1.064μm激光在對空傳輸中的大氣影響分析

楊彥杰

摘 要：本文探討了大氣對紅外激光輻射的吸收和散射作用，并在激光對空傳輸數學模型的基礎上，分析了大氣在激光能量對空傳輸中的影響因素，得出了大氣的散射作用是1.064μm激光在大氣傳輸中發生衰減的主要原因的結論。

關鍵詞：大氣透過率 激光傳輸 高空目標

中圖分類號：P412 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0056-03

本文以地基1.064μm激光作為輻射源，通過分析到達2000km處目標窗口的激光功率大小，考察了大氣透過率對輻射能量的影響。文中采用MODTRAN計算大氣透過率，并在MATLAB中以曲線圖的方式對影響激光傳輸的大氣因素進行了對比研究。

1 大氣對紅外輻射的吸收和散射

1.1 大氣模型的建立

1.064μm激光在大氣中傳輸時主要受大氣中的氧、氮、水汽等影響。大氣層外（距地表100km外）氣象變化小，大氣極其稀薄，其大氣透過率可認為是100%。

1.2 紅外輻射的吸收和散射

激光在大氣中傳輸時會因吸收和散射而衰減，其衰減過程與以下3種現象有關。

（1）大氣分子的吸收（主要是水汽、二氧化碳和臭氧的吸收）；

（2）大氣中分子、氣溶膠和微粒的散射；

（3）因氣象條件（云、霧、雨、雪）的衰減。

2 激光對空傳輸的數學模型

2.1 激光對空傳輸位置坐標的建立

激光對空傳輸位置坐標圖（如圖1所示），其中：

A點為激光發射點（位于地球表面）；

OE為經過A點的法向射線；OA=OB=OC=r（地球半徑）；

BD為高空目標的最終高度；∠DAE為發射角度。

2.2 高空目標接收光功率的數學推算

假設激光按特定的發散角以圖2的方式對空傳輸，其投射光斑形狀為圓形且集中了80%的能量并均勻分布；100km以上的高層大氣其透過率認為是1.0。

設A點激光的發射功率為，經過地球大氣衰減后到達100km處的光斑的總功率為，則：

（1）

式中：為大氣透過率。

到達高空D（見圖1）處的光功率大小為：

（2）

式中：d為高空目標的光學鏡頭（圓形）口徑；θ為其光軸同激光光斑中心法線的夾角。

取以下參數進行計算：

O1A=100km；O1O2=2000km；W0=25kw；；

d=2m；θ=60°。

在MODTRAN算法中輸入關鍵參數（見表1）包括：大氣模式、氣溶膠模式、云/雨氣溶膠擴展、幾何路徑、光譜波段和光譜步長等。

根據在MODTRAN中計算的大氣透過率以及公式（2），在MATLAB中就可以得出1.064μm附近高空目標接收的激光功率波動曲線，見圖3所示。

3 大氣參數對激光對空傳輸的影響

3.1 不同季節的影響

在MODTRAN中輸入的參數，除了大氣模型選取為中緯冬季外，其他參數同表1。調查研究發現，冬季的值相比之下有一定的升高，誤差在0.7%左右，可見在冬季和夏季其值差別不大。

3.2 不同二氧化碳濃度的影響

二氧化碳作為大氣的不變成分，隨季節和地理位置的變化不大并且與氣象條件無關。

3.3 不同風速的影響

沙塵天氣是沙漠地區常見的天氣現象，在沙漠地帶風速對沙塵氣溶膠濃度和大小有著密切的關系。一般而言，風速越大，高空目標接收到的激光功率越小。

3.4 云雨的影響

當有云層時，高空目標接收到的光功率幾乎為0?？梢?，激光的發射最好在晴朗無云的條件下進行，否則無法達到干擾目的。

球形降雨粒子對1.064μm激光源來說，可看成大粒子，其衰減系數與波長無關。而且雨的散射系數隨降雨的速度以及雨滴的尺度分布的增加而增大，由此可見降雨量越大，大氣的衰減系數也就越大。

3.5 不同氣溶膠模式的影響

本文選取了沙漠和鄉村（能見度為23km）兩種模式作為典型的研究對象來分析不同氣溶膠模式對高空目標接收到的激光功率的影響（見表2、圖4）。

分析可知，當選取不同的激光發射環境時，由于大氣透過率的不同，所造成的光功率衰減在5.1%以上。因此，選取發射環境也對目標干擾的成敗有著重要的影響。

3.6 不同觀測天頂角的影響

表3和圖5表示了激光功率隨天頂角變化的典型值和曲線圖（保證θ=60°）。這里，觀測天頂角等于激光發射角。

當選取0°天頂角時，激光輻射到達目標的距離最短，隨著天頂角的增大，激光在大氣各層傳輸的距離不斷增大（見圖6），大氣分子和氣溶膠顆粒的吸收和散射相比0°天頂角的情況對激光輻射的衰減更大，造成激光功率相應減小，圖5也證實了這一點。從表3所列的典型值可以看出，0°～30°之間天頂角的變化造成的功率衰減較小。

4 結語

針對大氣在1.064μm激光源的對空傳輸中的影響，本文進行了理論探討，并給出了不同大氣參數下的對比效果。對于1.064μm激光輻射而言，大氣中的水汽、二氧化碳、臭氧、氮氣等主要的氣體分子基本上無吸收作用，所以氣體分子的吸收對1.064μm激光輻射的衰減相對散射作用可以忽略不計?？梢?，氣體分子的散射和氣溶膠散射是1.064μm激光在大氣中傳輸發生衰減的主要原因。

參考文獻

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