降雨對(duì)近海面1.55μm激光傳播衰減特性研究①

萬梓傲 陳苗 肖云 費(fèi)禮

摘 ? 要：自由空間光通信已經(jīng)成為一種可應(yīng)用于海洋島嶼之間的可行的、高寬帶的無線通信方式。由于海洋上空天氣復(fù)雜，因此激光在近海面大氣中的光功率衰減是難以預(yù)測(cè)的。本文針對(duì)海洋上空的降雨氣溶膠進(jìn)行理論建模，分析了1.55μm激光在不同降雨率條件下的衰減特性，將仿真結(jié)果與國際主流商業(yè)軟件Modtran進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果誤差小于3%，驗(yàn)證了建模的準(zhǔn)確性，為自由空間光通信發(fā)射端功率自適應(yīng)調(diào)整奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光通信 ?氣溶膠 ?Modtran

中圖分類號(hào)：TN929.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0119-02

激光信號(hào)在近海面大氣信道中傳輸時(shí)，會(huì)受到海洋表面各種氣溶膠的散射和吸收作用造成能量衰減。目前，由于激光技術(shù)的成熟，近海面自由空間光通信成為解決海洋島嶼之間無法有效通信的一種可行技術(shù)。本文針對(duì)近海面上空的降雨氣溶膠進(jìn)行分析，研究了其對(duì)1.55μm激光的衰減特性。

1 ?降雨對(duì)激光衰減建模

一般認(rèn)為，雨滴的直徑在300μm～6mm之間變化[1]，其對(duì)激光的復(fù)折射率等于霧滴氣溶膠。通過計(jì)算，1.55μm激光在雨中傳播的尺度參數(shù)在200以上，適用于幾何散射情況。Marshall和Paliner根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)提出了一種和實(shí)際雨滴尺寸分布相符較好的粒子譜分布，其表達(dá)式為[2]：

（1）

其中，R為降雨率（mm/h），，D為雨滴等效直徑（mm）。

圖1為效率因子隨雨氣溶膠尺度參數(shù)變化曲線。隨著尺度參數(shù)的增加，雨氣溶膠對(duì)1.55μm激光的衰減效率因子基本趨于2，散射效率因子近似線性減小，并趨于1.7，吸收效率因子近似線性增大并趨于0.3，不對(duì)稱因子趨于0.9，后向散射系數(shù)效率因子和后向散射效率比重/在極大值和極小值之間來回振蕩，但振蕩幅度逐漸減弱。

基于MP尺度分布下的不同降雨率對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)如圖2（a）所示。隨著降雨率的增加，衰減系數(shù)迅速增加。降雨率為10mm/h的小雨環(huán)境時(shí)，衰減系數(shù)為1.556km-1;降雨率為50mm/h的中雨環(huán)境時(shí)，衰減系數(shù)增加為4.288km-1;降雨率為100mm/h的暴雨環(huán)境時(shí)，衰減系數(shù)達(dá)到6.636km-1。圖2（b）為不同降雨率條件下，透過率T隨傳播距離的變化曲線。降雨率一定時(shí)，隨著傳輸距離增加，大氣透過率迅速減小，當(dāng)傳輸距離為1km時(shí)，降雨率10mm/h、50mm/h和100mm/h對(duì)應(yīng)的透過率分別為21.1%、1.30%和0.021%。

選取Modtran進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[3]，大氣模型選為1976年美國大氣標(biāo)準(zhǔn)模型，氣溶膠類型選擇氣體自由云，分別選取毛毛雨（2mm/h）、中雨（12.5mm/h）、大雨（25.0mm/h）和暴雨（75.0mm/h）氣象條件，最大傳輸距離選為1km，并每隔100m進(jìn)行取值，結(jié)果和本文計(jì)算方法進(jìn)行比對(duì)如圖3所示。結(jié)果顯示，采用幾何散射計(jì)算的結(jié)果和Modtran結(jié)果基本一致，小于3%，驗(yàn)證了方法的可靠性。

2 ?結(jié)語

幾何散射是分析大尺度氣溶膠例如降雨的理論方法。本文構(gòu)建了近海面雨的衰減模型，得出的主要結(jié)論為在雨氣溶膠尺度范圍內(nèi)，衰減因子基本等于2。通過對(duì)比，采用MP粒子譜分布計(jì)算的降雨衰減模型和Modtran基本一樣。

參考文獻(xiàn)

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