【《激光在恶劣天气条件下的衰减概述》5100字】

TOC\o"1-3"\h\u15554232921706433973709一般情况下，对于特定激光系统来说，激光在大气传输的过程中的衰减一般是由大气结构所决定，其中包括大气中存在的各种气体分子，气溶胶粒子以及雨、雪、雾等自然气象现象，他们的吸收和散射使激光能量损失，从而影响传输的距离和可靠性。霾是大气中最常见的自然现象。在已知其特征浓度、标度分布和复折射率的情况下，用Mie散射理论计算其衰减系数[45]。一般来说，霾不完全是粒子，但这些计算更准确。霾特征和高度变化较大。如果对某些模式进行评估，在预期大气条件下降的过程中会有轻微的偏差[46]。理论分析表明，如果同一大陆或海洋的气溶胶成分不同，其复制因子也会不同。同样，同一光谱中的气溶胶也因一种类型而异，其衰减系数也因另一种类型而异。这两个特性对于长波辐射（λ>1μm）尤为明显。例如，由于光谱形状和复折射率的不同，1.06μm波长处的衰减系数可能会变化近一个数量级。因此，用大气能见度反射气溶胶的方法来描述这种辐射的衰减是很困难的。然而，它仍然适用于短波辐射，特别是海洋气溶胶，其能见度适合衰减。这一结论已被许多实验测量所证实。考虑到霾特性实时测量的复杂性，实际应用中经常采用方程(3-1)来估算霾衰减系数：(3-1)其中，为大气能见度(km)，为波长()，为波长修正因子，视能见度不同取不同的值：雾滴半径通常在1~10之间，在形成初期或消散过程中小雾滴的半径可能小于1,在浓雾中能见度小于50m时雾滴的半径可达20~30。当能见度大于100m时雾滴平均半径大多小于8。雾滴浓度一般在101~102个/cm3，轻雾的数密度约为50~100个/cm3，而浓雾可达500~600个/cm3。海雾中的雾滴一般比陆地雾大而少。俞香仁根据在四川、福建、云南等地的观测结果指出，辐射的平均直径为12.5~22.8，浓度为50~60个/cm3，含水量为0.3~1.1g/cm3，北京香河秋季的辐射雾的浓度在140~200个/cm3之间变化，含水量在0.061~0.425g/cm3范围内，平均为0.153g/cm3[48]。由于影响云层形成、发展和消散的复杂物理过程的复杂性，云层的分布不能根据观测数据进行预测。这个颜料粒子是一个非常好的球体，所以雾的衰减完全符合面条理论。另外，由于粒径较大，一般满足，用Vander-hulst近似公式计算衰减系数有足够的精度，或简单取(3-2)其中，为经验常数，表1.1列出了五个波长的测量值，每个值变化约。这些数据表明CO2激光具有比其它辐射更好的雾传输性能。但同时也要注意的是，在浓雾中各种辐射的衰减非常严重，即使在在处使用具有良好透雾性的10.6激光器，衰减系数也能达到21km表1.1若干波长上的A值Table1.1TheAvaluesatseveralwavelengths0.530.630.91.0610.6A2.461.181.31.062.1值得注意的是，由于各地区雾的特点不同，雾的退化程度可能有所不同。在重庆冬季，激光的平均降解率是表3-1的10倍。其他区域的数值远大于表3-1中的数值。目前还没有更好的方法来确定当前的应用，因此通过公式(3-2)计算预测损失将导致更大的误差。因为雾中产生的水分更容易测定，所以水分含量代表水分含量。理论上，液滴的大小通常很大，令(3-3)其中，为雾滴的数密度，为平均半径，同时(3-4)方程(3-4)通常高估了衰减，因为衰减效率因子取一个固定值。Chylek提出了半径小于13μm的大多数粒子的半经验公式，如公式（3-5）所示(3-5)其中，单位为g/m3，单位为，常数由Mie理论的曲线的平均斜率确定。不同波长上的C值见表表1.2若干波长上的C值Table1.2TheCvaluesatseveralwavelengths0.51.21.85.3101112C0.610.610.680.580.350.300.35一般来说，公式(3-5)适用于长波辐射，这已被Chimelis用10.6μm激光（其中C=0.33）进行的实验所证实，但其在短波波段的适用性值得怀疑。我们将λ=0.6328μm的激光衰减与庐山的含水量数据进行了比较。如果C=0.61，则得到的衰减系数与实测结果相差很大。云的特征类似于雾，尤其是雾。然而，云的形状与雾的形状并不完全相同，而且雾的形状要高得多，造成了不同的形状和形状。云的测量、浓度和大小可能不同，甚至取决于不同的发展阶段或高度。在不同的地区有不同甚至完全不同的云。例如，同一个积云，虽然其含水量略有不同，但其水密度可能不同。此外，我们还可以看到，小积云经过厚积云形成积云时，云滴的质量会减少，而在平均尺度上，积水量会增加，含水量会增加。这种趋势与云的发展是一致的。冰云中的冰晶通常是长带状的，这与冰云的生长阶段和环境温度有关。根据Heymsfield的8次飞行观测，卷云冰晶的总密度为0.5个/cm3，峰值附近的含水量为0.15~0.3g/m3，比雾更复杂的光谱可能被更广泛的伽马射线所覆盖[49]。此外，一项民意调查发现，即使是小积云，滴水树也可能呈现双峰结构，单个云一侧的密度下降速度也不会像伽玛扩散那样快[50]。这种结构对云的结构至关重要。目前对云对激光辐射衰减的研究较少。虽然有一些计算和测量液体云，但它们并不完整。根据一次散射理论，Carrier等人计算了波长分别为0.488μm、0.694μm、1.06μm、4.0μm和10.6μm的8种云的衰减系数，并以1.06μm为例，分析了不均匀性、云厚，讨论了云底相对地面高度和地理位置对同类型云衰减系数的影响[51]。认为这些因素的影响很大。云的不均匀性会使衰减系数相差一个数量级。大陆云的衰减系数比沿海云大60%以上。根据现有公式，可以得出如下结论：（1）激光被云层衰减比较严重，变化很大，可以从50dB/km左右变化到2000db/km；（2）5个波长中，10.6μm的衰减最小（除少数波长外），两者之间没有明显的关系波长，而红外波长的衰减略大于可见光波长的衰减，这是由于液态水的吸收；（3）激光被云层的衰减很大，这是由于液态水的吸收，10.6μm云层的衰减几乎相同，甚至更大，这可能与大量云的分布。桑德斯在0.85km高度的45m和90m水平光路上测量了0.63μm、1.15μm、1.39μm、10.6μm和337μm的云衰减[52]。测量采用相对法（比较有云层和无云层的接收信号），因此结果不包括分子吸收的贡献。对于低云，Sanders得出在能见度30～200m范围内，0.6328μm辐射的衰减系数为85～500db/km，1.15μm和1.39μm辐射的衰减系数与0.63μm辐射的衰减系数无显著差异。这与上述理论计算是一致的。10.6μm激光的衰减约为0.63μm激光衰减的一半，衰减率随云层厚度的变化而变化。在薄云中，0.63μm的衰减约为10.6μm的4倍。0.337μm处的散射损耗约为20±10db/km。可以看出，在波长为10.6μm或更长时，云中的衰减相对较小，这也是理论预测的。然而，定量比较尚未报告，预计将非常困难。另外，云的重复弥散效应必然影响单个分布的计算结果。雨滴的半径比云滴大得多，通常在0.1到4毫米之间。根据在我国庐山的观测，小雨的模式半径为，中雨的模式半径为，阵雨的模式半径为在理论研究方面，主要是对单一的山地光谱进行研究。除Marshall-Palmer指数分布和对数正态分布外，laws-Parsons分布通常用于代表性降雨分布，如方程(3-6)所示：(3-6)其中，和分别为平均半径和均方差，都是降水强度J的函数，，(3-7)其中，为该直径间隔内的体积百分数，和图1.1雨滴末速度与其半径的关系Fig.1.1Therelationshipbetweenthefinalvelocityofaraindropanditsradius(3-8)其中，的单位为mm，公式与实验数据的均方根偏差为5%，相关系数为0.999。由图1.1可知，当时水滴速度已趋近下降速度的极限()，仅考虑雨滴在0.5~2mm范围内的下降速度，可近似计算事实上，雨滴谱的种类很多，不能用上述三种分布来概括。因此，有些人使用Γ分布、最佳分布等。虽然这些分布模式具有代表性，但仅计算降雨衰减是不够的。一方面是尺度分布的不均匀性，另一方面雨滴的前向散射也是一个重要原因。Chu和Hogg根据Parsons分布取，计算了降雨衰减，并与2.6km光程下的实测结果进行了比较[55](3-9)其中，是标度参数，是散射角，和是第一类的零阶和一阶贝塞尔函数。他们认为，当和时，上述公式与精确公式相比误差小于2%。降雨对辐射衰减的测量表明，衰减系数与降雨强度J密切相关。从理论上讲，如果雨滴谱与马歇尔-帕尔默分布一致，则当即可导出由于雪的特性难以解释，雪的退化问题一直没有从理论上得到解决。通常在同样的情况下，雪比雨弱，但比雾小。Gunn和Marshall指出，在式(3-9)描述的分布中，拟合常数分别为(3-10)其中，由Beer-Lambert定律可知，在均匀大气中，单色波的大气透过率如式(3-11)所示：(3-11)从上述定律可看出随激光传输距离的增加，光强以指数规律衰减。其中大气透过率是指激光传输后的功率和激光传输前的功率的比值,是激光的波长，为波长为(3-12)其中，表示吸收系数，表示散射系数，表示大气分子，表示气溶胶粒子。由于各种粒子自身性质的差异，其对激光的吸收特性呈现多样化，所以粒子尺度对激光传输特性的影响就集中体现在粒子对激光的散射上。在特定大气环境下,即单位体积内的分子数N和粒子的折射率n不变的情况下，选取位于大气窗口的常用激光波长1μm到3μm，此时分子对激光的吸收效果可忽略不计，分子散射效果大致可等同于其对激光传输的影响。为了比较相同情况下分子衰减和气溶胶衰减随激光波长λ的变化情况，将分子衰减系数和气溶胶衰减系数(3-13)式中值变化可大致反映能见度的变化情况，分析相对衰减系数关于波长的变化趋势，如图1.2所示。图1.2相对衰减系数在不同值下随激光波长的变化Fig.1.2Relativeattenuationcoefficientvarieswithlaserwavelengthatdifferentvalu