激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

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...     

雾对无线激光通信系统的影响

从雾的物理特性出发,对激光在雾媒质中的传播衰减特性进行了理论研究。分别给出了无线激光通信系统的信号模型、噪声模型和透过率,并给出了不同激光波长、能见度、测量距离和接收器视场角对无线激光通信系统的影响。最后,以工作波长为10.6μm的激光为例,利用衰减率与透过率之间的关系,给出了平流雾及辐射雾中激光雾衰减随能见度、接收器视场角等的变化关系。数值分析表明：激光波长、雾的能见度、测量距离和接收器视场角对无线激光通信系统均有较大的影响。     

火星沙尘气溶胶对激光传输特性的影响

对火星沙尘气溶胶粒子进行分析,利用对数正态分布拟合了火星沙尘的尺寸分布.分别用Mie理论和Monte Carlo方法研究了不同波长的激光在火星沙尘条件下的传输特性,分析了火星上沙尘条件下的传输衰减、透射率和能见度随粒子质量浓度的变化关系,给出了波长为0.55μm时能见度随粒子质量浓度的变化曲线,并将两种方法的计算结果进行了比较.结果表明:随着粒子质量浓度的增加,能见度先迅速降低后再缓慢降低并趋于2km左右,粒子浓度越高多次散射现象越明显,利用Monte Carlo方法计算的能见度比Mie理论计算的结果更高.在选择的几个波长中,沙尘条件下7.46μm的激光传输衰减最小,因此更适合火星无线激光通信.     

激光在云雾中传输的消光特性（英文）

研究了大气分子和云雾粒子对入射激光的吸收与散射效应.采用Kruse模型、单次散射近似法和蒙特卡洛法计算了谱分布参量不同的三种云雾对0.86μm波长激光的消光特性,结果表明:能见度小于0.5km时,Kruse模型不再适用于云雾消光系数的计算;能见度相同时,消光系数的单次散射近似结果大于蒙特卡洛的仿真结果,导致传输距离相同时,云雾对0.86μm波长激光透过率的单次散射近似结果小于蒙特卡洛的仿真结果;同一能见度下谱分布参量不同的三种云雾,消光特性的差别较小,云雾粒子尺度分布对消光特性的影响不明显.     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

激光在雾中传输的衰减研究

根据雾滴的尺寸分布模型及辐射雾和平流雾含水量与能见度的经验关系,运用Mie理论及其Van de Hulst近似计算了衰减效率因子, 并结合Deirmendjian对其进行修正,详细分析了激光在雾中的衰减计算公式。 在考虑前向散射时进一步结合Adarsh Deepak和O.H.Vanghan提出的前向修正系数, 得出前向散射修正后的衰减公式, 分析了雾的前向散射对激光传输的影响。 最后将修正后的衰减与常用经验衰减模式相比较, 表明前向散射修正后雾对激光的衰减更加接近实际工程应用。     

激光对于烟雾的穿透特性分析

根据Mie理论、Lambert-Beer定律和经典扩散方程建立了激光通过动态烟雾的透过率的理论模型。分别计算了波长为0.808μm,1.064μm,1.5μm和10.6μm的激光通过动态烟雾的透过率。比较了1.064μm和0.808μm的激光透过率的理论计算值与实验值。结果证明,理论模型能较好的符合实验结论。     

沙尘天气下大气能见度对激光光强的影响

基于米氏理论,分别研究了不同波长的激光信号在沙尘天气中发生单次散射和多次散射时光强与能见度间的变化关系.推导出发生单次散射时光强与能见度间的解析表达式,同时采用蒙特卡洛方法分析了发生多次散射时光强与能见度间的关系,并与单次散射时的结果进行对比.结果表明:在激光信号波长固定时,接收光强会随着沙尘能见度的增大而增加,并趋于稳定值;在能见度固定时,接收光强会随着激光信号波长的增大而减小;随着传输距离的增加,多次散射的影响会越来越明显.     

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。     

固体发动机羽烟的激光透过率测试

为获得羽烟对激光透过率的影响,用烟箱法对2种配方的缩比发动机羽烟在1.06 μm、10.6 μm激光波段的透过率进行测试.采用1.064 μm激光调制发射、接收、数据采集系统对1.06 μm激光波段烟雾透过率测试;用黑体、光谱辐射计、数据采集系统可测出2 μm ～13 μm 的光学透过率,从中提出10.6 μm激光波段烟雾透过率,得到不同推进剂配方、不同烟雾浓度情况下10.6 μm光波和1.06 μm光波的烟雾透过率测试数据.烟箱1.8 m烟道上的测试数据表明:配方2推进剂优于配方1推进剂,10.6 μm光波的烟雾透过率96%～97%大于1.06 μm光波的烟雾透过率92%～93%.     

导弹尾烟对多波长激光传输影响研究

为研究1.06 μm、3.5 μm、10.6 μm三波长激光所受导弹推进剂尾烟干扰的差异程度,建立开放式烟道测试系统。在烟道头部放置装填有典型导弹推进剂的缩比发动机,点燃推进剂使之喷射并形成烟柱,在烟道尾部烟柱直径方向设置激光发射和接收装置,用以获取3波长的透过率。试验数据分析表明,烟雾对激光的衰减与烟雾粒子半径有关,在400 m烟道长度环境中, 10.6 μm激光透过率最高可达1.06 μm激光的104倍。该结果有益于激光制导武器的改进和升级。     

沙尘信道下激光通信系统的性能分析

沙尘对激光信号的散射和吸收作用会引起激光信号的严重衰减,本文结合我国沙尘粒子的半径分布特征,在考虑含水影响的基础上,研究了沙尘对激光信号衰减特性的影响,得到了接收端信噪比的表达式;同时针对OOK调制,推导了沙尘天气下激光通信系统的误码率和信道容量。仿真分析了能见度、传输距离、含水量以及激光波长等因素对误码率和信道容量的影响。结果表明:随着含水量和传输距离的增大以及大气能见度的减小,系统的误码率会呈现出不断增大的趋势,而信道容量则呈现减小的趋势。在能见度为4 km的情况下,波长为1 550 nm、传输距离为1 km时系统的误码率可达10~(-2)数量级,且归一化信道容量为8.48 bps/Hz。     

激光对反舰导弹红外探测器干扰分析

针对激光对红外制导的反舰导弹干扰问题,建立了激光对反舰导弹红外探测器的干扰链路模型,推导了激光海上传输的大气透过率,计算了1．06μm激光在海上大气传输时仰角、能见度与大气透过率的关系,估算了对不同距离的反舰导弹红外探测器实现有效干扰所需发射的激光能量。     

复杂大气背景下机载通信终端与无人机目标之间的激光传输特性研究

云层、气溶胶和大气分子是大气环境的主要组成部分.本文基于逐次散射法求解辐射传输方程,建立了复杂大气背景下机载无线光通信终端与地空无人机目标之间的激光传输模型.考虑真实大气背景中卷云、大气分子和气溶胶存在的情况下,数值计算了1.55 mm激光经机载通信终端发出后通过大气背景的直接传输和一阶散射传输后接收功率随无人机目标高度的变化关系,分析了飞机在云上、云中和云下以及卷云冰晶粒子有效半径、飞机与无人机之间的水平距离对接收激光信号传输功率的影响.数值结果表明:激光通过卷云传输的功率很大程度上取决于飞机在云上、云下或云中的位置;飞机与无人机目标之间的水平距离和卷云冰晶粒子的有效半径对激光直接传输和一阶散射传输影响较大;与云上大气相比,云下的大气分子和气溶胶对激光有较大的衰减.本文工作可为进一步开展地空链路上复杂大气背景对机载与低空无人机目标激光通信实验、无人机编队、指挥和组网技术的研究提供理论支撑.     

激光在烟幕中传输的蒙特卡罗模拟

建立蒙特卡罗计算模型,模拟计算1.06μm脉冲激光在石墨烟幕中的传输.分析透过率与石墨粒子粒径、烟幕浓度、烟幕厚度的关系,用卷积方法计算一定宽度的脉冲激光穿过烟幕后的波形,数值仿真δ脉冲和矩形脉冲激光在各种石墨烟幕中的时间展宽特性.模拟结果表明:石墨粒子存在一最佳半径(0.16μm),该半径的石墨粒子烟幕不仅使激光能量衰减最强,而且产生的时间展宽也最显著;激光脉冲宽度越小,其波形变化和时间展宽越显著,微秒量级脉宽的激光脉冲穿过烟幕后波形变化和时间展宽效应不明显.     

空中目标红外辐射多波长大气透过率实时反演算法

 针对空中目标红外辐射大气传输衰减的主导因素,通过Mie散射理论分析和计算得到了不同波长红外大气透过率之间的相关性关系。采用自主研发的激光遥感大气透过率测量仪并利用激光大气透过率多点断层测量技术,实测了1 060 nm波长激光的大气透过率,同步实时反演计算了临近波长红外辐射的大气透过率。实验数据验证了该方法可用于建立红外观测低空修正系统,实时计算获取大气对空间目标红外辐射的衰减特性。     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

包容性非球形气溶胶粒子的散射特性及其对激光传输的影响研究

针对局部地域大气气溶胶的生成、演化的特点,在分析典型对称结构的包容性非球形气溶胶粒子的形态学特征基础上,利用T矩阵法进行了椭球形粒子含非球形粒子的包容性粒子光散射特性计算和分析.以1 064nm波长激光传输为例分别计算了两种典型分布状况的包容性非球形粒子的散射相函数等散射特性,并针对稠密气溶胶大气路径上激光传输的多散射现象,利用蒙特卡罗方法进行了典型大气状况下包容性粒子多次散射对激光信号大气传输中脉冲展宽的应用分析,在传输3km和5km距离时多次散射效应造成激光脉冲峰值半宽分别为3μs和4μs左右.指出气溶胶的基本散射特性与粒子的形态学特征、尺度因子、化学成分及颗粒密度等有密切的关系,其散射特性对激光信号的大气传输具有明显的影响.