楊慶浩，趙娜英，楊雪健，夏　勇

(1.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.中國石油 長慶油田第一采氣廠，陜西 靖邊 718500)

?

降雨對激光通信傳輸?shù)挠绊懷芯?

楊慶浩1，趙娜英1，楊雪健2，夏勇3

(1.西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.中國石油 長慶油田第一采氣廠，陜西 靖邊 718500)

從理論研究和實(shí)驗(yàn)研究2個方面總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)大氣中激光傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展，重點(diǎn)分析了降雨氣象條件下對激光傳輸過程的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬仿真法在研究激光在大氣中的傳輸時，一般采用常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型不具有普適性。雨場模擬實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備產(chǎn)生的降雨在空間分布并完全不均勻，造成了兩波段激光衰減系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與理論值的誤差。利用公式計算分析時，由于忽略了水汽吸收、雨滴散射等因素，從而使數(shù)據(jù)具有局限性。通過對理論模型仿真、模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和數(shù)值計算與公式推導(dǎo)這3種實(shí)驗(yàn)方法的對比分析，提出了進(jìn)一步改進(jìn)有關(guān)降雨時激光通信實(shí)驗(yàn)研究的思路。

激光傳輸；降雨；激光通信；雨滴譜分布；衰減

0　引　言

在低層大氣中主要有氧、氮、氦、氬和氪等比較穩(wěn)定的大氣成分，還有二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。大氣分子的擴(kuò)散、離解及各種光化學(xué)作用使高層大氣中出現(xiàn)臭氧層，有些成分會分解為原子狀態(tài)(像氧、氮等原子)，各種大氣成分含量會隨著高度不同而發(fā)生變化，還有其他懸浮顆粒如大氣中的云、霧、塵埃等固態(tài)或液態(tài)顆粒?？諝庵写嬖诘念w粒、原子和分子都會對光信號的傳輸產(chǎn)生不同程度的影響。

激光作為一種新型光源，具有普通光源無法比擬的4個特性，即單色性好、方向性好、相干性好和亮度高，其能量可以有效地進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，激光通信即是利用這一特性進(jìn)行信息傳輸?shù)哪Ｊ健０床煌膫鬏斀橘|(zhì)，激光通信可分為2種形式：大氣激光通信和光纖通信。光纖通信即以光纖為傳輸媒介，光波作為信息載體的一種通信模式。近年來發(fā)展速度極快，應(yīng)用面也極為廣泛，是世界新興技術(shù)的重大突破。大氣激光通信利用激光作為載波進(jìn)行信號傳輸，以空氣作為傳播媒介進(jìn)行圖像、數(shù)據(jù)、語音等信息的雙向信息傳輸，結(jié)合了光纖通信和微波通信2方面優(yōu)勢，具有容量大、極高的數(shù)據(jù)傳輸速率、免受電磁干擾、極高的保密性等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛運(yùn)用于軍事、醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域?，F(xiàn)代海戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)方式為艦船編隊作戰(zhàn)[3]，無線電通信是當(dāng)前采用的通信手段，其優(yōu)點(diǎn)是傳遞距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸快，但保密性差是其致命缺陷，易被敵方干擾和竊聽，甚至己方的無線電設(shè)備之間也會產(chǎn)生相互干擾。相比之下，激光通信具有以下優(yōu)勢：一是激光無線通信的傳輸媒介為紅外波段的不可見光，光束極細(xì)，所以幾乎不可能被截??；二是激光不受電磁波的干擾，激光通信設(shè)備之間也不會相互干擾。因此，采用大氣激光通信，艦船間通信的保密性可以得到極好的保障。但激光相對無線電來說，穿透能力較弱，在大氣中傳播時經(jīng)常會被氣溶膠、煙塵、分子以及降雨等吸收和散射，產(chǎn)生線性和非線性效應(yīng)[1-2]，使激光的傳輸受到不同程度的衰減，即所謂的衰減效應(yīng)。另外，大氣層中空氣密度的無規(guī)則的漩渦運(yùn)動還會對激光的傳輸產(chǎn)生影響，即湍流效應(yīng)。激光在大氣的傳輸過程中，其頻率、光強(qiáng)、相位和傳播方向等都會發(fā)生相應(yīng)改變。相對于其它幾種情況而言，降雨是最為常見的一種天氣現(xiàn)象，它對激光信號產(chǎn)生的衰減，嚴(yán)重的還會中斷無線通信的鏈路。為了使激光通信在大氣環(huán)境中更好地應(yīng)用，研究激光在降雨中的傳輸特性具有十分重要的意義。在前期研究工作中，回顧了影響激光傳輸?shù)闹饕蛩睾统Ｒ姷挠甑巫V分布，主要總結(jié)了在降雨條件下幾種不同的典型的實(shí)驗(yàn)方法，并進(jìn)行對比分析，從而提出進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究的思路。

1　激光傳輸?shù)挠绊懸蛩乩碚摶卣?/h2>

1908年，由德國物理學(xué)家G.Mie提出了關(guān)于波在介質(zhì)中傳播的理論—Mie散射理論。從20世紀(jì)40年代起，國內(nèi)外對霧、霾、云、雨等各種顆粒隨機(jī)分布的尺寸、形狀、物理參數(shù)、沉降速度等進(jìn)行了廣泛的研究，并取得一定成果。1945年，Anhur C larke提出了在自由空間中進(jìn)行光信息通信的設(shè)想[4]。因?yàn)槠骷芟?，直?0世紀(jì)70年代初，美國才開始進(jìn)行相關(guān)研究，世界上第一個光學(xué)空間通訊實(shí)驗(yàn)終端在70年代末設(shè)計完成。之后，歐洲、日本等國家也相繼展開了研究，如美國的ACTS計劃也對此進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)，從1995年起每年均召開有關(guān)的學(xué)術(shù)會議，對其研究成果進(jìn)行交流探討和總結(jié)，并取得了可觀的研究成果。

1.1霧滴特性理論

霧滴由漂浮在空氣中的大量小型水粒子組成，其半徑一般在1～60 μm之間，且隨溫度的改變而發(fā)生相應(yīng)變化。文獻(xiàn)[5]中研究結(jié)果顯示：在霧的消散過程中，其尺寸分布趨向于小粒子，粒子譜在接近消失時很寬，形成過程則相反。大多數(shù)研究者認(rèn)為，霧滴譜的冪分布函數(shù)模型只適用于霧初形成的十幾分鐘內(nèi)，對于穩(wěn)定狀態(tài)的霧滴，需用其他函數(shù)模型進(jìn)行描述。1968年，霍格(Hogg)和朱氏(Chu)[6]提出，當(dāng)霧滴處于穩(wěn)定狀態(tài)時，用修正函數(shù)Γ描述，此函數(shù)分布的優(yōu)點(diǎn)是能夠提供大部分霧滴的分布，缺點(diǎn)在于函數(shù)關(guān)系式中的一些常數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)來測定。Mallow[7]通過使用雷達(dá)確定了霧滴的尺寸分布，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的單次散射理論和得到的霧滴分布函數(shù)，研究了激光脈沖的前向衰減和后向散射特性。文獻(xiàn)[8]中也介紹了測量霧滴分布的相關(guān)技術(shù)。

1.2霾粒子特性理論

霾是一種非水成物組成的多分散氣溶膠，即懸浮在大氣中的大量鹽粒、煙?；蛭⑿m粒的集合體，其粒子尺寸在0.01～10 μm之間。1958年，Junge[9]在德國實(shí)驗(yàn)測量得出了霾粒子冪指數(shù)律譜分布函數(shù)模型。1965年，F(xiàn)riedlander和Pasceri[10]在美國巴爾的摩對大量霾進(jìn)行了取樣研究，從而發(fā)現(xiàn)粒子范圍在0.2～20 μm的變化規(guī)律。20世紀(jì)70年代，Noll和Pueschel[11]在西雅圖測量了該地區(qū)氣溶膠的尺寸分布，并計算了氣象視距及衰減系數(shù)。

1.3云滴特性理論

云層散射及其消光特性的研究相對較成熟。通常情況下，中、低云的成分大多是水滴，散射及消光特性和霧極為相似，高云的成分多為冰晶，散射和消光特性區(qū)別較大。Weickman,Diem和Warner等人分別對云滴濃度、尺寸做了詳細(xì)測量研究；1967年，Carrier等建立了主要云滴譜的尺寸分布模型，在紅外光及可見光計算了散射、消光系數(shù)。

1.4降雨特性理論

由于降雨時間和地域的不確定性，國外的研究人員基于降雨特性的研究提出了幾種雨滴譜分布。雨滴譜是指在降雨率一定的情況下，不同尺寸的雨滴在單位空間體積中的分布狀況。一般地，雨滴譜分布呈指數(shù)分布。

1)LP雨滴譜分布。Laws和Parsons研究出了LP雨滴譜分布[12]，測量了在降雨率不同的條件下，不同雨滴直徑范圍之內(nèi)，雨滴的體積占總雨滴體積的百分比。體積分布為m(D)，直徑間隔為dD，單位體積內(nèi)的雨滴譜分布如式(1)

(1)

其中R為降雨率，mm/h；V(D)是直徑為D的雨滴降落末速度，m/s.

2)Palmer和Marshall等1948年在LP雨滴譜實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了一個負(fù)指數(shù)模型[13]，即MP雨滴譜分布函數(shù)，如式(2)

N(D)=N0e-λD,

(2)

其中N0=1.6×104(m-3·mm-1)；D(mm)為雨滴的等效直徑，λ=4.1R-0.21(mm-1)，R(mm/h)為降雨強(qiáng)度。MP譜分布函數(shù)符合一般雨滴譜的特點(diǎn)，然而對于強(qiáng)度較大的降水，則誤差較大，在雨滴的小滴和大滴段尤為明顯。Marshall-Palmer雨滴譜分布模型表達(dá)形式較簡單，從而被廣泛應(yīng)用。

3)Gamma雨滴譜分布。1984年，Ulbrich等人[14]提出用Gamma分布來描述雨滴譜，Gamma譜分布是在MP分布譜中引入一個形狀因子，對各類降水量都適用，如式(3)

N(D)=N0Due-λD.

(3)

當(dāng)u=0時，為MP分布；當(dāng)u<0時，曲線向下彎曲；當(dāng)u>0時，曲線向上彎曲。該雨滴譜分布對大多數(shù)降雨都符合，但形狀因子μ的參數(shù)估計較為復(fù)雜，若估計不當(dāng)會對Gamma雨滴譜分布的擬和造成大的誤差。

4)Joss雨滴譜分布。Joss等人用雨滴譜儀對雨滴尺寸進(jìn)行測量，于1967年研制出了雨滴測量器，統(tǒng)計出暴雨和毛毛雨的雨滴譜分布JT和JD.它們的方程與MP函數(shù)分布相同，而參數(shù)略有不同。Joss分布常用于計算各種傳輸常數(shù)，特別是傳輸常數(shù)隨雨滴譜分布變化的研究中。

以4種雨滴譜分布為常用模型，還有其他形式的雨滴譜分布模型(但都不經(jīng)常使用或只能在一個非常局限的范圍內(nèi)使用)?；谟甑巫V的多樣性和區(qū)域性，很難對雨滴尺寸的分布進(jìn)行定性的描述。

2　對激光傳輸?shù)挠绊懷芯繉?shí)驗(yàn)

G.Mie基于降雨對激光傳輸特性的影響，于1908年提出了介質(zhì)中的顏料粒子對光進(jìn)行散射的理論——Mie散射理論[15]。直至1960年，Rozenberg對大氣中光散射的初期發(fā)展進(jìn)行了較詳細(xì)地總結(jié)。E.J.Mccartney于1976年針對大氣分子和霾、霧等粒子對光的散射特性進(jìn)行了研究。在1978年時，A.Ishimaru提出了波在離散隨機(jī)介質(zhì)中如何傳輸?shù)膯栴}[16]。目前常用的理論和方法均基于以上實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果，下面對這些實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行一一闡述。

2.1理論模型仿真

郭婧、張合[17]等人于幾何光學(xué)散射理論和夫瑯禾費(fèi)衍射的基礎(chǔ)上分別建立了雨滴對波段為532和1 064nm2種激光的傳輸衰減模型，并通過對這2種不同波長的激光在降雨量不同時的衰減特性分析以及實(shí)驗(yàn)室模擬不同直徑的雨滴，通過測試2種不同波長驗(yàn)證了該衰減模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，波長為532nm的綠激光透射率高于1 064nm的近紅外激光束，該結(jié)論為綠激光在降雨條件下應(yīng)用于探測系統(tǒng)提供了有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

劉西川[18]等人為進(jìn)一步確定降雨對激光在大氣中傳輸?shù)乃p影響，考慮到雨滴的非球形效應(yīng)，建立了雨滴的近似橢球模型，利用射線追蹤并計算了群雨滴在近紅外和可見光波段的散射及衰減特性，分析討論了降雨強(qiáng)度和不同雨滴譜分布對近紅外波段激光和可見光傳輸衰減的影響。模擬結(jié)果顯示，不同雨滴譜分布的群雨滴的散射能力從小到大依次為JT，Gamma，MP和JD分布；激光衰減程度與降雨強(qiáng)度及雨滴數(shù)密度有關(guān)，雨滴數(shù)密度越小，衰減越小。該結(jié)論對于準(zhǔn)確地評估降雨對激光傳輸產(chǎn)生的影響有重要價值，有助于改善激光傳輸、激光通信和測風(fēng)等方面的應(yīng)用。實(shí)際降雨中往往伴有不同程度對激光的傳輸產(chǎn)生衰減作用的氣溶膠。下一步研究應(yīng)加入這一因素，得到更精確、更符合實(shí)際的激光傳輸衰減模型。

高國強(qiáng)[19]對降雨的物理特性做了詳細(xì)描述，基于微粒散射理論和雨滴特性，仿真分析了微粒散射光強(qiáng)空間分布的規(guī)律和衰減效率因子隨微粒尺寸的變化特性，并成功推導(dǎo)出了降雨時常用的雨滴尺寸分布模型的衰減理論計算，結(jié)合實(shí)際使用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使用Matlab仿真分析了MP，Joss以及其他2個尺寸分布模型的衰減系數(shù)隨降雨率的變化情況。雖然對氣溶膠的物理特性做出了詳細(xì)的闡述，但由于缺少大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際操作比較困難。另外，在討論衰減效率因子時，未考慮到激光波長對其產(chǎn)生的影響。

2.2模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

沙炎軍[20]為了得到激光在雨中傳輸衰減的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析比較532nm綠光和1 064nm紅外光在雨中的傳輸特性，建了一個模擬雨場的棚，運(yùn)用水泵輸送水來模擬實(shí)際降雨，通過調(diào)節(jié)閥門開關(guān)選擇相應(yīng)的水管和噴頭，從而控制噴灑水滴的大小和降雨強(qiáng)度，使噴出的水滴直徑從小到大依次變化，分析不同降雨率下激光雨場傳輸?shù)挠绊?。?shí)驗(yàn)分別記錄下波長為532nm和1 064nm的激光在不同降雨率R下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合Bouguer指數(shù)衰減定律求出2種波段激光在不同降雨率下的衰減系數(shù)β1和β2.模擬雨場實(shí)驗(yàn)表明，在降雨率較小時，兩波段激光的雨場衰減差異并不明顯，隨著降雨率R增大，水對1 064nm的紅外激光吸收更為嚴(yán)重，對532nm的綠激光吸收相對較小，因而在降雨率較大時，波段在1 064nm的紅外激光的透射率小于532nm的綠激光。由于模擬雨場實(shí)驗(yàn)棚的長度方向距離較短，降雨范圍較小，從而使實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果具有局限性，但在一定程度上證明了2種波長的透射率隨降雨率的變化情況。

2.3數(shù)值計算與公式推導(dǎo)

柯熙政等人[21]基于Joss雨滴譜分布和Mie散射理論，分析了不同波長和粒子尺寸對激光散射產(chǎn)生的影響，計算了粒子尺寸和衰減效率因子的關(guān)系，推導(dǎo)出了光波在稀疏分布雨中的衰減公式。從數(shù)值計算結(jié)果可以看到，大粒子雨滴各個方向的散射光強(qiáng)明顯小于小雨粒子的散射光強(qiáng)；前向散射光強(qiáng)隨粒子半徑的增加呈增長趨勢。這就解釋了實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象：激光信號在大雨中的衰減小于在小雨中的衰減。這個現(xiàn)象與人們通常所認(rèn)為的大相徑庭，但由于僅考慮了粒子的尺寸分布這一因素，未加入對雨滴的散射的研究，因此數(shù)據(jù)具有局限性。

朱耀麟等[22]在Weibull雨滴尺寸分布模型和Mie理論的基礎(chǔ)上，分析了不同尺度的粒子對衰減效率因子的影響和對激光的散射作用，推導(dǎo)出了單球粒子對光波的衰減公式，同時也進(jìn)行了部分仿真。數(shù)值計算結(jié)果顯示，小粒子的前向散射光強(qiáng)比大粒子更大更集中，在雨中傳輸時，衰減系數(shù)在小雨中較大，中、大雨中時較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際比較相一致，為激光通信的應(yīng)用提供了有效的理論依據(jù)，但在多種天氣情況下[23]，激光的傳輸特性還需要更進(jìn)一步的研究。

王旭等[24]將?？谑羞B續(xù)10年的降雨統(tǒng)計資料進(jìn)行整理分析，研究了該地區(qū)降雨對無線激光通信設(shè)備的影響。分析了海口市降雨對光鏈路傳輸產(chǎn)生的影響，對光鏈路功率余量、最大通信距離及誤碼率進(jìn)行了計算和研究。結(jié)果表明，降雨嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)的通信距離和時長。該結(jié)果為海南市以及類似氣候條件的地區(qū)提供了建立大氣激光通信系統(tǒng)的理論依據(jù)。無線激光通信在充分體現(xiàn)其優(yōu)越性的同時也有很大的局限性，大氣對它的影響也是一個重要的原因。在僅考慮降雨條件時，若要保證全天候通信，則至少需70mW的發(fā)射功率。

3　結(jié)　論

采用模擬仿真方法研究激光在大氣中的傳輸時，一般采用常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不具有普適性，對一些特殊的模型，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充修正，使其適用該地區(qū)雨滴譜分布。另外，在研究激光受氣溶膠影響的單一效應(yīng)影響，容易忽略粒子尺寸等其他影響因素，存在些許誤差，下一步應(yīng)開始研究多效應(yīng)相互耦合及多種效應(yīng)共存情況下，大氣與激光相互作用的機(jī)理。

在532nm綠激光和1 064nm紅外激光模擬雨場衰減系數(shù)β1和β2實(shí)驗(yàn)值均與理論值β存在一定的誤差，原因主要是實(shí)際降雨的雨滴尺寸分布與實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的降雨的雨滴尺寸分布存在較大差異，在降雨衰減理論分析中選用的是MP負(fù)指數(shù)模型來計算的，能較好地描述實(shí)際雨滴尺寸分布，另一個原因是實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)致的降雨在空間分布上存在較大的不均勻性，因而造成了兩波段激光雨場衰減系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與理論值的誤差。

在分析降雨對激光的傳輸影響時，不僅應(yīng)該考慮雨滴的吸收和散射，還應(yīng)考慮降雨產(chǎn)生的水汽作用，水汽對其相應(yīng)吸收波段上的激光的吸收作用會加劇降雨對激光傳輸?shù)乃p。由于水汽分子對各不同波段的吸收程度不同，從而使激光在雨中傳播時衰減隨波長的變化更為復(fù)雜，呈振蕩情況。對于在大氣窗口區(qū)的激光(如3～5μm，8～12μm，可見光波段)的激光，水汽吸收作用較微弱，所以在大氣窗口區(qū)，衰減隨波長的變化較小。

激光通信在實(shí)際生活中的應(yīng)用非常廣泛，就目前中國通信領(lǐng)域來說，發(fā)展最快也最活躍的當(dāng)屬移動通信，移動業(yè)務(wù)使用量的不斷增加，對無線網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量要求也越來越高，激光通信系統(tǒng)具備的自身優(yōu)勢，可提供對該問題的解決方案。大氣激光傳輸還可應(yīng)用于閉路電視系統(tǒng)中，它可直接傳輸聲音及圖像，而且不需要架設(shè)電纜，攝像系統(tǒng)可在以前無法實(shí)現(xiàn)的位置安裝，相比傳統(tǒng)方式具有極大優(yōu)越性，不僅節(jié)約成本，而且相對加快了工程進(jìn)度。

21世紀(jì)是科技迅速發(fā)展的時代，光電技術(shù)突飛猛進(jìn)，光纖通信由于自身存在局限性，在實(shí)際中的應(yīng)用顯得越來越不足，大氣中的激光傳輸技術(shù)必將有很大的發(fā)展前景和提升。在了解和掌握了激光傳輸規(guī)律的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究更大限度地減小降雨對激光傳輸?shù)挠绊懀@些研究不但具有重要的學(xué)術(shù)參考價值，而且在商業(yè)通信、軍事及氣象等方面都有重要的應(yīng)用前景。激光通信技術(shù)避免了影響建筑、交通等不足，且安全性能相對較高，對環(huán)境沒有危害，所以隨著技術(shù)的不斷完善，激光通信技術(shù)將會取代光纖通信技術(shù)，在通信領(lǐng)域帶來一場技術(shù)上的變革。

References

[1]任小紅.激光在近地大氣中水平傳輸特性研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

RENXiao-hong.Researchoncharacteristicoflaserpropagationnearearthinatmosphere[D].Xi’an：XidianUniversity，2007.

[2]饒瑞中.現(xiàn)代大氣光學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

RAORui-zhong.Modernatmosphericoptics[M].Beijing：SciencePress，2012.

[3]鄭連澤，李國柱.激光通信技術(shù)的軍事應(yīng)用與發(fā)展分析[J].艦船電子工程，2013，33(6)： 16-19.

ZHENGLian-ze，LIGuo-zhu.Militaryapplicationanddevelopmentanalysisofthelasercommunicationtechnology[J].ShipElectronicEngineering，2013，33(6)： 16-19.

[4]FletcherGD，HicksTR，LaurentB.TheSILEXopticalinterorbitlinkexperiment[J].Electronics&CommunicationEngineeringJournal，1991，36： 273-279.

[5]FerrarR，F(xiàn)ioccoG，TonnaG.Evolutionofthefogdropsizedistributionobservedbylaserscattering[J].AppliedOptics，1970，9(11)： 2 517-2 520.

[6]孫兆偉，吳國強(qiáng)，孔憲仁，等.國內(nèi)外空間光通信技術(shù)發(fā)展及趨勢研究[J].光通信技術(shù)，2005，29(9)： 61-64.

SUNZhao-wei，WUGuo-qiang，KONGXian-ren，etal.Researchonthedevelopmentandtrendofspaceopticalcommunicationtechnologyathomeandabroad[J].OpticalCommunicationTechnology，2005，29(9)： 61-64.

[7]MallowJV.Fogdropletdistributionfunctionsforlidar[J].AppliedOptics，1982，21(8)：1 454-1 456.

[8]AdarshDeepak，VaughanOH.Extinctionsedimentationinversiontechniqueformeasuringsizedistributionofartficialfogs[J].AppliedOptics，1978，17(3)： 374-378.

[9]JungeCE.Stratophericaerosolstudies[J].J.Geophys.Res.，1961，66(7)： 2 163-2 182.

[10]FriedlanderSK，PasceriRE.MeasurementsoftheParticleSizeDistributionoftheAtmasphericAerodol:I.IntroductionandExperimentalMethods[J].J.Atmos.Sci.1965，22： 571-577.

[11]PueschelRF，NollKE.Visibilityandaerosolsizefrequencydistribution[J].JApplMeteor，1976，6(6)：1 045-1 052.

[12]LawsJO，ParsonsDA.Therelationofraindropsizetointensity[J].Trans.Am.Geophys，Union.,1943，24(2)：452-460.

[13]MarshallJS，PalmerWM.Thedistributionofraindropswithsize[J].J.Meter，1948，5(4)：165-166.

[14]UlbrichCW.Naturalvariationsintheanalyticalformoftheraindrepsizedistribution[J].UimateAppl.Mereor,1983,22(10):1 764-1 775.

[15]MieG.Beitragezuropitictrubermedien[J].AnnalenDerphysik，1908，330(3)： 377-445.

[16]Ishimaru.Wavepropagationandscatteringinrandommedia[M].NewYork:AcadeimcPress,1978.

[17]郭婧，張合，王曉峰.降雨對532nm和1 064nm激光傳輸?shù)乃p特性研究[J].光學(xué)學(xué)報，2011，31(1)： 24-30.

GUOJing，ZHANGHe，WANGXiao-feng.Attenuationandtransmissionoflaserradiationat532nmand1 064nmthroughrain[J].ActaOpticaSinica，2011，31(1)： 24-30.

[18]劉西川，高太長，劉磊.基于非球形雨滴的降雨對激光傳輸衰減的影響[J].紅外與激光工程，2013，42(1)： 167-173.

LIUXi-chuan，GAOTai-chang，LIULei.Effectofrainfallonlasertransmissionattenuationbasedonnon-sphericalraindrops[J].InfraredandLaserEngineering，2013，42(1)： 167-173.

[19]高國強(qiáng).雨霧天環(huán)境中對激光傳輸衰減的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

GAOGuo-qiang.Studyoflaserpropagationandattenuationthroughtherainandfogenvironment[D].Xi’an：Xi’anUniversityofScienceandTechnology，2014.

[20]沙炎軍.雨滴特性及對激光信號傳輸?shù)挠绊慬D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

SHAYan-jun.Thecharacteristicsandinfluenceoflasersignaltransmission[D].Nanjing：NanjingUniversityofScienceandTechnology，2010.

[21]柯熙政，楊利紅，馬冬冬.激光信號在雨中的傳輸衰減[J].紅外與激光工程，2008，37(6)：1 021-1 024.

KEXi-zheng，YANGLi-hong，MADong-dong.Transmittedattenuationoflasersignalinrain[J].InfraredandLaserEngineering，2008，37(6)：1 021-1 024.

[22]朱耀麟，安然，柯熙政.降雨對無線激光通信的影響[J].光學(xué)學(xué)報，2012，32(12)： 72-76.

ZHUYao-lin，ANRan，KEXi-zheng.Effectofrainfallonwirelesslasercommunication[J].ActaOpticaSinica，2012，32(12)： 72-76.

[23]LIUMin，WANGHong-xing，WANGQian，etal.Arevisionmodelofthecalculationofatmosphericattenuationinwaterfogsweather[J].ChineseJournalofLasers，2011，38(10)： 1 005 002-282.

[24]王旭，袁素芳，聶奎營，等.降雨對海南地區(qū)無線激光通信系統(tǒng)的影響[J].光通信技術(shù)，2009，33(9)： 34-36.

WANGXu，YUANSu-fang，NIEKui-ying，etal.InfluenceofrainfallonwirelessopticalcommunicationsysteminHainanregion[J].OpticalCommunicationTechnology，2009，33(9)： 34-36.

Effect of rainfall on laser communication transmission

YANG Qing-hao1，ZHAO Na-ying1，YANG Xue-jian2，XIA Yong3

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.CollegeofSafetyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；3.No.1GasExtractionPlant,ChangqingOilFieldofPetroChina，Jingbian718500,China)

This paper summarizes the research progress in atmospheric laser transmission at home and abroad from two aspects of theoretical research and experimental research，analyzes the influence rainfall weather conditions on laser propagation.The results show that the simulation method in the study of laser propagation in the atmosphere，generally adopts the commonly used empirical model which is not universal.During the rain field simulation experiment，the spatial distribution of rainfall from the equipment is not uniform，resulting in error for the two band laser attenuation coefficient experimental and theoretical value.Using the formula for calculation and analysis，due to the neglect of the water vapor absorption and raindrops scattering factors，so that the data has limitations.Based on theoretical model simulation，simulation experimental environment and numerical calculation and formula,we have derived the contrast analysis of the three kinds of experimental methods，and proposed ideas for the further improvement of rainfall experimental study of laser communication.

laser transmission；rainfall；laser communication；rain distribution；attenuation

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0513

1672-9315(2016)05-0685-06

2016-03-13責(zé)任編輯：李克永

國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(21204072);國家重大專項(xiàng)子課題(2011ZX06004009);陜西省教育廳科研計劃項(xiàng)目(2010JK691)

楊慶浩(1977-)，男，江蘇贛榆人，副教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：yangxjtu@hotmail.com

TN 92；TN 24

A