大气气溶胶对激光的衰减特性研究

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1、学校代码10701学号0827310138分类TN82号O436密级公开西安电子科技大学博士学位论文大气气溶胶对激光的衰减特性研究作者姓名：赵文娟一级学科：物理学二级学科：光学学位类别：理学博士指导教师姓名、职称：韩一平教授提交日期：2014年9月StudyonLaserAttenuationCharacterinAtmosphericAerosolAdissertationsubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilo

2、sophyByZhaoWenjuan(Physics)Supervisor:Prof.HanYipingSeptember2014摘要摘要随着新型激光光源和激光接收技术的不断发展，激光在工农业生产，环境检测，航天事业及国防建设等领域得到了越来越广泛的应用。如将激光作为信息载体应用于激光通信、目标跟踪定位、目标测距、目标识别、激光制导等领域，或将激光作为能量的载体制造激光武器等。但不论何种功能应用，都必须依赖一定波长、一定功率的激光辐射在激光发射系统和接收系统之间的大气环境传输，激光在大气中传输时，必然会受到各种大气气象现象的影响。本论文选题为大气气溶胶对

3、激光的衰减特性研究，讨论了激光在大气传输中的若干问题。基于理论方法重点开展了入射激光波束与典型大气气溶胶粒子、任意形状的气溶胶粒子及凝聚型粒子的相互作用研究，分析了各类气溶胶粒子在平面波及高斯波入射条件下的吸收、散射及衰减效应；将气溶胶衰减特性的研究应用于不同环境模式的激光传输衰减并给出了传输衰减特性在实验室粒子浓度测量中的应用；最后讨论了湍流大气对光传播的影响及一种光强闪烁抑制方式。主要开展了以下几个方面的研究：1、研究了典型成分及典型形状大气气溶胶的激光衰减特性。以广义洛伦兹米理论为基础，利用矢量波函数展开得到入射波束的电磁场分量，得到对应于粒子形状

4、的波束因子的直接求解，开展了单个球形、含核球形、椭球形、无限长圆柱形等形状的云滴及IAMAP（国际气象与大气物理学会）提出的无云大气气溶胶模型中主要气溶胶粒子类型的吸收、散射和衰减特性仿真，研究了激光波束与气溶胶粒子的相互作用规律，讨论了入射波束类型和波长、粒径大小、形状、内部结构、成分等因素对气溶胶激光大气衰减的影响。2、研究了任意形状及凝聚型大气气溶胶的激光衰减特性。基于实际大气中的复杂形状的气溶胶粒子进行了理论抽象，在面积分方程的矩量法框架下，建立了任意形状气溶胶粒子的散射场分布模型，实现了对点接触双球形、六棱柱形、椭圆柱形、重叠球形、椭球串等形状

5、的均匀冰晶气溶胶粒子和具有复杂空间及分形结构的凝聚型气溶胶群的散射特性模拟，通过数值计算结果证明了气溶胶的吸收和散射等光学特性不仅依赖于波长、尺寸参数、折射率，还取决于粒子的形状和凝聚的空间形态，证明了等效球模型具有很大的误差并基于本文算例讨论了等体积和等截面积两种等效的优劣。3、研究了离散型典型大气气溶胶环境模式的激光衰减特性。基于单个气溶胶粒子的激光衰减特性分析结果，开展了离散分布的气溶胶粒子系的激光大气传输研究，讨论了具有一定浓度、尺度谱分布规律和物理化学特性的气溶胶系对光束传输的影响，给出了衰减特性随气溶胶模式、激光波长、含水量等大气参量的变I西

6、安电子科技大学博士学位论文化。搭建了气溶胶粒子浓度测量实验平台，采用消光法测量了煤烟粒子样品的消光率，通过粒径分布算法对测量结果进行数值拟合反演得到试验样品的粒径分布规律。4、探索了湍流大气对激光大气传输特性的影响。基于大气激光信号在湍流中传输的实际应用背景，讨论了光束扩展、光束漂移及光强闪烁等湍流效应的形成机理，基于光场信号的二阶矩和四阶矩推导给出了这三种湍流大气现象的数学描述，建立了大气激光传输应用中的光波传播特性研究模型；开展了激光信号传输的主要影响因素光强闪烁的研究，构建了光强闪烁概率分布模型，讨论了光强闪烁的光接收抑制技术，在常见的Gamma-

7、Gamma大气信道衰落模型下，以光前置放大接收结构为例，基于等增益合并分集接收技术，给出了一种行之有效的光强闪烁抑制方式。关键词：大气气溶胶，光学特性，激光衰减，大气传输论文类型：基础研究类IIABSTRACTABSTRACTWiththedevelopmentofnewlaserandreceiver,laserhasbeenwidelyusedinvariousfields,includingindustrialandagriculturalproduction,space,nationaldefense,etc.Forinstance,laseri

8、sconsideredasinformationcarrier,andisemp