激光在雨中传输的分析与计算

本文通过分析雨滴其对激光的散射和吸收作用,研究激光在大气中传输时受雨滴作用的影响,计算不同雨滴对激光光强的影响,在不同降雨下,测试激光光强的变化,并通过软件仿真实时显示光斑的闪烁、漂移,为进一步优化激光通信系统性能设计、最终实现全天候超视距的大气激光通信做有意义的探索。     

降雨对532nm和1064nm激光传输的衰减特性研究

降雨会对激光信号产生严重的衰减,从而给激光目标探测的应用带来一定影响.激光在降雨中的传输衰减已在红外波段做了大量的实验研究,而可见光波段激光在雨中的传输衰减特性还未见报道.基于夫琅禾费衍射和几何光学散射理论,建立雨滴对532 nm绿激光和1064 nm近红外激光光束的传输衰减模型,对比分析两波长激光在不同降雨量下的衰减...     

降雨对C波段散射计测风的影响及其校正

传统观点认为C波段散射计工作波长大于雨滴直径,受降雨散射衰减的影响很小, 因此往往忽略降雨对C波段散射计测风的影响.本文基于降雨引起C波段散射计信号的衰减、 后向体散射及雨滴落入海面后的扰动作用,推导了降雨条件下的雷达方程, 构建了2010年全年的ASCAT散射计、降雨雷达和欧洲中期天气预报中心数值预报的匹配数据集, 定量分析了降雨对C波段散射计测风的影响,发现其信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增强; 后向体散射和雨表面扰动作用随降雨强度的增大而增强、随入射角的增大而减小, 其中雨表面扰动作用对散射计测风的影响大于后向体散射.另外, 利用降雨条件下的雷达方程和匹配数据集,本文建立了降雨条件下的C波段主动微波辐射传输模型, 实验表明,该模型能够改善降雨条件下C波段散射计测风的精度.     

降雨对微波传输特性的影响分析

在归一化雨滴谱分布、雨滴的介电模型和Mie散射理论的基础上计算群雨滴在微波波段的散射和衰减特性,讨论分析雨滴谱分布、降雨强度、入射波频率和温度等因素对微波传输特性的影响.数值模拟结果表明,不同谱分布的群雨滴散射能力从大到小依次为JD,MP,Gamma和JT分布,降雨强度对微波传输特性的影响最大,入射波频率次之,温度的影响最小.所得出的结论有助于准确评估降雨对微波传输的影响以及提高利用测雨雷达和毫米波雷达等定量探测降水的精度. 关键词： 微波传输 雨滴谱分布 Mie散射 散射衰减特性     

降雨对无线激光通信的影响

通过激光信号在雨介质中传输的实验发现,在大雨环境下,激光信号透射率要比在小雨或微雨的情况下大。这说明光信号在小雨时衰减较大,在大雨时衰减较小。这一现象与人们通常所认为的有所不同。针对降雨对激光信号的影响,根据Mie散射理论和Weibull雨滴尺寸分布模型,分析了不同尺寸的粒子对光的散射作用以及对衰减效率因子的影响,推导出单球粒子对光波的衰减公式,得到了衰减与降雨率的确定关系。通过数值计算发现,与小粒子相比大粒子的前向散射光强更大且更加集中;激光信号在雨介质中传输时,衰减系数在小雨时较大,中雨、大雨时较小,暴雨时不断增大。这一结果与实际情况较吻合,为激光在通信系统中的应用提供了一定的理论依据。     

雾对激光的衰减特性研究

基于gamma雾滴分布模型以及辐射雾和平流雾粒径分布与能见度的经验关系,计算并分析了不同波长激光在两种雾中的衰减率随能见度的变化,透射率随传输距离的变化.结果表明,不同波长激光在两种雾中传输时,波长较长激光的衰减率都比波长较短激光的衰减率低;10.6μm激光在平流雾中衰减率大于在辐射雾中的衰减率;对不同波长激光在两种雾...     

非球形大气粒子对任意波束的电磁散射特性

研究大气中变形球状的气象粒子对电磁波以及激光的散射特性,采用广义米氏(Mie)理论,精确地求解在任意波束中大气粒子的散射强度,数值计算激光束腰位置对散射强度分布的影响,分析彩虹强度和散射角与变形球状粒子偏心率的关系,研究随着长短轴比例增加,彩虹强度峰值的偏移。计算结果表明雨滴在下降过程中,它在各个方向的光散射强度逐步减弱,即随着雨滴偏心率的增大,散射强度减少,彩虹角变大。对于激光入射,当粒子距离波束中心位置越远,粒子的散射就越弱,并且随尺寸参量增加,后向散射振荡的频率要大于前向散射,当束腰位置矢径的大小增加时,后向散射和前向散射强度均变小。     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

距离选通技术对后向散射抑制作用的理论分析

 从辐射度学的基本理论出发，建立了单CCD像元的距离选通激光主动成像模型。而后考虑成像质量，借助单CCD像元信噪比和图像均方差误差两个指标，阐明了距离选通技术是抑制后向散射、增大成像距离、提高图像质量的有效手段。最后从模型出发，导出了距离选通技术在激光主动成像中应用时一些关键参数的选取原则:(1) 尽可能减小激光脉冲宽度，以克服后向散射的影响；（2） 要能够达到尽可能远的观测距离，在激光功率一定的条件下，激光占空比越大越好；（3）在激光满足一定条件的情况下，脉冲频率越高越好。     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

沙尘天气下大气能见度对激光光强的影响

基于米氏理论,分别研究了不同波长的激光信号在沙尘天气中发生单次散射和多次散射时光强与能见度间的变化关系.推导出发生单次散射时光强与能见度间的解析表达式,同时采用蒙特卡洛方法分析了发生多次散射时光强与能见度间的关系,并与单次散射时的结果进行对比.结果表明:在激光信号波长固定时,接收光强会随着沙尘能见度的增大而增加,并趋于稳定值;在能见度固定时,接收光强会随着激光信号波长的增大而减小;随着传输距离的增加,多次散射的影响会越来越明显.     

沙尘信道下激光通信系统的性能分析

沙尘对激光信号的散射和吸收作用会引起激光信号的严重衰减,本文结合我国沙尘粒子的半径分布特征,在考虑含水影响的基础上,研究了沙尘对激光信号衰减特性的影响,得到了接收端信噪比的表达式;同时针对OOK调制,推导了沙尘天气下激光通信系统的误码率和信道容量。仿真分析了能见度、传输距离、含水量以及激光波长等因素对误码率和信道容量的影响。结果表明:随着含水量和传输距离的增大以及大气能见度的减小,系统的误码率会呈现出不断增大的趋势,而信道容量则呈现减小的趋势。在能见度为4 km的情况下,波长为1 550 nm、传输距离为1 km时系统的误码率可达10~(-2)数量级,且归一化信道容量为8.48 bps/Hz。     

基于Monte Carlo方法的雾红外传输仿真及分析

为了研究多次散射效果下红外辐射在雾中的传输衰减特性,基于Mie散射理论,计算了1.064μm、3.8μm和10.6μm激光在平流雾和辐射雾中的消光参量和多粒子散射相位函数.利用Monte Carlo法建立了辐射传输模型,分析了多次散射效应下接收屏、能见度和传输距离对透过率的影响,并与Lambert-Beer定律计算结果进行了比较.结果表明:当能见度和传输距离均为1km时,1.064μm激光在平流雾中的接收屏粒子数随接收屏边长的增加而显著增加;相同的能见度和传输距离下,激光在辐射雾中的衰减小于在平流雾中的衰减;10.6μm激光在平流雾中具有很好的传输性;当粒子散射能力越强、前向散射概率越大时,多次散射对透过率的贡献越明显;激光在雾中的传输衰减特性不仅与消光系数有关,还与散射系数密切相关;能见度和传输距离存在最佳组合,使得此传输条件下多次散射对透过率的贡献最大.     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

部分相干光通过强湍流对通信系统误码率的影响

为研究部分相干光通过强湍流对系统误码率的影响,借助对激光在大气湍流场中的传输方程进行解析求解(忽略系统中其他噪声,仅考虑由大气湍流引起的系统误码率),得到不同湍流内尺度、传输激光波长和光源相干参数条件下,系统误码率和传输距离的关系.结果表明:在强湍流条件下,当发射天线数目达到一定时,随着传输距离的增加,系统误码率逐渐增大,但增大到一定程度后趋于饱和;光源相干参数越大,系统误码率越低;湍流内尺度越大,系统误码率越高;传输激光波长的变化对系统误码率无明显影响.     

脉冲激光探测水下目标回波特性分析研究

海洋表层是水下生物以及水下目标的主要活动区域,对海洋表层中的目标进行高精度的探测是一个十分重要的课题。本文建立了半解析蒙特卡洛激光辐射传输仿真模型,能够对机载海洋雷达回波信号过程进行全链路仿真,并且讨论了不同形状(包括：平面形、圆锥形、球形和类球形)目标的最大回波辐射强度随着水下深度分布。基于此,本文分析了脉冲激光雷达回波过程中不同目标在相同场景下考虑的截止散射阶次对回波信号的能量占比贡献。最后,分别从脉冲激光回波半峰全宽(FHWM)以及海水后向散射信噪比(SNR)两个方面分析了不同形状的水下目标识别过程中海水的后向散射对脉冲激光回波的回波半宽增宽效应以及不同深度下的海水后向散射信噪比。     

高散射抑制比激光雷达水下探测技术探析

浅海海水严重的后向散射是阻碍激光近海水下探测应用的关键问题,回波信号中的后向散射制约了水下目标探测深度、分辨率和对比度.针对该问题,研究了两种高散射抑制比海洋激光雷达——混沌脉冲激光雷达和相干双频脉冲激光雷达,这两种激光雷达信号具有内在的高频强度调制特性,而后向散射具有低频特性.因此,在目标信号光和后向散射光同量级条件下,可通过带通或高通滤波将海水后向散射滤除,从而提高系统信噪比.     

Compton散射下超强激光等离子体通道的演化

应用多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法,研究了Compton散射对超强飞秒激光等离子体中通道的影响,提出了将Compton散射光作为形成等离子体通道的新机制,给出了超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播和电子密度随时间变化的非线性修正方程,并进行了数值模拟。并研究发现：散射使等离子体中电子密度峰值增大1个量级,半径增大1mm。激光最大功率密度被限制在1018W/m2以下,随传输距离增大缓慢衰减。传输初始阶段,单脉冲衰减能量较散射前增大2%,之后衰减较平缓。通过增加超强飞秒激光脉冲输入功率,能有效地增加电子密度峰值,有利于等离子体通道的形成。并对所的结论给出了初步物理解释。