激光在不同类型气溶胶中传输特性研究-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 2 (2013) 024214 激光在不同类型气溶胶中传输特性研究* † 王红霞 竹有章 田涛 李爱君 ( 第二炮兵工程大学理学院, 西安 710025 ) ( 2011 年8 月22 日收到; 2012 年8 月27 日收到修改稿) 激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题. 本文针对常用的 1.06 m 和 10.6 m 激光, 基于Mie 散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量; 对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减, 建立了蒙 特卡罗模拟计算模型, 利用Matlab 语言编制了相应的计算程序, 计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶 性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系, 并将蒙特卡罗方法和单次散射的 计算结果进行了比较. 结果表明, 当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时, 单次散射计算存在很大的误差, 用蒙特 卡罗方法更能揭示多重散射现象; 煤烟性气溶胶对 1.06 m 激光的传输衰减影响最大, 沙尘性气溶胶对10.6 m 激 光的传输衰减影响最大. 关键词: 激光传输, 气溶胶, 蒙特卡罗方法, 多次散射 PACS: 42.68.Ay, 42.68.Jg, 92.60.Mt, 87.55.K– DOI: 10.7498/aps.62.024214 单, 但局限于光的单次散射条件, 有时计算结果存 1 引言 在较大误差. 吴振森等通过研究激光在沙尘暴中的 1 衰减特性指出 : 在沙尘天气能见度较大时, 多重 随着激光雷达、激光通信以及激光制导武器 散射的效果可以不用考虑, 传输衰减可简单地视作 的发展, 激光技术在国家安全防御方面发挥着越来 单次散射情况来计算; 对于较低能见度的沙尘天气, 越重要的作用, 激光在大气中的传输特性是军用和 粒子数密度很大, 多重散射将会对结果产生较大的 民用激光工程系统在大气中运行时必须研究的重 影响, 不可忽略. 要问题之一. 气溶胶是地球大气的重要组成部分, 对于存在多重散射的辐射传输问题, 人们已提 是指悬浮在大气中的直径在0.001—100 m 的液 出了多种研究方法, 如逐次迭代方法以及建立于 体或固体微粒体系, 它们大都是尘埃、烟粒、微水 输运方程的离散坐标法、球谐函数法、倍加-累加 滴、盐粒以及有机微生物等, 其中大多数固态微粒 法、四通量法和蒙特卡罗统计法(MC). 蒙特卡罗 , , 法2−10 是以概率模型为基础, 用随机数和概率统 不但直接使大气混浊 而且也是水蒸气的凝结中心 对于形成云、雾、雨、雪具有很大作用. 当激光在 计研究光在随机分布介质中的传输问题. 相对而言, 大气中长距离传输时, 会受到大气气溶胶粒子的散 蒙特卡罗方法更能揭示光子的多重散射现象, 特别 射和吸收, 使激光在传输过程中能量不断衰减, 影 是在介质粒子浓度比较大时, 多重散射的影响更加 响激光系统的作用效能. 因此, 研究激光在大气中 突出, 使用蒙特卡罗方法, 只要光子数取的足够多, 的传输特性具有非常重要的意义. 当前虽有不少文 就能很准确地模拟光的多重散射问题. 随着计算 献资料对激光的大气传输特性进行了分析和计算,