1.06μm激光大气散射模型研究

　在激光测距、无线激光通信等领域,大气对激光传输的影响是必须考虑的一个重要因素.激光在大气中传输时其能量会在空气密度的起伏(分子散射)、气溶胶粒子(气溶胶散射)以及大气湍流运动产生的不均匀性上发生散射,导致传输方向上激光能量的减弱.大气散射和大气吸收是导致大气衰减的主要成因.随着激光远距离传输应用的不断发展,大气散射对1.06μm激光传输的影响已显得越来越重要,引起越来越多人的关注.

　1　单粒子散射仿真计算

　　散射过程的物理基础是电磁波和构成物质的电荷的相互作用.大气气溶胶粒子米氏散射过程是一个有许多紧靠在一起的由复杂分子的气溶胶粒子组成的多极子阵,受入射波的激发,形成多极子.这些多极子向外辐射次生的电磁波在远场区叠加构成了散射波.米氏理论从Maxwell方程出发,分析、计算因散射粒子存在所产生的散射场和透射场,得到粒子对电磁波散射和吸收的严格解.在对流层内尤其是近地面层,气溶胶粒子占重要地位,只要激光波长不太短(≥0.5μm),分子散射一般可以忽略不计[1].独立散射通常假设粒子之间的距离大于其直径的3倍.对于大气中的气体分子之间的距离以及大气中气溶胶粒子之间的距离来说,都大大超过了3倍粒子直径[2].因此,对大气中的光传播而言,独立散射假设总是适用的.

　　入射光强为Io的平行光,散射光辐射照度Is表示为

　　式中,β为散射角;φ为极化角;k为波数,2π/λ;l为散射距离;F(β,φ)为散射函数;Io为入射光强.

　　图1给出了散射光强Is的分布与粒子尺度参数x的关系.m为相对折射率,表示由70%的水溶物加30%的尘状物组成的大陆性气溶胶[3].由图1可以看出粒子散射分布状态成规律性变化,粒子尺度参数较小时,散射强度分布接近瑞利散射[4].随着尺度参数的增加,前向散射光强与总散射光强的比值迅速增大,后向散射光强明显减弱.在前向小角范围内,散射光强随着角度的增加急剧下降.小粒子各个方向的散射光强都比大粒子的明显增大.

　　2　1.06μm激光大气散射建模

　　下面以波长为1.06μm脉冲激光为例研究激光大气散射模型.激光大气传输示意图如图2所示,激光源位于E点,激光主光束沿EO方向传输,激光探测设备位于D点, O是光束主轴上的一点,S1、S2分别是探测器视场与主轴的交点,探测器的法线方向由D点指向F点.ES1=X1,EO=R,OD=d,S1D=l,光传播速度是C,激光束发散角是θ.

　　从发射第一个脉冲开始计时,激光束沿主轴传输时间是TO,散射光传输到探测点D的时间与主轴激光传输到散射介质前端S1的时间和是TD,那么有