降雨對激光通信傳輸的影響研究*

楊慶浩，趙娜英，楊雪健，夏　勇

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

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降雨對激光通信傳輸的影響研究*

楊慶浩1，趙娜英1，楊雪健2，夏勇3

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

從理論研究和實驗研究2個方面總結國內外有關大氣中激光傳輸的研究進展，重點分析了降雨氣象條件下對激光傳輸過程的影響。研究結果發現模擬仿真法在研究激光在大氣中的傳輸時，一般采用常用的經驗模型，該模型不具有普適性。雨場模擬實驗中，設備產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實驗值與理論值的誤差。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，從而使數據具有局限性。通過對理論模型仿真、模擬實驗環境和數值計算與公式推導這3種實驗方法的對比分析，提出了進一步改進有關降雨時激光通信實驗研究的思路。

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。大氣分子的擴散、離解及各種光化學作用使高層大氣中出現臭氧層，有些成分會分解為原子狀態(像氧、氮等原子)，各種大氣成分含量會隨著高度不同而發生變化，還有其他懸浮顆粒如大氣中的云、霧、塵埃等固態或液態顆粒。空氣中存在的顆粒、原子和分子都會對光信號的傳輸產生不同程度的影響。

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行遠距離傳輸，激光通信即是利用這一特性進行信息傳輸的模式。按不同的傳輸介質，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。近年來發展速度極快，應用面也極為廣泛，是世界新興技術的重大突破。大氣激光通信利用激光作為載波進行信號傳輸，以空氣作為傳播媒介進行圖像、數據、語音等信息的雙向信息傳輸，結合了光纖通信和微波通信2方面優勢，具有容量大、極高的數據傳輸速率、免受電磁干擾、極高的保密性等優點，因而廣泛運用于軍事、醫學、工農業等領域。現代海戰的主要作戰方式為艦船編隊作戰[3]，無線電通信是當前采用的通信手段，其優點是傳遞距離遠、數據傳輸快，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備之間也會產生相互干擾。相比之下，激光通信具有以下優勢：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，所以幾乎不可能被截取；二是激光不受電磁波的干擾，激光通信設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，在大氣中傳播時經常會被氣溶膠、煙塵、分子以及降雨等吸收和散射，產生線性和非線性效應[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。另外，大氣層中空氣密度的無規則的漩渦運動還會對激光的傳輸產生影響，即湍流效應。激光在大氣的傳輸過程中，其頻率、光強、相位和傳播方向等都會發生相應改變。相對于其它幾種情況而言，降雨是最為常見的一種天氣現象，它對激光信號產生的衰減，嚴重的還會中斷無線通信的鏈路。為了使激光通信在大氣環境中更好地應用，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的主要因素和常見的雨滴譜分布，主要總結了在降雨條件下幾種不同的典型的實驗方法，并進行對比分析，從而提出進一步改進實驗研究的思路。

1　激光傳輸的影響因素理論回瞻

1908年，由德國物理學家G.Mie提出了關于波在介質中傳播的理論—Mie散射理論。從20世紀40年代起，國內外對霧、霾、云、雨等各種顆粒隨機分布的尺寸、形狀、物理參數、沉降速度等進行了廣泛的研究，并取得一定成果。1945年，Anhur C larke提出了在自由空間中進行光信息通信的設想[4]。因為器件受限，直至20世紀70年代初，美國才開始進行相關研究，世界上第一個光學空間通訊實驗終端在70年代末設計完成。之后，歐洲、日本等國家也相繼展開了研究，如美國的ACTS計劃也對此進行了大量的理論研究和實驗，從1995年起每年均召開有關的學術會議，對其研究成果進行交流探討和總結，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生相應變化。文獻[5]中研究結果顯示：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。大多數研究者認為，霧滴譜的冪分布函數模型只適用于霧初形成的十幾分鐘內，對于穩定狀態的霧滴，需用其他函數模型進行描述。1968年，霍格(Hogg)和朱氏(Chu)[6]提出，當霧滴處于穩定狀態時，用修正函數Γ描述，此函數分布的優點是能夠提供大部分霧滴的分布，缺點在于函數關系式中的一些常數需要通過實驗來測定。Mallow[7]通過使用雷達確定了霧滴的尺寸分布，并結合實驗中的單次散射理論和得到的霧滴分布函數，研究了激光脈沖的前向衰減和后向散射特性。文獻[8]中也介紹了測量霧滴分布的相關技術。

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、煙粒或微小塵粒的集合體，其粒子尺寸在0.01～10 μm之間。1958年，Junge[9]在德國實驗測量得出了霾粒子冪指數律譜分布函數模型。1965年，Friedlander和Pasceri[10]在美國巴爾的摩對大量霾進行了取樣研究，從而發現粒子范圍在0.2～20 μm的變化規律。20世紀70年代，Noll和Pueschel[11]在西雅圖測量了該地區氣溶膠的尺寸分布，并計算了氣象視距及衰減系數。

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，散射和消光特性區別較大。Weickman,Diem和Warner等人分別對云滴濃度、尺寸做了詳細測量研究；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。

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，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雨滴譜實驗基礎上提出了一個負指數模型[13]，即MP雨滴譜分布函數，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)為降雨強度。MP譜分布函數符合一般雨滴譜的特點，然而對于強度較大的降水，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形式較簡單，從而被廣泛應用。

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u=0時，為MP分布；當u<0時，曲線向下彎曲；當u>0時，曲線向上彎曲。該雨滴譜分布對大多數降雨都符合，但形狀因子μ的參數估計較為復雜，若估計不當會對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行測量，于1967年研制出了雨滴測量器，統計出暴雨和毛毛雨的雨滴譜分布JT和JD.它們的方程與MP函數分布相同，而參數略有不同。Joss分布常用于計算各種傳輸常數，特別是傳輸常數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(但都不經常使用或只能在一個非常局限的范圍內使用)。基于雨滴譜的多樣性和區域性，很難對雨滴尺寸的分布進行定性的描述。

2　對激光傳輸的影響研究實驗

G.Mie基于降雨對激光傳輸特性的影響，于1908年提出了介質中的顏料粒子對光進行散射的理論——Mie散射理論[15]。直至1960年，Rozenberg對大氣中光散射的初期發展進行了較詳細地總結。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行了研究。在1978年時，A.Ishimaru提出了波在離散隨機介質中如何傳輸的問題[16]。目前常用的理論和方法均基于以上實驗的研究結果，下面對這些實驗方法進行一一闡述。

2.1理論模型仿真

郭婧、張合[17]等人于幾何光學散射理論和夫瑯禾費衍射的基礎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驗室模擬不同直徑的雨滴，通過測試2種不同波長驗證了該衰減模型的準確性。結果表明，波長為532nm的綠激光透射率高于1 064nm的近紅外激光束，該結論為綠激光在降雨條件下應用于探測系統提供了有效的實驗依據。

劉西川[18]等人為進一步確定降雨對激光在大氣中傳輸的衰減影響，考慮到雨滴的非球形效應，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度及雨滴數密度有關，雨滴數密度越小，衰減越小。該結論對于準確地評估降雨對激光傳輸產生的影響有重要價值，有助于改善激光傳輸、激光通信和測風等方面的應用。實際降雨中往往伴有不同程度對激光的傳輸產生衰減作用的氣溶膠。下一步研究應加入這一因素，得到更精確、更符合實際的激光傳輸衰減模型。

高國強[19]對降雨的物理特性做了詳細描述，基于微粒散射理論和雨滴特性，仿真分析了微粒散射光強空間分布的規律和衰減效率因子隨微粒尺寸的變化特性，并成功推導出了降雨時常用的雨滴尺寸分布模型的衰減理論計算，結合實際使用的經驗模型，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的闡述，但由于缺少大量實驗數據，實際操作比較困難。另外，在討論衰減效率因子時，未考慮到激光波長對其產生的影響。

2.2模擬實驗環境

沙炎軍[20]為了得到激光在雨中傳輸衰減的實驗數據，進一步分析比較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，運用水泵輸送水來模擬實際降雨，通過調節閥門開關選擇相應的水管和噴頭，從而控制噴灑水滴的大小和降雨強度，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的影響。實驗分別記錄下波長為532nm和1 064nm的激光在不同降雨率R下的實驗數據，并結合Bouguer指數衰減定律求出2種波段激光在不同降雨率下的衰減系數β1和β2.模擬雨場實驗表明，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。由于模擬雨場實驗棚的長度方向距離較短，降雨范圍較小，從而使實驗的測量結果具有局限性，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數值計算與公式推導

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生的影響，計算了粒子尺寸和衰減效率因子的關系，推導出了光波在稀疏分布雨中的衰減公式。從數值計算結果可以看到，大粒子雨滴各個方向的散射光強明顯小于小雨粒子的散射光強；前向散射光強隨粒子半徑的增加呈增長趨勢。這就解釋了實驗中的現象：激光信號在大雨中的衰減小于在小雨中的衰減。這個現象與人們通常所認為的大相徑庭，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，因此數據具有局限性。

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，推導出了單球粒子對光波的衰減公式，同時也進行了部分仿真。數值計算結果顯示，小粒子的前向散射光強比大粒子更大更集中，在雨中傳輸時，衰減系數在小雨中較大，中、大雨中時較小。實驗結果與實際比較相一致，為激光通信的應用提供了有效的理論依據，但在多種天氣情況下[23]，激光的傳輸特性還需要更進一步的研究。

王旭等[24]將海口市連續10年的降雨統計資料進行整理分析，研究了該地區降雨對無線激光通信設備的影響。分析了海口市降雨對光鏈路傳輸產生的影響，對光鏈路功率余量、最大通信距離及誤碼率進行了計算和研究。結果表明，降雨嚴重影響了通信系統的通信距離和時長。該結果為海南市以及類似氣候條件的地區提供了建立大氣激光通信系統的理論依據。無線激光通信在充分體現其優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的發射功率。

3　結　論

采用模擬仿真方法研究激光在大氣中的傳輸時，一般采用常用的經驗模型，不具有普適性，對一些特殊的模型，需要進行大量實驗補充修正，使其適用該地區雨滴譜分布。另外，在研究激光受氣溶膠影響的單一效應影響，容易忽略粒子尺寸等其他影響因素，存在些許誤差，下一步應開始研究多效應相互耦合及多種效應共存情況下，大氣與激光相互作用的機理。

在532nm綠激光和1 064nm紅外激光模擬雨場衰減系數β1和β2實驗值均與理論值β存在一定的誤差，原因主要是實際降雨的雨滴尺寸分布與實驗設備產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負指數模型來計算的，能較好地描述實際雨滴尺寸分布，另一個原因是實驗設備導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實驗值與理論值的誤差。

在分析降雨對激光的傳輸影響時，不僅應該考慮雨滴的吸收和散射，還應考慮降雨產生的水汽作用，水汽對其相應吸收波段上的激光的吸收作用會加劇降雨對激光傳輸的衰減。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雜，呈振蕩情況。對于在大氣窗口區的激光(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，衰減隨波長的變化較小。

激光通信在實際生活中的應用非常廣泛，就目前中國通信領域來說，發展最快也最活躍的當屬移動通信，移動業務使用量的不斷增加，對無線網絡的帶寬和容量要求也越來越高，激光通信系統具備的自身優勢，可提供對該問題的解決方案。大氣激光傳輸還可應用于閉路電視系統中，它可直接傳輸聲音及圖像，而且不需要架設電纜，攝像系統可在以前無法實現的位置安裝，相比傳統方式具有極大優越性，不僅節約成本，而且相對加快了工程進度。

21世紀是科技迅速發展的時代，光電技術突飛猛進，光纖通信由于自身存在局限性，在實際中的應用顯得越來越不足，大氣中的激光傳輸技術必將有很大的發展前景和提升。在了解和掌握了激光傳輸規律的基礎上，需要進一步研究更大限度地減小降雨對激光傳輸的影響，這些研究不但具有重要的學術參考價值，而且在商業通信、軍事及氣象等方面都有重要的應用前景。激光通信技術避免了影響建筑、交通等不足，且安全性能相對較高，對環境沒有危害，所以隨著技術的不斷完善，激光通信技術將會取代光纖通信技術，在通信領域帶來一場技術上的變革。

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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責任編輯：李克永

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

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

TN 92；TN 24

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