大气传输对激光后向散射式能见度测试的影响及理论研究

激光在大气传输时,大气中的气体分子、气溶胶粒子、雾、雨等对激光的吸收和散射将导致激光回波能量衰减,这是影响激光后向散射式能见度测量的主要因素。通过对大气散射、大气湍流、大气吸收和气象条件与激光后向散射的关系进行理论分析,对后向散射式能见度测量的可行性进行了理论分析和论证,并提出了利用激光后向散射进行大气能见度测试的数学模型,为进一步研究和提高激光后向散射式能见度测距仪的性能提供了理论依据。     

近距离雾的激光多次散射模拟

为了满足精确快速获取雾的多次散射仿真需求,在近程雷达距离较近情况下,将雷达方程和Mie散射理论相结合,提出一种快速有效的激光多次散射计算方法.首先通过雾滴谱模型建立雾颗粒的几何模型,然后根据Mie散射理论获得的单个粒子的散射函数计算激光在雾模型中单个颗粒的一次散射和二次散射功率密度,结合雷达方程推导出雾的多次等效散射截面和散射系数计算函数.模拟计算表明:雾的激光二次等效散射截面与雾浓度的2/3次方成正比,二次散射系数随能见度增加的衰减比一次散射系数快.     

红外辐射在水雾中衰减计算的修正方法研究

水雾系统对红外光谱有着强烈的衰减作用,因此在军事目标的各种制导对抗中被予以高度的关注。以Mie散射理论为基础,分析了粒子对红外光谱前向散射的聚集特性,定义了近前向散射比,并确定了在应用朗伯比尔定律时需修正的粒子尺度和散射半角的范围。通过大量计算发现,单独将粒子尺度和散射半角的乘积作为独立变量计算的视消光系数不够精确。在中远红外波段,前向散射附近的小角度内散射强度积分与粒子尺度和散射角都成正比,若红外波长为定值,则与粒子半径成正比。最后根据前向散射规律给出了两个不单独以x.θ为变量的经验计算公式,使得对水雾消光的修正计算更加简便精确。     

基于数值方法的激光海面漫反射通信能量分布特性

 针对激光点对点通信方式的不足,提出了利用海面作为激光漫反射媒介进行组网通信的设想,采用前后向迭代的数值方法结合Green函数谱积分加速算法(FBM/SAA)对激光海面漫反射通信的能量分布特性进行了研究。通过对激光光束入射海面后产生的散射场的分析、计算及实验验证,得出了较为准确的2维激光海面双站散射系数,并对激光光束入射海面后的散射场进行了分析。研究结果表明：入射激光束经过粗糙海面散射后,能量大部分集中在前向散射区域上,而后向散射强度很弱,且在散射场的边缘处能量迅速衰减,说明了激光海面漫反射组网通信方法的可行性。通过与前后向迭代法和Kirchhoff近似方法的计算结果的比较,说明了FBM/SAA是一种高效、准确的计算方法。     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

激光水下扫描成像系统的图像修正机理

同步扫描系统可以克服后向散射，但同时也产生了两种非线性，一是扫描线速度的非线性，一是由于距离对光能衰减造成的非线性，两种非线性都需要修正，本文从原理上讨论水下激光成像时能量衰减的修正原理与修正方法，并给出仿真结果。     

Compton散射下超强激光等离子体通道的演化

应用多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法,研究了Compton散射对超强飞秒激光等离子体中通道的影响,提出了将Compton散射光作为形成等离子体通道的新机制,给出了超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播和电子密度随时间变化的非线性修正方程,并进行了数值模拟.研究发现:散射使等离子体中电子密度峰值增大1个量级,半径增大1 mm.激光最大功率密度被限制在10~(18)W/m~2以下,随传输距离增大缓慢衰减.传输初始阶段,单脉冲衰减能量较散射前增大2%,之后衰减较平缓.通过增加超强飞秒激光脉冲输入功率,能有效地增加电子密度峰值,有利于等离子体通道的形成.并对所的结论给出了初步物理解释.     

高能激光计后向散射能量损失补偿方法研究

针对锥形腔高能激光计后向散射能量损失补偿问题,系统分析了均匀分布激光入射强漫反射面情况下的锥形吸收腔的后向散射问题,进而针对不同高能量激光的输出光斑形状,建立了锥形吸收腔开口处光功率密度分布和后向散射总功率的数学模型,在此基础上对测量结果进行了补偿和修正,有效改善了高能量激光能量测量准确度.     

基于Monte Carlo方法的雾红外传输仿真及分析

为了研究多次散射效果下红外辐射在雾中的传输衰减特性,基于Mie散射理论,计算了1.064μm、3.8μm和10.6μm激光在平流雾和辐射雾中的消光参量和多粒子散射相位函数.利用Monte Carlo法建立了辐射传输模型,分析了多次散射效应下接收屏、能见度和传输距离对透过率的影响,并与Lambert-Beer定律计算结果进行了比较.结果表明:当能见度和传输距离均为1km时,1.064μm激光在平流雾中的接收屏粒子数随接收屏边长的增加而显著增加;相同的能见度和传输距离下,激光在辐射雾中的衰减小于在平流雾中的衰减;10.6μm激光在平流雾中具有很好的传输性;当粒子散射能力越强、前向散射概率越大时,多次散射对透过率的贡献越明显;激光在雾中的传输衰减特性不仅与消光系数有关,还与散射系数密切相关;能见度和传输距离存在最佳组合,使得此传输条件下多次散射对透过率的贡献最大.     

Compton散射下超强激光等离子体通道的演化

应用多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法,研究了Compton散射对超强飞秒激光等离子体中通道的影响,提出了将Compton散射光作为形成等离子体通道的新机制,给出了超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播和电子密度随时间变化的非线性修正方程,并进行了数值模拟。并研究发现：散射使等离子体中电子密度峰值增大1个量级,半径增大1mm。激光最大功率密度被限制在1018W/m2以下,随传输距离增大缓慢衰减。传输初始阶段,单脉冲衰减能量较散射前增大2%,之后衰减较平缓。通过增加超强飞秒激光脉冲输入功率,能有效地增加电子密度峰值,有利于等离子体通道的形成。并对所的结论给出了初步物理解释。     

Multiple scattering and modeling of laser in fog

When a laser is transmitted in fog, and the water droplets will scatter and absorb the laser, which affects the intensity of the laser transmission and the accuracy of radar detection. Therefore, it is of great significance to study the laser transmission in the fog. At present, the main method of calculating the scattering and attenuation characteristics of fog is based on the radiation transmission theory, which is realized by a large number of numerical calculations or physical simulation methods, which takes time and cannot meet the requirements for obtaining the fast and accurate results. Therefore, in this paper established are a new laser forward attenuation model and backward attenuation model in low visibility fog. It is found that in low visibility environments, the results calculated by the Monte Carlo method are more accurate than those from most of the existing forward attenuation models. For the cases of 0.86-μm, 1.06-μm, 1.315-μm, 10.6-μm typical lasers incident on different fogs with different visibilities, a backscatter model is established, the error between the fitting result and the calculation result is analyzed, the backward attenuation fitting parameters of the new model are tested, and a more accurate fitting result is obtained.     

Mie理论递推公式计算散射相位函数

在激光雷达探测中,关于多次散射雷达回波的研究,散射相位函数是个非常重要的物理量。本文利用Mie理论的递推公式,对单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,计算结果与散射理论中前、后向散射峰值大小随粒子半径的增大而增大相一致。同时,对非单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,可用于大气、雾和云等气溶胶多次散射的研究。     

紫外光通信中基于大气散射理论的传输模型

在研究单次散射模型的基础上, 针对单次散射模型不能对天气变化对紫外光信号造成的影响做出模拟的不足, 结合大气散射理论构建了紫外光传输的二次散射模型。研究了瑞利散射和米氏(Mie)散射在四种典型天气条件下的散射相函数, 仿真得出了紫外光被大气中的粒子散射后的能量分布情况, 将其引入二次散射模型, 并确定了各种天气条件下的散射粒子浓度后对紫外光通信系统做出性能仿真。计算结果表明, 二次散射模型可以仿真不同的天气条件下的紫外光通信系统的性能, 从仿真结果上验证了非直视通信的可实现性。并得出, 在雨、雾天气下, 紫外光信号衰减剧烈, 接收仰角不可过大; 在天气晴好时, 能更好的实现紫外光非直视通信, 接收仰角可达到180°。长距离通信时, 天气状况变化对通信性能影响更大。     

Millimeter-Wave Attenuation Due to Fog and Clouds

The parameters of gamma drop size distribution model of fog and clouds are derived based on the liquid water content and optical visibility, the attenuation are calculated and discussed with this model and empirical relations of the liquid water content and the visibility or other parameters of fog and clouds. A new empirical formula to estimate fog and clouds attenuation is presented based on the Reyleigh absorption approximation, which is more accurate in general and can be used in wider frequency and temperature range than other empirical formulas.     

降雨对无线激光通信的影响

通过激光信号在雨介质中传输的实验发现,在大雨环境下,激光信号透射率要比在小雨或微雨的情况下大。这说明光信号在小雨时衰减较大,在大雨时衰减较小。这一现象与人们通常所认为的有所不同。针对降雨对激光信号的影响,根据Mie散射理论和Weibull雨滴尺寸分布模型,分析了不同尺寸的粒子对光的散射作用以及对衰减效率因子的影响,推导出单球粒子对光波的衰减公式,得到了衰减与降雨率的确定关系。通过数值计算发现,与小粒子相比大粒子的前向散射光强更大且更加集中;激光信号在雨介质中传输时,衰减系数在小雨时较大,中雨、大雨时较小,暴雨时不断增大。这一结果与实际情况较吻合,为激光在通信系统中的应用提供了一定的理论依据。     

椭球模型下通过雾场的多重光散射谱

由于雾滴的非球形、多重散射特性以及几何光学效应,光通过实际雾场的散射问题成为一个研究难点. 建立了近于实际的椭球雾滴模型,考虑光的衍射、透射及反射特性后,利用辐射传播方程得到了在不同的雾滴大小分布 及不同的雾滴形状分布下通过雾场的多重散射光强公式.在两种特例下与已有的结果较为相符,说明了方法的可靠性. 计算表明:与随机取向的非球形颗粒场的散射谱呈圆形特征不同,通过椭球形雾滴场的散射谱呈椭圆特征, 不同方位角的散射光强角分布有所差异,雾滴的形状因子越接近于1,差异越小;与单散射不同, 散射谱中的条纹随光学厚度增大逐步消失;对于不同大小分布及不同形状分布的雾滴场, 在不同方位角及不同观察角的散射光强随光学厚度τ的增加总是先增大再减小,光强的极大值位置在τ = 1.0---3.0 范围内.计算同时还表明,由于多数情况下实际雾场的雾滴大小偏差较大, 因而通过雾场的散射谱将呈现以中央亮斑为中心向四周弥散的图样.     

水中气泡上的体散射函数的模拟与计算

基于几何光学的基本原理,推导出一种可以计算水中大尺度气泡上光散射角度与强度的关系式。推导中避免引入衰减因子G,较Davis模型更为简单。该模型可应用于光在水中单个气泡上散射的数值计算。最后,模拟计算了平行光束入射水中气泡的体散射函数曲线,发现水中气泡的前向散射远大于后向散射;当气泡半径在远大于光波波长的前提下变化时,气泡上散射光强分布规律与气泡半径无关;而介质相对折射率的增大会削弱前向散射而增强后向散射光强。     

雾对激光的衰减特性研究

基于gamma雾滴分布模型以及辐射雾和平流雾粒径分布与能见度的经验关系,计算并分析了不同波长激光在两种雾中的衰减率随能见度的变化,透射率随传输距离的变化.结果表明,不同波长激光在两种雾中传输时,波长较长激光的衰减率都比波长较短激光的衰减率低;10.6μm激光在平流雾中衰减率大于在辐射雾中的衰减率;对不同波长激光在两种雾...