激光在大气中传输特性的仿真研究(2)

湍流大气中的光强起伏

５８

空军工程大学学报（自然科学版）

２０１１年

１大气衰减效应

１．１

吸收效应仿真

激光在大气中传输时，大气会对激光产生吸收作用。设强度为，的单色光通过厚度为肌的大气薄层，

不考虑非线性效应，光强衰减量ｄ，正比于，及舭，即：

ｄ，／，＝（，’一，）／，＝口ｄＪｌｌ

积分后得大气透过率为：

（１）

ｒ＝，／，ｏ＝ｅｘｐ《一Ｉａｄ，Ｉ）

、

（２）

Ｊ

’

０

对于水平均匀光程，上式可以简化为：

ｒ＝ｅｘｐ（一ａＬ）

此公式即描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。

斜程路径传输透过率可以表示为：

，

（３）

●９８７６

。。

趸。

ｉ；

，

一！ｒ

ｒ＝ｅｘｐｌ—ｓｅｃ妒Ｉａ（Ａ，Ｊ１１）ｄ＾Ｉ

。

。

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（４）

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４

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毒。３

２，ＯＯ

２０

４０

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８０

１００

１２０

１４０

１６０

１８０

式中：Ａ为激光波长；ａ为大气衰减系数；￡为水平传输距离；Ｈ为斜程路径的垂直高度；９为斜程路径的天顶角。对于斜程路径传输，大气消光系数随高度而变化，所以计算透过率时需要对路径求积分。仿真不同衰减系数下的大气透过率与距离的关系见图２。１．２散射效应仿真

２００

Ｄｉｓｔａｎｃｅ／ｋｍ

图２不同衰减系数下的大气透过率曲线

Ｆｉ昏２

Ａｎｎｏｓｐｈｅｒｉｃ

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉ帆ｃｕⅣｅａＨｅｎｕａｔｉ∞ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ

ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅＩ℃ｎｔ

大气的散射是由大气中不同大小的颗粒的反射或折射所造成的，这些颗粒包括组成大气的气体分子、灰尘和水滴等。纯散射没有能量的损失，它只是改变了能量的分配方向。大气对光束的散射可分为分子散射和粒子散射，在近地面大气层中，分子散射的影响是很小的，叫瑞利散射，散射系数随波长、海拔高度的变化而变化，见图３—４。对任意波长，造成光能量衰减的主要是悬浮粒子的散射，叫米氏散射，散射系数的一般计算模型如下：

盯：卢。（Ａ）：挲ｆＷ

７

（５）

、＾，

式中：ｙ为大气能见度，单位为ｋｍ；Ａ为激光波长，单位为斗ｍ；口是不同能见度对应的常数，仿真结果见图５。

１９

８７

６

５

４３

Ｈｅｉｇｈｔ／ｋｍ

２●Ｄ

图３瑞利散射系数随波长的变化

Ｆｉｇ．３

图４瑞利散射系数随海拔的变化

Ｆｉｇ．４

图５

Ｆｉｇ．５

Ｍｉｅ散射系数随距离的变化Ｖａｒｉ砒ｉ伽ｏｆ

Ｍｉｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ

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大气的吸收表现为当光波通过大气时，大气分子在光波电场作用下产生极化，并依入射光的频率作受迫振动，而光波为了克服大气分子内部阻力要消耗一部分能量，这个能量的一部分转化为其他形式的能量。当入射光的频率等于大气分子的固有频率时，就会发生共振吸收，此时吸收出现极大值。因此分子的吸收特性强烈地依赖于光波的频率‘７｜。为了减少吸收引起的衰减，空间激光传输系统所使用激光的波长都选择在大气窗口附近。