingHanFengWangHongjunLiuBingcai）（Xi’anTechnologicalUniversity）Abstract:Laserpropagationinatmosphereundertheinfluenceofvariousfacts.Thepulselaserrangefinderdesignpracticalneedsasthestartingpointfromthesta

4、rtwiththecompositionoftheatmospherethetheyoflaserpropagationintheatmospherewerestudiedtheestablishmentofatmosphericlasercommunicationsystemtransferfunctionmodel.Whilethelaserbeamintheatmosphereattenuationbyatmosphericmol

5、eculargeatmosphericparticulatebackscatteringatmosphericrefractioneffects.InviewoftheabovetheinfluenceofseveralfactstheionbasedonwavelengthMATBLEonlaseratmosphericscatteringtransmissivityaresimulatedthesimulationresultsac

6、tualmeasurementresultanalysis.ThroughthedatacalculationMATBLEsimulationcanbeprovedthetransmissiondistanceunderthesameconditionsthelongerwavelengthsmolecularscatteringisweaktheshterwavelengthscatteringmeobvious.KeyWds:Las

7、errangingAtmospherictransmissionAbsptionScattering引言引言.圖1大氣吸收光譜圖大氣中不同的氣體分子對(duì)激光的吸收依據(jù)波長(zhǎng)而定，當(dāng)激光的波長(zhǎng)處于大氣窗口時(shí)，則吸收較小。如上圖1中對(duì)0.65μm激光而言，大氣中的水汽、二氧化碳、臭氧、氮?dú)獾戎饕姆肿踊旧蠠o(wú)吸收作用，因而它處在大氣傳輸?shù)拇翱趨^(qū)?？梢宰鳛槊}沖激光波長(zhǎng)選擇的依據(jù)之一。1.2大氣的散射由于大氣密度的不均勻破壞了大氣的光學(xué)均勻性，當(dāng)光

8、波在大氣中傳輸時(shí)，大氣分子使光波的傳播方向發(fā)生改變，致使光在各個(gè)方向散射。大氣散射分為瑞利散射和米氏散射。當(dāng)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于散射粒子尺寸時(shí)，產(chǎn)生瑞利散射，其體積散射系數(shù)表示為[1]：(4)32224(83)[(1)()][(63)(67)rnN?????????n是粒子的折射率；N為粒子密度；為偏振因子，通常取0.035；根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，可簡(jiǎn)便?的表示為：(5)1742.67710rPvT???當(dāng)激光波長(zhǎng)與粒子尺寸相差不多時(shí)，產(chǎn)生米氏散射[

9、2][3]。因此，米氏散射理論實(shí)際是對(duì)氣溶膠散射的一種較好的近似。米氏散射系數(shù)：(6)2()mmNrx???為單位體積的粒子數(shù)；r為粒子半徑；x是散射效率，一般定義為粒子散射的能量與入()mN射到粒子幾何截面上的能量比。由于散射系數(shù)都是根據(jù)分布經(jīng)驗(yàn)得到的，比較難獲2r?得。一般情況下用公式(7)計(jì)算總衰減系數(shù)[4]：(7)(3.19)(0.55)ktrmV??????V是能見(jiàn)度；一般條件下，k=1.3；當(dāng)能見(jiàn)度良好時(shí)，k=1.6；當(dāng)能見(jiàn)