154μm激光大气传输特性仿真计算探究

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1、1.54um激光大气传输特性仿真计算探究作者简介：赵少卿（1989）,男，河南三门峡人，硕士研究生，主要从事光电仪器设计理论及应用方面的研究。摘要：为了研究1.54Um激光在不同条件下的大气传输特性，利用Modtran模型进行仿真计算的方法，得到了1.54UH1激光在大气分子、气溶胶粒子以及雨中的大气传输特性。结果表明：大气分子对1.54pm激光的传输影响很小，基本可忽略不计；不同类型的气溶胶对于1.54卩m激光传输的衰减程度有很大差别，其中海洋环境较陆地环境衰减更为明显，且随着能见度的降低透过率也随之降低；雾对1.54um激光的衰减及其严

2、重，基本很难透过；雨天对1.54urn激光的衰减也很严重，衰减强度不及雾，但强于气溶胶，且随着降水强度的提高，透过率大幅降低。关键词：大气与海洋光学；1.54um激光；Modtran模型；透过率中图分类号：TN249文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1005引言激光测距技术是军事上应用较早、较成熟的一项技术。脉冲激光测距机由于其操作方便、可靠性高等优点，广泛地应用于侦察、中近程目标的精确打击等方面，在现代军事行动中发挥了巨大的作用。目前，测距激光的波长主要有1.06um、1.54um、1.57um、10.6Pm等［1］。脉

3、冲激光测距机的基本工作原理为：测距机的激光器向目标发射一束激光脉冲，接收系统通过目标的漫反射得到回波信号，经过处理可得发射与接收信号的时间差，再结合光速进行计算，从而得到测距机与目标之间的距离。从中可以看出，任何种类的激光测距机都要依靠激光在目标与接收系统之间的大气介质中的传输来发挥作用，而激光在大气中的传输过程中，会受到各种衰减［2］,严重时可能会对测距机的正常使用造成影响。近年来，1.54Um波长激光由于其处于人眼安全波段、大气穿透能力强等特点而受到广泛的重视［3］。因此，本文以1.54um的激光为例，对其大气传输特性进行仿真计算，以期

4、能够为1.54urn激光测距机的使用提供技术支持dModtran模型仿真计算所用到的软件为Modtran,是由美国空军菲利普实验室经过25年的研究开发出的大气辐射传输软件，具有很宽的电磁波频谱范围(0.2ym〜8,0〜50000cm-1),光谱分辨率达到了2cm-1,可计算多种天气条件下的辐射传输量［45］。软件计算的基本依据为辐射传输方程：di(1)dl=k［J(1)-I(1)］(1)其中I(1)辐射强度，1为传输路径，k为传输介质的衰减系数，J(1)为热辐射的源函数，可表示为：J(1)=［l-o)(1)IB(1)(2)其中3(1)为单次

5、散射的反照率，B(1)为普朗克函数。式(1)中的一个关键参数为衰减系数k,由两部分构成,即吸收系数ka和散射系数ks：k=ka+ks(3)对于吸收系数ka,Modtran中建立了频谱范围很宽的大气吸收光谱的数据库，根据光波的波长以及传播路径即可计算出多种气体对光波的吸收系数；对于散射系数ks,Modtran中包含了大量不同的大气模型和气溶胶模型，根据模型中各粒子的分布规律，通过瑞利散射理论以及米式散射理论，即可计算出散射系数，进而可得到光波的辐射传输规律［6］。实际情况下，必须考虑气溶胶粒子的存在，因而，计算加入气溶胶模型，以评估降水和气溶

6、胶共同的作用。计算选取条件与图4(a)中一致，加入能见度为5km的乡村气溶胶模型，得到如图4(b)的结果。从图4(a)中可以看出,在只考虑降雨影响，不考虑气溶胶影响的情况下，随着降水强度的增强,l・54um激光的大气透过率显著下降。由于粒子本身的性质及空间的分布规律有所差异，因而与雾相比，降雨对1.54um激光传输的影响较低，但在降水强度较大和较远距离传输时，降雨的衰减已经非常严重。由图4(b)得出，考虑气溶胶后1・54urn激光在雨中的透过率有一定的下降，但并不明显，透过率的整体变化规律基本没有改变。可见，在所设定的条件下，降雨对1・54

7、um激光传输的影响远远超过了气溶胶粒子的影响。由图4(a)和图4(b)可得出，降雨对1・54Um激光传输的影响虽不及雾，但在传输距离3km的情况下，即使是小雨透过率也很低，大雨情况下更是不足1%。因而雨天同样会对1.54Pm激光测距机的使用带来很大的影响。4结论利用Modtran大气辐射传输软件计算了1.54um激光在不同天气条件下的大气透过率，分析了包括大气分子、气溶胶以及雨对1.54um激光传输的影响，计算表明：大气分子对于1.54um激光传输的影响非常小，可以忽略不计；气溶胶粒子的影响较为明显,且不同类型的气溶胶的影响程度也差别很大，

8、在湿度较大的海洋类型中，其透过率相比于乡村和城市类型也有较大幅度的下降；能见度是影响1.54iim激光大气透过率的一个重要因素，衰减随着能见度的降低而显著增强，且在传输距离小于能