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，田愛玲，韓峰、王紅軍、劉丙才（西安工業(yè)大學光電工程學院，西安710032）摘要：激光在大氣中傳輸受到各種因素的影響。本文以脈沖激光測距設計的實際需要為出發(fā)點，從大氣的組成入手，對激光在大氣中傳輸的理論特性進行研究，并建立激光大氣傳輸系統(tǒng)的傳遞函數模型。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。針對以上幾個因素的影響，本文在選擇波長的基礎上，用MATBLE對激光

2、經過大氣散射后的透射率進行仿真，并對仿真結果和實際測量結果進行分析。通過數據計算和MATBLE的仿真可以證明，在傳輸距離相同的條件下，波長越長，分子的散射越弱；波長越短，其散射越明顯。關鍵詞關鍵詞：激光測距，大氣傳輸，吸收，散射中圖分類號：中圖分類號：TN241文獻標志碼：文獻標志碼：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激光的吸收依據波長而定，當激光的波長處于大氣窗口時，則吸收較小。如上圖1中對0.65μm激光而言，大氣中的水汽、二氧化碳、臭氧、氮氣等主要的分子基本上無吸收作用，因而它處在大氣傳輸的窗口區(qū)。可以作為脈沖激光波長選擇的依據之一。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均勻性，當光

8、波在大氣中傳輸時，大氣分子使光波的傳播方向發(fā)生改變，致使光在各個方向散射。大氣散射分為瑞利散射和米氏散射。當光的波長遠大于散射粒子尺寸時，產生瑞利散射，其體積散射系數表示為[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；根據一般經驗，可簡便?的表示為：(5)1742.67710rPvT???當激光波長與粒子尺寸相差不多時，產生米氏散射[

9、2][3]。因此，米氏散射理論實際是對氣溶膠散射的一種較好的近似。米氏散射系數：(6)2()mmNrx???為單位體積的粒子數；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。由于散射系數都是根據分布經驗得到的，比較難獲2r?得。一般情況下用公式(7)計算總衰減系數[4]：(7)(3.19)(0.55)ktrmV??????V是能見度；一般條件下，k=1.3；當能見度良好時，k=1.6；當能見