532nm激光在雨中的傳輸特性研究

王治晶　單寧　侯學(xué)華

摘 要：降雨會對激光光束產(chǎn)生嚴(yán)重衰減，使得激光到達(dá)作用目標(biāo)時的能量不足以致盲。關(guān)于激光在雨中的衰減特性已經(jīng)在紅外波段進(jìn)行了深入的研究，但是在可見光范圍的波段研究還比較缺乏。本文基于米式散射理論，研究532nm綠激光光束在降雨條件的衰減模型，分析其在不同降雨條件下的傳輸特性，并通過實驗驗證分析其正確性。通過理論分析與實驗結(jié)果的對比得到：532nm綠激光在小雨中的衰減大于大雨天氣，這樣的結(jié)果表明在小雨天氣中雨滴數(shù)目大于大雨天氣，激光粒子多重散射效應(yīng)在小雨中更為明顯。這為建立532nm綠激光不同降雨類型下的修正模型提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。

關(guān)鍵詞：降雨；激光衰減；米式散射

激光具有相干性好、亮度高、能量集中的特性[1]，越來越受到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，尤其是在軍事領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前，激光在軍事上的應(yīng)用主要有：激光致盲、激光制導(dǎo)以及激光通信；但是，激光在不同環(huán)境下都會有一定的衰減，會造成任務(wù)的失敗。激光在近地大氣條件下的傳輸主要受降雨、霧、霾以及空氣中的氣溶膠粒子的吸收和散射作用的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。關(guān)于紅外波段激光近地大氣條件下的傳輸特性已有大量研究，而在可見光波段研究較為缺乏。在非致命激光致盲多采用的是532nm綠激光作為激勵源，所以，研究532nm綠激光在降雨條件下的衰減特性可以為非致命激光致盲武器的改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。降雨是一種普遍的自然現(xiàn)象，激光光束在雨中傳輸過程極其復(fù)雜，包括雨滴對激光光束的吸收、散射和折射現(xiàn)象。但是對于532nm激光光束，雨滴對激光傳輸?shù)挠绊懼饕巧⑸渥饔茫@個作用是根據(jù)雨滴譜的分布來確定的，所以本文主要采用Weibull分布作為雨滴譜分布來分析研究532nm激光在降雨條件中的衰減特性。

1 激光降雨衰減模型

文獻(xiàn)[2]中得到入射光強(qiáng)I0=0.05W波長為532nm的激光的散射光強(qiáng)如圖1所示：

雨滴對于激光的散射作用可以分為前向散射、后向散射和側(cè)向散射，這主要是根據(jù)散射角的不同來劃分的，波長為532nm激光在雨中傳輸時主要受到前向和后向散射，且統(tǒng)一波長下雨滴粒子半徑越大，側(cè)向散射光強(qiáng)越小；而對于前向和后向散射的集中度來說，半徑為1mm的雨滴粒子強(qiáng)于半徑為5μm的雨滴粒子。

2 雨滴尺寸分布函數(shù)

雨滴尺寸分布函數(shù)是研究激光降雨條件下衰減特性的重要參數(shù)，雨滴尺寸分布也叫做雨滴譜，指的就是在單位空間體積內(nèi)，直徑在D～D+Δd內(nèi)的雨滴數(shù)，就是單位體積內(nèi)雨滴大小的分布。目前，比較常用的包括Laws-Parsons分布、Marshall-Palmer分布、Gamma分布和Weibull分布，本文采用Weibull分布進(jìn)行分析。

從圖中我們可以得到隨著雨滴尺寸的增加，不同降雨強(qiáng)度的情況下雨滴數(shù)目的分布情況。我們看到整體的分布趨勢是先增加而后逐漸減小的。在降雨過程中小雨滴的粒子數(shù)總是多于大尺寸雨滴數(shù)，總體來看，雨滴尺寸大多分布在0.5mm左右，只有當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到100mm/h以上，雨滴直徑大于1mm的雨滴數(shù)才有所增加。并且，雨滴粒子在總體數(shù)目上是持平的，雨滴尺寸在1mm～6mm范圍內(nèi)，隨著降雨強(qiáng)度的增大，大雨滴數(shù)量的增多，雨滴尺寸分布趨勢趨于平緩。

3 532nm綠激光雨中衰減數(shù)值仿真

激光在雨中的衰減特性還與衰減效率因子Qe有關(guān)，532nm激光在雨中傳輸?shù)膹?fù)折射率為 ，其衰減效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR是一個關(guān)于n的項級數(shù)，由于計算工作復(fù)雜，一般情況下取級數(shù)n=600以得到衰減效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR與尺度參數(shù)的關(guān)系。通過計算機(jī)仿真得到衰減效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR與尺度參數(shù)的關(guān)系圖為圖4：

4 結(jié)語

本文利用Mie散射理論研究了532nm綠激光在雨中的傳輸特性，并以Weibull分布作為雨滴譜分布仿真得到了雨滴尺度分布圖，最后通過分析計算得到衰減系數(shù)與降雨率的關(guān)系，從結(jié)果來看：在同一降雨強(qiáng)度條件下，小雨天氣激光衰減系數(shù)大于其他降雨天氣；而在同一天氣條件下，降雨強(qiáng)度越大激光衰減特性越明顯。文中利用Matlab對激光衰減做了數(shù)值仿真，得到了532nm激光雨中衰減系數(shù)與降雨強(qiáng)度的關(guān)系曲線，為今后建立修正模型提供了可靠依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭三學(xué)，王方等.反恐防暴新概念武器[M]，西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2014.

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[4]吳健，楊春平，劉建斌等.大氣中的光傳輸理論[M]，北京：北京郵電大學(xué)出版社.2005：4-5.