基于不同散射相函数的紫外光传输特性研究

为了研究三种不同散射相函数下紫外光大气传输特性,文章采用非直视紫外光通信的单次散射简化模型,对系统接收机接收到的能量及紫外光传输路径损耗随传输距离和散射角的变化情况进行分析.结果表明:三种相函数下,都表现为随传输距离的增大,接收能量减小,路径损耗增大,但三者之间存在一定的差异,对于紫外光通信系统,其传输性能的影响以前向散射为主,后向散射作用很小;随着散射角增大,后向散射作用相对明显;三种散射相函数下,紫外光通信链路的最佳散射角不同,但均随发射仰角的增大或接收仰角的增大最佳散射角增大,而接收能量减小.     

无线光通信中紫外散射传播特性的研究

结合大气散射理论,引入不同天气条件下的散射相函数和散射粒子半径两个参数,在长球面坐标系上修正了紫外光大气传输单次散射模型.仿真了正常、霾、雾、雨四种天气条件下的该散射模型的冲激响应,分析计算了这四种天气条件下的发送仰角、通信距离与接收光信号之间的关系.结果显示紫外大气传播中通信距离受天气影响较大,通信速率受天气影响较小.     

非视线光散射通信的大气传输模型

利用大气对光的散射作用可以实现非视线通信.在单次散射假定下,研究了非视线光散射通信系统的大气传输模型.利用该模型分析了光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数与接收散射光能量之间的关系;重点讨论了大气分子散射和气溶胶散射各自对接收散射光能量的贡献.结果表明当系统的收发仰角较大时,接收光能量主要来自大气分子散射;反之,气溶胶散射则成为接收光能量的主要部分.对于工作在日盲紫外光谱区的非视线通信系统,增加接收视场可以有效地增大系统的信噪比.发现在两种典型的收发仰角情况下,接收散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,这说明光源发散角要根据实际的应用场合设计确定.     

不同大气高度紫外光单次散射链路模型研究

针对不同海拔的大气散射区域对紫外激光单次散射链路的影响,综合考虑气压、温度及臭氧浓度三个因素,对紫外光单次散射链路模型进行了修正。在此基础上,首先计算紫外激光通信系统在0～28km高空范围内的链路损耗。其次,在链路损耗最小条件下,分析通信距离、通信终端仰角以及发散角三者的相互关系。结果表明,收发端设置在高空0～15km的链路损耗较低,15～21km的链路损耗剧增。发射端仰角和通信距离的增大分别导致链路损耗增加;损耗最小时,发射端仰角与发散角近似呈线性关系,通信距离对该关系无明显影响。     

脉冲激光引信烟尘环境回波模拟计算方法

针对常用Henyey-Greenstein散射相函数(H-G散射相函数)在描述单个粒子前向及后向散射特性时的不准确性,提出将基于 T 矩阵法的散射相函数用于激光烟尘散射研究的方法。通过 T 矩阵法计算烟尘粒子单次散射特性,并提出基于离散散射相函数的散射角抽样方法,利用随机数描述多重散射的散射分布,结合光子的半解析接收方法,建立了激光引信在烟尘环境下发射及接收的理论模型。为验证理论模型的正确性,通过封闭烟尘环境实验室,对激光引信在实际烟尘环境下的接收能力进行测试,分析不同烟尘浓度及湿度条件对回波的影响,并与采用H-G散射相函数理论模型的计算结果进行对比。结果表明,随着烟尘浓度和湿度的增加,激光回波幅度也相应增大,且基于 T 矩阵散射相函数的回波仿真方法与实验结果更吻合,尤其是烟尘浓度较大的情况,实验与理论分析结果一致。     

基于非视线红外激光大气散射通信技术研究

为了实现非视线激光大气散射通信,根据米氏散射理论,建立了非视线通信链路模型,研究了1.06m激光的大气散射通信技术,分析了激光接收功率、激光发射功率、激光发散角、接收视场、探测器灵敏度、发射机倾角、接收机倾角、大气衰减和通信距离的关系,并搭建了试验原理系统,进行了1km距离的散射通信试验,获得了激光散射信号。结果表明,在一定的天气条件下,采用波长为1.06m的红外激光进行信号传输,有望实现远距离的大气散射通信。     

轻霾天气下大气多次散射对激光通信的影响

为了了解多次散射对轻霾天气下大气激光通信的影响程度,建立了轻霾天气下大气多次散射的模型,并进行了分析,从理论上证明了在轻霾天气下前向散射对光接收的影响可以忽略。这为设计大气激光通信光收发系统提供了理论依据。     

雾环境下非视距散射光通信最佳链路分析

基于概率论和随机迁移理论,建立多次散射随机模型,采用蒙特卡洛方法仿真分析了辐射雾条件下,不同的通信距离条件时,近红外信号光在大气传输信道中传输的路径损耗与能见度之间的关系,指出在给定的通信距离以及给定的系统发送端发送仰角和发送光束束散角,接收端接收仰角和接收视场角等几何参数下,会存在一个能见度使得在这个能见度条件下信号光传输的损耗最小。在通信距离、能见度给定的情况下,针对大气散射通信几何构架中的各个参数的改变都会对非视距大气散射光通信链路路径损耗产生影响,通过模型仿真,提出辐射雾环境下最优化通信链路几何构架。仿真中采取808 nm 波长的激光二极管(LD)作为光源。     

非视线单次散射大气传输模型研究

为了研究波长为1.06μm的红外激光散射通信系统各种几何参量对系统性能的影响,利用非视线单次散射大气传输模型分析了接收机、发射机的收发视场、俯仰角以及传输距离等几何参量对接收机接收功率和路径传输损耗的影响。结果表明,增大接收机的视场可以提高探测到的散射光信号功率,而增加发射机的发散角则基本不影响接收到的信号功率;在其它参量不变的情况下,增大接收机或者发射机的仰角都减小了接收机的探测到的信号功率;在散射角和传输距离一定的情况下,适当地降低发射机的仰角可以提高接收机探测到的散射光信号功率。这些结果对系统设计有一定的参考价值。     

云散射模型与信道传输特性分析

提出地对地链路的云散射模型,用于分析不同类型云对给定波长信号光的信道传输特性。通过模型仿真,定量分析不同通信几何结构条件下,三种云的路径损耗预测,分析了发送、接收仰角、发送光束束散角等因素对路径损耗的影响。结果表明,当接收视场角固定时,最佳通信距离随着发送、接收仰角的增大而减小;当发送光束束散角很小(1°以下)时,需要调整发送仰角使得信号光源在云层下界形成的光斑位于检测器垂直上方,以达到接收能量的最大值;当发送光束束散角较大时,应调整发送、接收仰角使一次有效散射体积最大,使得接收能量最大。通过实验测量云散射链路的路径损耗,验证了结论的正确性。结论与波长相关,选用620nm和808nm两种波长激光二极管作为实验及仿真的光源。     

激光雷达探测的大气气溶胶空间二维分布

提出了通过改变激光束仰角的斜程探测得到气溶胶空间二维分布的方案。利用自行研制的Mie散射激光雷达系统对合肥西郊上空的大气气溶胶进行了连续的斜程探测，并通过相应的数据处理方法，得到气溶胶消光系数二维分布图及其随时间的演变图。给出了2005年12月2日的典型探测结果，这些结果不仅全面直观地反映了大气空间某一纵向剖面的气溶胶消光系数分布情况，而且清楚地显示了这一分布随时间的整体变化趋势，这对于实时的大气环境监测具有重要意义。     

1.064μm波长卷云反射率的模拟研究

为了给激光测距、激光对大气的探测等实际工程应用提供理论依据,采用逐线积分方法计算大气分子吸收,结合离散纵标法,并耦合卷云的单次散射特性,对由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.064μm时的散射特性和辐射特性进行了理论分析,得到了该波长上激光在卷云中传输时的反射率随入射光源的位置、观测器的位置以及卷云参量(云光学厚度、粒子尺度等)的关系。结果表明,卷云在1.064μm附近对激光的主要影响是散射,吸收在消光中占了很小的部分;其次,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,散射的方向变化主要由卷云的散射相函数以及光线入射角度和观测角度决定。这一结果对实际工程应用(比如激光测距、激光对大气的探测等)是有帮助的。     

多波长激光的大气消光系数相关性及实时反演计算研究

利用Mie散射理论并结合激光多点断层测量技术,得到了不同波长消光系数之间的相关关系.使用自主研制的激光遥感式后向散射能见度测量仪,利用实测数据得到了波长为1.06μm激光的大气消光系数,进而利用不同波长消光系数间的相关关系实时反演计算了波长为0.532μm、0.86μm、1.57μm和3.47μm激光的大气消光系数,并与实测波长为0.532μm的大气消光系数进行了比对,结果表明可以使用大气消光系数相关性实时反演计算红外辐射大气传输并建立红外辐射实时大气传输修正模型.     

成像激光雷达大气消光系数的反演方法

针对成像激光雷达的应用背景,利用Klett迭代方法求解水平路程激光大气传播的消光系数,并采用Monte-Carlo方法对典型应用背景下的接收信号进行了模拟,结果表明：采用该方法求解的消光系数的理论误差小于6％;在考虑大气湍流起伏的情况下,消光系数的起伏变化明显,但是与理论模型的变化趋势吻合。     

1.064 μm脉冲激光在雾中传输的蒙特卡洛模拟

在大气无线光通信中,大气中的雾滴会导致激光信号严重衰减,从而使得脉冲信号的时间展宽和能量衰减。应用蒙特卡洛多次散射模型对1.064μm激光脉冲在雾中的传输特性进行了数值模拟。在模拟中,基于米氏散射理论,计算出了光在不同雾能见度下的散射相函数值,并通过随机抽样方法得到了随机数与散射角的对应关系。与采用H-G相函数近似表示粒子对光的米氏散射特性的方法相比,这种方法更精确。在此基础上,模拟了不同雾环境和接收视场角下激光信号的脉冲响应特性。     

激光大气传输特性及其回波信号仿真研究

基于Rayleigh散射和Mie散射理论,利用已有的中光谱分辨率大气辐射传输模式(MODTRAN)数据及参考模式大气(RMA)数据资料,对355nm、2μm、10μm激光信号的散射、消光、透射等大气传输特性进行了仿真和比较。同时利用高斯函数分析了355nm波长处的Rayleigh和Mie回波信号光谱分布,并模拟了不同高度处的大气回波信号光谱。结果表明:与2μm、10μm相比,355nm波长的激光信号的散射特性较好;其在大气中传输时,衰减严重,适用于晴空大气;该波段的多普勒测风激光雷达接收到的回波信号在底层以Mie信号为主,高层以Rayleigh信号为主;综合考虑各种因素,选用355nm作为星载多普勒测风激光雷达的工作波长。     

激光海面漫反射解析特性研究

为了解决激光在海战中的应用瓶颈问题,采用基尔霍夫近似的方法对激光海面漫反射特性进行了研究。通过对激光光束入射海面后产生的散射场的分析、计算,并采用遮蔽函数对计算过程中的阴影效应加以修正,得出了较为准确的二维激光海面双站散射系数。最后通过分析,得出了海面粗糙度、入射角度与激光漫反射率之间的关系,为相关的研究提供了一定的理论依据。