楊雪等

摘 要：激光在霧中傳輸會(huì)造成能量衰減，這是激光被霧滴粒子散射、吸收的結(jié)果；這樣一來(lái)，激光探測(cè)系統(tǒng)工作在霧天氣時(shí)，其準(zhǔn)確性將受到影響。在Mie散射理論基礎(chǔ)上，以gamma分布作為霧滴譜，建立532nm激光在霧中的傳輸衰減模型，理論推導(dǎo)計(jì)算不同能見度的霧條件下激光透過(guò)率隨傳輸距離的變化。

關(guān)鍵詞：激光 霧滴粒子 Mie散射理論 衰減模型

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0061-01

激光在大氣中傳輸時(shí)，能量會(huì)不斷的衰減，不同濃度的霧天造成激光衰減的程度不同。當(dāng)霧濃度較小時(shí)，激光在霧中的多重散射可以忽略，近似看做單次散射。由于能見度較低的濃霧對(duì)可見光的吸收散射作用強(qiáng)烈，在短距離內(nèi)使得可見光的透過(guò)率迅速降至零，故該文只討論人肉眼察覺(jué)不明顯的輕霧天氣對(duì)532nm可見光的衰減作用，為輕霧天氣下，可見光在激光探測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 霧的尺度分布及經(jīng)驗(yàn)公式

霧滴的尺度分布大多數(shù)采用的是Gamma分布。

（2.1）

該式體現(xiàn)了半徑為r的霧滴在單位范圍內(nèi)的數(shù)目。

（2.2）

（2.3）

上式中W為霧含水量，單位g/m3；V是能見度，單位km。

2 激光在霧中的散射理論

在Mie散射理論中，為方便計(jì)算，引入無(wú)量綱尺度參數(shù)k=2r/，這里為光波波長(zhǎng)，單位，r為粒子半徑，單位。在計(jì)算微粒衰減時(shí)，Mie散射理論公式主要是對(duì)吸收效率因子、散射效率因子和衰減效率因子三個(gè)參數(shù)的計(jì)算。三者關(guān)系如下：

（3.1）

相應(yīng)截面與效率因子關(guān)系為：

（3.2）

（3.3）

（3.4）

3 激光在霧中傳輸時(shí)的散射衰減計(jì)算

根據(jù)朗伯-比爾指數(shù)衰減定律，激光通過(guò)介質(zhì)前后的光功率關(guān)系如下：

（4.1）

式中，T為透過(guò)率，為探測(cè)器接收功率，為激光器發(fā)射功率，L為傳輸距離，是衰減系數(shù)，量綱為，表示每單位路徑長(zhǎng)度的數(shù)。

分別取能見度為V=700m、V=300m、V=100m、V=20m為四種不同典型霧條件，對(duì)透過(guò)率在一定傳輸距離上進(jìn)行計(jì)算，得到不同能見度的霧條件下透過(guò)率T隨距離的變化，如圖1。

圖1為532nm激光光束在1km的傳輸距離內(nèi)，不同能見度的霧條件下透過(guò)率的數(shù)值曲線。從圖中可以看出，激光透過(guò)率與霧的能見度成正比關(guān)系，與傳輸距離均成反比關(guān)系。能見度的降低導(dǎo)致激光的散射衰減增大，使同等傳輸距離下激光透過(guò)率降低。在一定透過(guò)率要求下，激光探測(cè)系統(tǒng)在不同能見度的霧中的適用探測(cè)距離不同。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以Mie散射光學(xué)理論為基礎(chǔ)，Gamma分布為霧滴譜模型，不同傳輸距離下的透過(guò)率為研究對(duì)象，建立532nm激光波束在霧中的傳輸衰減模型，分析計(jì)算激光在不同能見度的霧條件下的衰減特性。研究表明，532nm激光在霧中傳輸時(shí)，散射系數(shù)與總的衰減系數(shù)近似相等；在同一傳輸距離下，激光透過(guò)率隨能見度的增大而增大；相同能見度條件下，激光透過(guò)率隨傳輸距離的增大而減小?？梢杂晒酵茖?dǎo)得到一定透過(guò)率要求下，激光探測(cè)系統(tǒng)在不同能見度的霧中的適用探測(cè)距離，對(duì)實(shí)際試驗(yàn)中，發(fā)射系統(tǒng)功率與接收系統(tǒng)精度要求有重要參考意義，利于激光探測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的選取。對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)在霧天氣條件下的應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Roberto Nebuloni.Empirical relationships between extinction coefficient andvisibility in fog[J].Applied Optics，2005，44（18）：3795-3803.

[2] Urachada Ketprom，Sermsak Jaruwatanadilok，Yasuo Kuga，etal.Channel modeling for optical wireless communication throughdense fog[J].Jou rnal Of Optical Networki，2005，4（6）：291-299.

[3] Marius Aharonovich，Shlomi Arnon. Performance improvement of optical wireless communication through fog with a decision feedback equalizer[J].Jaurnal of the Optical Society of America A，2005，22（8）.