光在霧霾天氣中的傳輸特性

王鎮(zhèn)東

摘 要：雨雪霧霾等各種極端惡劣天氣是制約無線激光通信發(fā)展的重要因素，近幾年來霧霾天氣多發(fā)，其對(duì)激光大氣傳輸有很大的影響。本文主要研究了在內(nèi)陸地區(qū)霧霾對(duì)0.53μm激光信號(hào)衰減的影響.首先根據(jù)Mie理論精確計(jì)算出霾對(duì)激光信號(hào)的衰減系數(shù)，然后與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較。并對(duì)其進(jìn)行MATLAB仿真，通過分析比較得出激光在霧霾天氣中傳輸衰減系數(shù)和霧霾天氣能見度的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：激光;霧霾;Mie理論;Matlab仿真

1引言

如今激光技術(shù)發(fā)展迅速，其在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)激光通過大氣傳輸時(shí)，由于大氣中存在著各種微粒，如煙霧、灰塵等，以及刮風(fēng)、降雨等特殊氣象變化，使一部分光的能量被吸收轉(zhuǎn)變成其它形式的能量（比如熱能）;另一部分能量則被散射偏離原來的傳輸方向?？偠灾獾膫鬏斣谖蘸蜕⑸涠叩墓餐飨率艿剿p作用，這就是大氣衰減。而在大氣衰減中氣溶膠——霾的影響尤為重要。

近幾年來霧霾天氣多發(fā)。在2013年期間，“霧霾”一詞一度成為家喻戶曉的關(guān)鍵詞。在這一年的1月，全國發(fā)生了數(shù)次大面積霧霾過程，籠罩了全國30個(gè)多省。在北京，僅僅有5天不是霧霾天氣。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)報(bào)告顯示稱，在2011年間中國最大的500個(gè)城市中，只有不到百分之一的大城市達(dá)到了2011年世界衛(wèi)生組織所推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。（世界衛(wèi)生組織設(shè)定的PM2.5的年和日平均濃度限值分別為35μg/m3和75μg/m3。）并且，在全世界公認(rèn)的污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市中，有7個(gè)便是在中國。如今，霧霾天氣已經(jīng)深入滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€(gè)角落之中，因此有必要展開霧霾對(duì)人類的生活的影響的研究。

2 霧霾概述

2.1霧霾的含義

霧霾，顧名思義指的是霧和霾。但是霧和霾的區(qū)別是很大的。空氣中的灰塵、硝酸、硫酸等顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)所造成視覺上的障礙的叫霾。霾的產(chǎn)生方式多種多樣，空氣中的灰塵、硫酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏任⑿×Ｗ佣寄苁勾髿庾兓鞚?。隨著城市人口的密集程度增長和石化工業(yè)的大量發(fā)展，汽車等機(jī)動(dòng)車輛猛增，二氧化硫、二氧化碳等污染物排放和固體顆粒污染物大量地增加，導(dǎo)致了霧霾的產(chǎn)成。此外大氣中懸浮粒子的來源也還有很多，如火山的爆發(fā)，一些植物的分泌物，海水表面裂化等等，甚至還有從宇宙中來的天外來客——宇宙塵埃。當(dāng)它們對(duì)大氣能見度造成一定影響時(shí)都可以稱它們?yōu)轹病?/p>

而霧是由懸浮于大氣之中的大量小水滴或微小冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)。大多出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，大氣中水蒸氣凝華或凝結(jié)的產(chǎn)物。霧的存在會(huì)降低大氣透明度，使能見度惡化，當(dāng)目標(biāo)物的水平能見度降低到1000m以內(nèi)，就將懸浮于近地面空氣中的水蒸汽凝華或凝結(jié)的天氣現(xiàn)象稱之為霧。

霧霾天氣是一種大氣的污染狀態(tài)，日常所說的霧霾是對(duì)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的一種概括的表述。其中PM2.5（指的是大氣中直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，也稱可入肺顆粒物）被認(rèn)作是造成霧霾天氣的重要原因之一。如今隨著工業(yè)化發(fā)展，空氣質(zhì)量逐步惡化，霧霾天氣現(xiàn)象出現(xiàn)頻率越來越高，導(dǎo)致的危害也越來越嚴(yán)重。目前，中國有不少地區(qū)已經(jīng)把霧霾天氣并入霧一起作為災(zāi)害性天氣。

2.2組成成分

霾的成分主要是空氣中的塵埃、硝酸、硫酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏任⒘?。它們能使大氣渾濁，視野模糊并且?dǎo)致能見度的降低，如果水平能見度小于10000m，我們就將這種非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)所引起的視覺上的障礙稱為霾。

2.3霾粒子的特性

霾中氮氧化物、二氧化硫和微小顆粒物這三項(xiàng)與空氣中的水蒸氣結(jié)合在一起，讓天空變得陰沉灰暗。

霾粒子的分布較為均勻，并且霾粒子的尺度通常較小，平均直徑大概在1-2μm左右，憑借肉眼我們是看不到這種空中懸浮的微小顆粒物的。由于來源廣泛，霾的粒徑分布也很寬。一般在0.001μm到10μm，其中直徑小于0.2μm的微粒又稱為愛根核。當(dāng)粒徑大于0.2μm時(shí)，通常運(yùn)用冪次方分布來描述微粒粒徑的分布。

3 光在氣溶膠——霾中的衰減

3.1.比爾朗伯定律

在上述預(yù)測公式中僅僅反映了大氣衰減隨大氣能見度和光波波長變化的關(guān)系，沒有反映大氣中的微小粒子尺度分布、大氣環(huán)境、粒子的成分的變化從而引起折射率的變化等等因素。而這些參數(shù)的精確測量則會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的精度?；贛ie 散射理論計(jì)算時(shí)則考慮了這些因素的影響。

5仿真分析

本文采用MATLAB仿真模擬光在霧霾天氣中的傳播衰減，MATLAB是一款甚為流行的科學(xué)計(jì)算軟件，有數(shù)字化的演算草稿紙的美稱，其特點(diǎn)是語言簡單，函數(shù)庫豐富，圖形化功能強(qiáng)，不需要更多的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，就可以輕松上手的一款簡單，便捷的實(shí)用軟件。[7]

下面對(duì)陸地上空大氣中霾引起的波長為0.53μm激光的衰減進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于霾引起的激光衰減的計(jì)算，首先應(yīng)當(dāng)從預(yù)測大氣衰減經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸剑?5）入手;然后再考慮大氣的環(huán)境和位于大氣之中微小霾粒子的分布函數(shù)。根據(jù)Mie理論（4）式和微小霾粒子的分布函數(shù)（10）式分別計(jì)算，得到波長0.53μm的激光在霧霾天氣中衰減系數(shù)隨能見度的關(guān)系。如下圖所示。

霧霾天氣下0.53μm激光的衰減系數(shù)隨Vb的關(guān)系

從圖中結(jié)果可以得出，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的結(jié)果和運(yùn)用Mie理論計(jì)算得出的結(jié)果大致相同。當(dāng)能見度大于15km時(shí)，能見度的增減對(duì)衰減系數(shù)的影響很小：當(dāng)小于5km時(shí)，能見度的增減對(duì)衰減系數(shù)影響較大。基本呈現(xiàn)反比例關(guān)系。證明了計(jì)算方法的合理性。但運(yùn)用Mie理論計(jì)算出的結(jié)果略大于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的結(jié)果。

6誤差分析與改進(jìn)

一個(gè)物理模型的建立必然有它的局限性?？茖W(xué)計(jì)算中誤差也是不可避免的，但對(duì)于多數(shù)情況而言，一定的范圍內(nèi)的誤差是允許的。該模型依舊有其實(shí)用性。

6.1本模型誤差來源

（1）本模型在構(gòu)建的過程中，各項(xiàng)參數(shù)均存在一定的誤差。[8]

（2）對(duì)于單散射近似，盡管做了獨(dú)立散射的假設(shè)，但各散射光之間的干涉效應(yīng)仍然是可能的，只是他們之間沒有系統(tǒng)的相位關(guān)系。從平均意義上講，可以不必計(jì)較其相位，而將它們的散射強(qiáng)度直接相加。然而從嚴(yán)格的意義上講，這是不確切的。

（3）光波在傳播過程中受到粒子的散射作用，其散射光又會(huì)遇到其他粒子，產(chǎn)生第二次散射光，這個(gè)過程還會(huì)重復(fù)多次，產(chǎn)生更高階的散射光。雖然各次散射光越來越弱，但它們都會(huì)對(duì)觀察點(diǎn)光強(qiáng)做出貢獻(xiàn)。如果忽略，則會(huì)引起一定誤差。

6.2本模型的改進(jìn)

（1）實(shí)地測量本模型所用參數(shù)，以修正本實(shí)驗(yàn)觀測誤差。

（2）對(duì)于各散射光的干涉效應(yīng)，可以用隨機(jī)過程理論來描述它們的影響。[11]

（3）對(duì)于二次散射的問題，可以考慮多次散射理論。即在觀察點(diǎn)之前的粒子，其散射能量除了前向散射直接加入的照射光束外，向其他地方輻射的散射能量有一部分通過后來多次散射重新到達(dá)觀察點(diǎn)。

7結(jié)束語

通過以上的研究和介紹，初步了解激光在氣溶膠——霾中傳播的衰減問題，從而為以后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)激光大氣傳輸問題做出一定貢獻(xiàn)。如今激光技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是近地面激光通信逐漸成為熱點(diǎn)，但從光傳播的角度看，大氣是極不穩(wěn)定的，它的溫度，壓力，密度，水汽含量等都在不停地變化和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中各種風(fēng)霜雨雪霧霾等極端天氣，是制約大氣通信的一個(gè)重要因素。如果了解這項(xiàng)機(jī)理，我們就可以靈活的把光通信用于更廣泛的領(lǐng)域（比如激光雷達(dá)的設(shè)備應(yīng)用就與激光大氣傳輸有重要的聯(lián)系）。此外，在工業(yè)信息科學(xué)和軍事上也都有重要意義。我們期待著無線光通信技術(shù)在更多領(lǐng)域給我們帶來更多的驚喜！

參考文獻(xiàn)：

[1]吳健，楊春平，劉建斌.大氣中的光傳輸理論[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005，32-35.

[2]李娣，陳輝.激光大氣傳輸?shù)挠觎F衰減特性研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，（19）9;3-5.

[3]楊瑞科，馬春林，韓香娥，蘇振玲，鑒佃軍.激光在大氣中的傳輸特性研究[J].紅外與激光工程，2007，（36）3;416-418.