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1.064μm激光在对空传输中的大气影响分析

  摘 要:本文探討了大气对红外激光辐射的吸收和散射作用,并在激光对空传输数学模型的基础上,分析了大气在激光能量对空传输中的影响因素,得出了大气的散射作用是1.064μm激光在大气传输中发生衰减的主要原因的结论。 

  关键词:大气透过率 激光传输 高空目标
中图分类号:P412 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2018)01(c)-0056-03
本文以地基1.064μm激光作为辐射源,通过分析到达2000km处目标窗口的激光功率大小,考察了大气透过率对辐射能量的影响。文中采用MODTRAN计算大气透过率,并在MATLAB中以曲线图的方式对影响激光传输的大气因素进行了对比研究。
1 大气对红外辐射的吸收和散射
1.1 大气模型的建立
1.064μm激光在大气中传输时主要受大气中的氧、氮、水汽等影响。大气层外(距地表100km外)气象变化小,大气极其稀薄,其大气透过率可认为是100%。
1.2 红外辐射的吸收和散射
激光在大气中传输时会因吸收和散射而衰减,其衰减过程与以下3种现象有关。
(1)大气分子的吸收(主要是水汽、二氧化碳和臭氧的吸收);
(2)大气中分子、气溶胶和微粒的散射;
(3)因气象条件(云、雾、雨、雪)的衰减。
2 激光对空传输的数学模型
2.1 激光对空传输位置坐标的建立
激光对空传输位置坐标图(如图1所示),其中:
A点为激光发射点(位于地球表面);
OE为经过A点的法向射线;OA=OB=OC=r(地球半径);
BD为高空目标的最终高度;∠DAE为发射角度。
2.2 高空目标接收光功率的数学推算
假设激光按特定的发散角以图2的方式对空传输,其投射光斑形状为圆形且集中了80%的能量并均匀分布;100km以上的高层大气其透过率认为是1.0。
设A点激光的发射功率为,经过地球大气衰减后到达100km处的光斑的总功率为,则:
(1)
式中:为大气透过率。
到达高空D(见图1)处的光功率大小为:
(2)
式中:d为高空目标的光学镜头(圆形)口径;θ为其光轴同激光光斑中心法线的夹角。
取以下参数进行计算:
O1A=100km;O1O2=2000km;W0=25kw;;
d=2m;θ=60°。
在MODTRAN算法中输入关键参数(见表1)包括:大气模式、气溶胶模式、云/雨气溶胶扩展、几何路径、光谱波段和光谱步长等。
根据在MODTRAN中计算的大气透过率以及公式(2),在MATLAB中就可以得出1.064μm附近高空目标接收的激光功率波动曲线,见图3所示。
3 大气参数对激光对空传输的影响
3.1 不同季节的影响
在MODTRAN中输入的参数,除了大气模型选取为中纬冬季外,其他参数同表1。调查研究发现,冬季的值相比之下有一定的升高,误差在0.7%左右,可见在冬季和夏季其值差别不大。
3.2 不同二氧化碳浓度的影响
二氧化碳作为大气的不变成分,随季节和地理位置的变化不大并且与气象条件无关。
3.3 不同风速的影响
沙尘天气是沙漠地区常见的天气现象,在沙漠地带风速对沙尘气溶胶浓度和大小有着密切的关系。一般而言,风速越大,高空目标接收到的激光功率越小。
3.4 云雨的影响
当有云层时,高空目标接收到的光功率几乎为0。可见,激光的发射最好在晴朗无云的条件下进行,否则无法达到干扰目的。
球形降雨粒子对1.064μm激光源来说,可看成大粒子,其衰减系数与波长无关。而且雨的散射系数随降雨的速度以及雨滴的尺度分布的增加而增大,由此可见降雨量越大,大气的衰减系数也就越大。
3.5 不同气溶胶模式的影响
本文选取了沙漠和乡村(能见度为23km)两种模式作为典型的研究对象来分析不同气溶胶模式对高空目标接收到的激光功率的影响(见表2、图4)。
分析可知,当选取不同的激光发射环境时,由于大气透过率的不同,所造成的光功率衰减在5.1%以上。因此,选取发射环境也对目标干扰的成败有着重要的影响。
3.6 不同观测天顶角的影响
表3和图5表示了激光功率随天顶角变化的典型值和曲线图(保证θ=60°)。这里,观测天顶角等于激光发射角。
当选取0°天顶角时,激光辐射到达目标的距离最短,随着天顶角的增大,激光在大气各层传输的距离不断增大(见图6),大气分子和气溶胶颗粒的吸收和散射相比0°天顶角的情况对激光辐射的衰减更大,造成激光功率相应减小,图5也证实了这一点。从表3所列的典型值可以看出,0°~30°之间天顶角的变化造成的功率衰减较小。
4 结语
针对大气在1.064μm激光源的对空传输中的影响,本文进行了理论探讨,并给出了不同大气参数下的对比效果。对于1.064μm激光辐射而言,大气中的水汽、二氧化碳、臭氧、氮气等主要的气体分子基本上无吸收作用,所以气体分子的吸收对1.064μm激光辐射的衰减相对散射作用可以忽略不计。可见,气体分子的散射和气溶胶散射是1.064μm激光在大气中传输发生衰减的主要原因。
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