1.064μm激光在對(duì)空傳輸中的大氣影響分析

楊彥杰

摘 要：本文探討了大氣對(duì)紅外激光輻射的吸收和散射作用，并在激光對(duì)空傳輸數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了大氣在激光能量對(duì)空傳輸中的影響因素，得出了大氣的散射作用是1.064μm激光在大氣傳輸中發(fā)生衰減的主要原因的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：大氣透過(guò)率 激光傳輸 高空目標(biāo)

中圖分類號(hào)：P412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）01（c）-0056-03

本文以地基1.064μm激光作為輻射源，通過(guò)分析到達(dá)2000km處目標(biāo)窗口的激光功率大小，考察了大氣透過(guò)率對(duì)輻射能量的影響。文中采用MODTRAN計(jì)算大氣透過(guò)率，并在MATLAB中以曲線圖的方式對(duì)影響激光傳輸?shù)拇髿庖蛩剡M(jìn)行了對(duì)比研究。

1 大氣對(duì)紅外輻射的吸收和散射

1.1 大氣模型的建立

1.064μm激光在大氣中傳輸時(shí)主要受大氣中的氧、氮、水汽等影響。大氣層外（距地表100km外）氣象變化小，大氣極其稀薄，其大氣透過(guò)率可認(rèn)為是100%。

1.2 紅外輻射的吸收和散射

激光在大氣中傳輸時(shí)會(huì)因吸收和散射而衰減，其衰減過(guò)程與以下3種現(xiàn)象有關(guān)。

（1）大氣分子的吸收（主要是水汽、二氧化碳和臭氧的吸收）；

（2）大氣中分子、氣溶膠和微粒的散射；

（3）因氣象條件（云、霧、雨、雪）的衰減。

2 激光對(duì)空傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型

2.1 激光對(duì)空傳輸位置坐標(biāo)的建立

激光對(duì)空傳輸位置坐標(biāo)圖（如圖1所示），其中：

A點(diǎn)為激光發(fā)射點(diǎn)（位于地球表面）；

OE為經(jīng)過(guò)A點(diǎn)的法向射線；OA=OB=OC=r（地球半徑）；

BD為高空目標(biāo)的最終高度；∠DAE為發(fā)射角度。

2.2 高空目標(biāo)接收光功率的數(shù)學(xué)推算

假設(shè)激光按特定的發(fā)散角以圖2的方式對(duì)空傳輸，其投射光斑形狀為圓形且集中了80%的能量并均勻分布；100km以上的高層大氣其透過(guò)率認(rèn)為是1.0。

設(shè)A點(diǎn)激光的發(fā)射功率為，經(jīng)過(guò)地球大氣衰減后到達(dá)100km處的光斑的總功率為，則：

（1）

式中：為大氣透過(guò)率。

到達(dá)高空D（見(jiàn)圖1）處的光功率大小為：

（2）

式中：d為高空目標(biāo)的光學(xué)鏡頭（圓形）口徑；θ為其光軸同激光光斑中心法線的夾角。

取以下參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

O1A=100km；O1O2=2000km；W0=25kw；；

d=2m；θ=60°。

在MODTRAN算法中輸入關(guān)鍵參數(shù)（見(jiàn)表1）包括：大氣模式、氣溶膠模式、云/雨氣溶膠擴(kuò)展、幾何路徑、光譜波段和光譜步長(zhǎng)等。

根據(jù)在MODTRAN中計(jì)算的大氣透過(guò)率以及公式（2），在MATLAB中就可以得出1.064μm附近高空目標(biāo)接收的激光功率波動(dòng)曲線，見(jiàn)圖3所示。

3 大氣參數(shù)對(duì)激光對(duì)空傳輸?shù)挠绊?/p>

3.1 不同季節(jié)的影響

在MODTRAN中輸入的參數(shù)，除了大氣模型選取為中緯冬季外，其他參數(shù)同表1。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，冬季的值相比之下有一定的升高，誤差在0.7%左右，可見(jiàn)在冬季和夏季其值差別不大。

3.2 不同二氧化碳濃度的影響

二氧化碳作為大氣的不變成分，隨季節(jié)和地理位置的變化不大并且與氣象條件無(wú)關(guān)。

3.3 不同風(fēng)速的影響

沙塵天氣是沙漠地區(qū)常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象，在沙漠地帶風(fēng)速對(duì)沙塵氣溶膠濃度和大小有著密切的關(guān)系。一般而言，風(fēng)速越大，高空目標(biāo)接收到的激光功率越小。

3.4 云雨的影響

當(dāng)有云層時(shí)，高空目標(biāo)接收到的光功率幾乎為0?？梢?jiàn)，激光的發(fā)射最好在晴朗無(wú)云的條件下進(jìn)行，否則無(wú)法達(dá)到干擾目的。

球形降雨粒子對(duì)1.064μm激光源來(lái)說(shuō)，可看成大粒子，其衰減系數(shù)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。而且雨的散射系數(shù)隨降雨的速度以及雨滴的尺度分布的增加而增大，由此可見(jiàn)降雨量越大，大氣的衰減系數(shù)也就越大。

3.5 不同氣溶膠模式的影響

本文選取了沙漠和鄉(xiāng)村（能見(jiàn)度為23km）兩種模式作為典型的研究對(duì)象來(lái)分析不同氣溶膠模式對(duì)高空目標(biāo)接收到的激光功率的影響（見(jiàn)表2、圖4）。

分析可知，當(dāng)選取不同的激光發(fā)射環(huán)境時(shí)，由于大氣透過(guò)率的不同，所造成的光功率衰減在5.1%以上。因此，選取發(fā)射環(huán)境也對(duì)目標(biāo)干擾的成敗有著重要的影響。

3.6 不同觀測(cè)天頂角的影響

表3和圖5表示了激光功率隨天頂角變化的典型值和曲線圖（保證θ=60°）。這里，觀測(cè)天頂角等于激光發(fā)射角。

當(dāng)選取0°天頂角時(shí)，激光輻射到達(dá)目標(biāo)的距離最短，隨著天頂角的增大，激光在大氣各層傳輸?shù)木嚯x不斷增大（見(jiàn)圖6），大氣分子和氣溶膠顆粒的吸收和散射相比0°天頂角的情況對(duì)激光輻射的衰減更大，造成激光功率相應(yīng)減小，圖5也證實(shí)了這一點(diǎn)。從表3所列的典型值可以看出，0°～30°之間天頂角的變化造成的功率衰減較小。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大氣在1.064μm激光源的對(duì)空傳輸中的影響，本文進(jìn)行了理論探討，并給出了不同大氣參數(shù)下的對(duì)比效果。對(duì)于1.064μm激光輻射而言，大氣中的水汽、二氧化碳、臭氧、氮?dú)獾戎饕臍怏w分子基本上無(wú)吸收作用，所以氣體分子的吸收對(duì)1.064μm激光輻射的衰減相對(duì)散射作用可以忽略不計(jì)?？梢?jiàn)，氣體分子的散射和氣溶膠散射是1.064μm激光在大氣中傳輸發(fā)生衰減的主要原因。

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