154μm激光大氣傳輸特性仿真計(jì)算探究

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1、1.54um激光大氣傳輸特性仿真計(jì)算探究作者簡(jiǎn)介：趙少卿（1989）,男，河南三門峽人，碩士研究生，主要從事光電儀器設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用方面的研究。摘要：為了研究1.54Um激光在不同條件下的大氣傳輸特性，利用Modtran模型進(jìn)行仿真計(jì)算的方法，得到了1.54UH1激光在大氣分子、氣溶膠粒子以及雨中的大氣傳輸特性。結(jié)果表明：大氣分子對(duì)1.54pm激光的傳輸影響很小，基本可忽略不計(jì)；不同類型的氣溶膠對(duì)于1.54卩m激光傳輸?shù)乃p程度有很大差別，其中海洋環(huán)境較陸地環(huán)境衰減更為明顯，且隨著能見度的降低透過率也隨之降低；霧對(duì)1.54um激光的衰減及其嚴(yán)

2、重，基本很難透過；雨天對(duì)1.54urn激光的衰減也很嚴(yán)重，衰減強(qiáng)度不及霧，但強(qiáng)于氣溶膠，且隨著降水強(qiáng)度的提高，透過率大幅降低。關(guān)鍵詞：大氣與海洋光學(xué)；1.54um激光；Modtran模型；透過率中圖分類號(hào)：TN249文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi:10.3969/j.issn.1005引言激光測(cè)距技術(shù)是軍事上應(yīng)用較早、較成熟的一項(xiàng)技術(shù)。脈沖激光測(cè)距機(jī)由于其操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于偵察、中近程目標(biāo)的精確打擊等方面，在現(xiàn)代軍事行動(dòng)中發(fā)揮了巨大的作用。目前，測(cè)距激光的波長(zhǎng)主要有1.06um、1.54um、1.57um、10.6Pm等［1］。脈

3、沖激光測(cè)距機(jī)的基本工作原理為：測(cè)距機(jī)的激光器向目標(biāo)發(fā)射一束激光脈沖，接收系統(tǒng)通過目標(biāo)的漫反射得到回波信號(hào)，經(jīng)過處理可得發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)間差，再結(jié)合光速進(jìn)行計(jì)算，從而得到測(cè)距機(jī)與目標(biāo)之間的距離。從中可以看出，任何種類的激光測(cè)距機(jī)都要依靠激光在目標(biāo)與接收系統(tǒng)之間的大氣介質(zhì)中的傳輸來(lái)發(fā)揮作用，而激光在大氣中的傳輸過程中，會(huì)受到各種衰減［2］,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)對(duì)測(cè)距機(jī)的正常使用造成影響。近年來(lái)，1.54Um波長(zhǎng)激光由于其處于人眼安全波段、大氣穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)而受到廣泛的重視［3］。因此，本文以1.54um的激光為例，對(duì)其大氣傳輸特性進(jìn)行仿真計(jì)算，以期

4、能夠?yàn)?.54urn激光測(cè)距機(jī)的使用提供技術(shù)支持dModtran模型仿真計(jì)算所用到的軟件為Modtran,是由美國(guó)空軍菲利普實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過25年的研究開發(fā)出的大氣輻射傳輸軟件，具有很寬的電磁波頻譜范圍(0.2ym?8,0?50000cm-1),光譜分辨率達(dá)到了2cm-1,可計(jì)算多種天氣條件下的輻射傳輸量［45］。軟件計(jì)算的基本依據(jù)為輻射傳輸方程：di(1)dl=k［J(1)-I(1)］(1)其中I(1)輻射強(qiáng)度，1為傳輸路徑，k為傳輸介質(zhì)的衰減系數(shù)，J(1)為熱輻射的源函數(shù)，可表示為：J(1)=［l-o)(1)IB(1)(2)其中3(1)為單次

5、散射的反照率，B(1)為普朗克函數(shù)。式(1)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為衰減系數(shù)k,由兩部分構(gòu)成,即吸收系數(shù)ka和散射系數(shù)ks：k=ka+ks(3)對(duì)于吸收系數(shù)ka,Modtran中建立了頻譜范圍很寬的大氣吸收光譜的數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)光波的波長(zhǎng)以及傳播路徑即可計(jì)算出多種氣體對(duì)光波的吸收系數(shù)；對(duì)于散射系數(shù)ks,Modtran中包含了大量不同的大氣模型和氣溶膠模型，根據(jù)模型中各粒子的分布規(guī)律，通過瑞利散射理論以及米式散射理論，即可計(jì)算出散射系數(shù)，進(jìn)而可得到光波的輻射傳輸規(guī)律［6］。實(shí)際情況下，必須考慮氣溶膠粒子的存在，因而，計(jì)算加入氣溶膠模型，以評(píng)估降水和氣溶

6、膠共同的作用。計(jì)算選取條件與圖4(a)中一致，加入能見度為5km的鄉(xiāng)村氣溶膠模型，得到如圖4(b)的結(jié)果。從圖4(a)中可以看出,在只考慮降雨影響，不考慮氣溶膠影響的情況下，隨著降水強(qiáng)度的增強(qiáng),l?54um激光的大氣透過率顯著下降。由于粒子本身的性質(zhì)及空間的分布規(guī)律有所差異，因而與霧相比，降雨對(duì)1.54um激光傳輸?shù)挠绊戄^低，但在降水強(qiáng)度較大和較遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，降雨的衰減已經(jīng)非常嚴(yán)重。由圖4(b)得出，考慮氣溶膠后1?54urn激光在雨中的透過率有一定的下降，但并不明顯，透過率的整體變化規(guī)律基本沒有改變。可見，在所設(shè)定的條件下，降雨對(duì)1?54

7、um激光傳輸?shù)挠绊戇h(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氣溶膠粒子的影響。由圖4(a)和圖4(b)可得出，降雨對(duì)1?54Um激光傳輸?shù)挠绊戨m不及霧，但在傳輸距離3km的情況下，即使是小雨透過率也很低，大雨情況下更是不足1%。因而雨天同樣會(huì)對(duì)1.54Pm激光測(cè)距機(jī)的使用帶來(lái)很大的影響。4結(jié)論利用Modtran大氣輻射傳輸軟件計(jì)算了1.54um激光在不同天氣條件下的大氣透過率，分析了包括大氣分子、氣溶膠以及雨對(duì)1.54um激光傳輸?shù)挠绊?，?jì)算表明：大氣分子對(duì)于1.54um激光傳輸?shù)挠绊懛浅Ｐ?，可以忽略不?jì)；氣溶膠粒子的影響較為明顯,且不同類型的氣溶膠的影響程度也差別很大，

8、在濕度較大的海洋類型中，其透過率相比于鄉(xiāng)村和城市類型也有較大幅度的下降；能見度是影響1.54iim激光大氣透過率的一個(gè)重要因素，衰減隨著能見度的降低而顯著增強(qiáng)，且在傳輸距離小于能