激光在大气中的传输特性研究及仿真

-.激光在大气中的传输特性研究及仿真吕宏飞，田爱玲，韩峰、王红军、刘丙才（西安工业大学光电工程学院，西安710032）摘要：激光在大气中传输受到各种因素的影响。本文以脉冲激光测距设计的实际需要为出发点，从大气的组成入手，对激光在大气中传输的理论特性进行研究，并建立激光大气传输系统的传递函数模型。而激光在大气中的衰减主要受到大气分子的吸收、大气中微粒的散射和大气的折射影响。针对以上几个因素的影响，本文在选择波长的基础上，用MATBLE对激光经过大气散射后的透射率进行仿真，并对仿真结果和实际测量结果进行分析。通过数据计算和MATBLE的仿真可以证明，在传输距离相同的条件下，波长越长，分子的散射越弱；波长越短，其散射越明显。关键词：激光测距，大气传输，吸收，散射中图分类号：TN241文献标志码：AStudyandSimulationoftheTransmissioncharacteristicsoflaserpropagationintheatmosphere（LvHongfeiTianAilingHanFengWangHongjunLiuBingcai）（Xi’anTechnologicalUniversity）Abstract:Laserpropagationinatmosphereundertheinfluenceofvariousfactors.Thepulselaserrangefinderdesignpracticalneedsasthestartingpoint,fromthestartwiththecompositionoftheatmosphere,thetheoryoflaserpropagationintheatmospherewerestudied,andtheestablishmentofatmosphericlasercommunicationsystemtransferfunctionmodel.Whilethelaserbeamintheatmosphereattenuationbyatmosphericmolecularcharge,atmosphericparticulatebackscatteringandatmosphericrefractioneffects.Inviewoftheabovetheinfluenceofseveralfactors,theselectionbasedonwavelength,MATBLEonlaseratmosphericscatteringtransmissivityaresimulated,andthesimulationresultsandactualmeasurementresultanalysis.ThroughthedatacalculationandMATBLEsimulationcanbeproved,thetransmissiondistanceunderthesameconditions,thelongerwavelengths,molecularscatteringisweak;theshorterwavelength,scatteringmoreobvious.KeyWords:Laserranging;Atmospherictransmission;Absorption;Scattering引言鉴于探测信号和不同波长的激光等在大气中传输，因多种因素引起的能量衰减，影响了脉冲激光测距的性能。本文通过对激光在大气中的传输特性进行研究和分析，为激光测距的设计提供理论依据。使激光测距的性能得到有效地改善，有利于解决实际应用中必须考虑的问题。1激光在大气中的衰减大气是由多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体。比如：烟、雾和尘埃等，以及雨雪等的自然现象，都会使激光在传输过程中造成部分能量损失。激光在大气中传输受到多种因素的影响，比如：大气的气溶胶及大气分子（如CO2、H2O和O3）的吸收和散射等。大气对激光引起的衰减主要有大气分子吸收、大气分子散射。吸收是把辐射能变成其它形式的能量，而散射则会使传输方向发生偏离，其衰减规律遵从朗伯-比尔定律。当功率为Pλ的单色光在大气中传播时，因吸收和散射而衰减。由于吸收和散射对辐射衰减的相对值都与传输距离成正比，其大气衰减系数可表示为：/[()()]/()dPPdx(1)()是吸收系数，()为散射系数，()为衰减系数。当激光在大气中传输时，会因为吸收和散射使能量随着传输距离的增加而不断衰减。由于激光有着良好的单色性，依据朗伯-比尔定律：透射比等于透射光强与入射光强之比。可表示为：(,)(,)/(,0)exp[()]LPLPL(2)L为激光在大气中传输的距离；(,0)P为从激光器发出传输距离0时的功率；(,)PL为激光在大气中传输距离L，经过衰减后的功率；()为波长为的激光衰减系数；(,)L激光在大气中传输L后的透射率。进而有透射率为：(,)exp(())exp(())*exp(())()*()LLLL(3)大气透射率(τ)与波长有着密切关系。1.1大气的吸收大气对辐射的吸收和散射均与波长有关，即大气中一些分子对辐射有选择性的吸收而造成的。大气分子对激光的吸收是由分子吸收的光谱特性决定的,大气吸收光谱概况如图1：-.图1大气吸收光谱图大气中不同的气体分子对激光的吸收依据波长而定，当激光的波长处于大气窗口时，则吸收较小。如上图1中对0.65μm激光而言，大气中的水汽、二氧化碳、臭氧、氮气等主要的分子基本上无吸收作用，因而它处在大气传输的窗口区。可以作为脉冲激光波长选择的依据之一。1.2大气的散射由于大气密度的不均匀破坏了大气的光学均匀性，当光波在大气中传输时，大气分子使光波的传播方向发生改变，致使光在各个方向散射。大气散射分为瑞利散射和米氏散射。当光的波长远大于散射粒子尺寸时，产生瑞利散射，其体积散射系数表示为[1]：32224(8/3)*[(1)/()]*[(63)/(67)rnN(4)n是粒子的折射率；N为粒子密度；为偏振因子，通常取0.035；根据一般经验，可简便的表示为：1742.677*10/rPvT(5)当激光波长与粒子尺寸相差不多时，产生米氏散射[2][3]。因此，米氏散射理论实际是对气溶胶散射的一种较好的近似。米氏散射系数：2()mmNrx(6)()mN为单位体积的粒子数；r为粒子半径；x是散射效率，一般定义为粒子散射的能量与入射到粒子几何截面2r上的能量比。由于散射系数都是根据分布经验得到的，比较难获得。一般情况下,用公式(7)计算总衰减系数[4]：*(3.19/)/(0.55/)ktrmV(7)V是能见度；一般条件下，k=1.3；当能见度良好时，k=1.6；当能见度小于6km时[5][6],1/30.585kV；实际情况表明，在近地面和低空中主要是气溶胶散射（即米氏散射）起作用。1.3大气的折反射大气的折射效应是指当光线通过大气时，由于存在密度或折射率梯度，导致光程增加以及光线传输路径弯曲的现象称为大气的折射效应。由于本文主要是对百米的短距离脉冲激光测距进行研究，在这里对大气的的折反射效应不作研究。2数据分析和仿真从上述理论可以得出，激光在大气中传输的透过率可表示为[7]：(3.19/)/(0.55/)*(,)exp()kVLtLLe（8）根据公式（8），本文对波长为0.50μm；0.65μm；0.87μm；0.96μm；的透过率进行计算，其数据结果如表1;波长透过率0.50.8131700.650.8374540.870.8610730.960.868310表1波长与透过率的数值计算通过对激光波长与透过率之间的数据分析，本文运用MATBLE对0.450μm；0.550μm；0.650μm；0.850μm；0.906μm，几个不同波长经过大气散射后的透射率进行仿真，并对仿真结果和实际结果的误差进行分析。其仿真结果如下图2所示：图2不同波长经过散射后的透射率通过数据计算和MATBLE的仿真可以证明，在传输距离相同的条件下，波长越长，-.分子的散射越弱；波长越短，其散射越明显。3结论以上对激光大气传输的衰减进行简单分析，但激光在传输过程中因大气效应引起的衰减是不可避免的，为了充分发挥激光作用，在减小大气衰减方面采用的措施非常有限。通过上述对传输规律分析，仔细选择波长等，以确保激光具有较高的透过率。本文在百米的脉冲激光测距的基础上对激光在大气中的传输特性进行研究，旨在选择合适的波长，减少激光在大气中的传输损耗。虽然短距离的能量衰减较小，但对实现高精度、远距离的脉冲激光测距仪来说，其引起的传输损耗不可忽视。这将限制激光系统性能的发挥，是实际应用中必须要考虑的问题。参考文献：[1]E.J.麦卡特尼著,潘乃先等译.大气光学分子和粒子散射[M].北京：科学出版社，1998,122-334[2]王丽黎,柯熙政,席晓莉.激光通过大气随机信道光强分布的实时显示[J].西安理工大学学报,2005,21(2):196-199[3]张逸新.随机介质中光的传播与成像[M].北京:国防工业出版社,2002[4]强希文,张辉,屠琴芬，激光雷达信号大气衰减效应西北核技术研究，2000[5]McCoyJHetal.WaterVaporContinuumAb-sorptionofCarbonDioxideLaserRadiationNearTenMicros[J].ApplOpt,1969,8(7):1471~1478[6]杨瑞科，马春林，韩香娥激光在大气中传输衰减特性研究西安2007-9[7]TAKAMITsuOlumuraAKIHIROTagaya.Modelingtheatmosphereasanunguidedopticalcommunicationschannel[J].IEEE,1998,2655:1480-1484.