532nm激光在雨中的傳輸特性研究

王治晶　單寧　侯學華

摘 要：降雨會對激光光束產生嚴重衰減，使得激光到達作用目標時的能量不足以致盲。關于激光在雨中的衰減特性已經在紅外波段進行了深入的研究，但是在可見光范圍的波段研究還比較缺乏。本文基于米式散射理論，研究532nm綠激光光束在降雨條件的衰減模型，分析其在不同降雨條件下的傳輸特性，并通過實驗驗證分析其正確性。通過理論分析與實驗結果的對比得到：532nm綠激光在小雨中的衰減大于大雨天氣，這樣的結果表明在小雨天氣中雨滴數目大于大雨天氣，激光粒子多重散射效應在小雨中更為明顯。這為建立532nm綠激光不同降雨類型下的修正模型提供了理論和現實依據。

關鍵詞：降雨；激光衰減；米式散射

激光具有相干性好、亮度高、能量集中的特性[1]，越來越受到科學家們的廣泛關注，尤其是在軍事領域和醫學領域。目前，激光在軍事上的應用主要有：激光致盲、激光制導以及激光通信；但是，激光在不同環境下都會有一定的衰減，會造成任務的失敗。激光在近地大氣條件下的傳輸主要受降雨、霧、霾以及空氣中的氣溶膠粒子的吸收和散射作用的影響，導致系統性能下降。關于紅外波段激光近地大氣條件下的傳輸特性已有大量研究，而在可見光波段研究較為缺乏。在非致命激光致盲多采用的是532nm綠激光作為激勵源，所以，研究532nm綠激光在降雨條件下的衰減特性可以為非致命激光致盲武器的改進提供一定的理論依據。降雨是一種普遍的自然現象，激光光束在雨中傳輸過程極其復雜，包括雨滴對激光光束的吸收、散射和折射現象。但是對于532nm激光光束，雨滴對激光傳輸的影響主要是散射作用，這個作用是根據雨滴譜的分布來確定的，所以本文主要采用Weibull分布作為雨滴譜分布來分析研究532nm激光在降雨條件中的衰減特性。

1 激光降雨衰減模型

文獻[2]中得到入射光強I0=0.05W波長為532nm的激光的散射光強如圖1所示：

雨滴對于激光的散射作用可以分為前向散射、后向散射和側向散射，這主要是根據散射角的不同來劃分的，波長為532nm激光在雨中傳輸時主要受到前向和后向散射，且統一波長下雨滴粒子半徑越大，側向散射光強越??；而對于前向和后向散射的集中度來說，半徑為1mm的雨滴粒子強于半徑為5μm的雨滴粒子。

2 雨滴尺寸分布函數

雨滴尺寸分布函數是研究激光降雨條件下衰減特性的重要參數，雨滴尺寸分布也叫做雨滴譜，指的就是在單位空間體積內，直徑在D～D+Δd內的雨滴數，就是單位體積內雨滴大小的分布。目前，比較常用的包括Laws-Parsons分布、Marshall-Palmer分布、Gamma分布和Weibull分布，本文采用Weibull分布進行分析。

從圖中我們可以得到隨著雨滴尺寸的增加，不同降雨強度的情況下雨滴數目的分布情況。我們看到整體的分布趨勢是先增加而后逐漸減小的。在降雨過程中小雨滴的粒子數總是多于大尺寸雨滴數，總體來看，雨滴尺寸大多分布在0.5mm左右，只有當降雨強度達到100mm/h以上，雨滴直徑大于1mm的雨滴數才有所增加。并且，雨滴粒子在總體數目上是持平的，雨滴尺寸在1mm～6mm范圍內，隨著降雨強度的增大，大雨滴數量的增多，雨滴尺寸分布趨勢趨于平緩。

3 532nm綠激光雨中衰減數值仿真

激光在雨中的衰減特性還與衰減效率因子Qe有關，532nm激光在雨中傳輸的復折射率為 ，其衰減效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR是一個關于n的項級數，由于計算工作復雜，一般情況下取級數n=600以得到衰減效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR與尺度參數的關系。通過計算機仿真得到衰減效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR與尺度參數的關系圖為圖4：

4 結語

本文利用Mie散射理論研究了532nm綠激光在雨中的傳輸特性，并以Weibull分布作為雨滴譜分布仿真得到了雨滴尺度分布圖，最后通過分析計算得到衰減系數與降雨率的關系，從結果來看：在同一降雨強度條件下，小雨天氣激光衰減系數大于其他降雨天氣；而在同一天氣條件下，降雨強度越大激光衰減特性越明顯。文中利用Matlab對激光衰減做了數值仿真，得到了532nm激光雨中衰減系數與降雨強度的關系曲線，為今后建立修正模型提供了可靠依據。

參考文獻：

[1]郭三學，王方等.反恐防暴新概念武器[M]，西安：西安電子科技大學出版社.2014.

[2]降雨對532nm和1064nm激光傳輸的衰減特性研究[J]，郭婧，光學學報.2011.1.

[3]基于非球形雨滴的降雨對激光傳輸衰減的影響[J]，劉西川，紅外與激光工程.2013.1.

[4]吳健，楊春平，劉建斌等.大氣中的光傳輸理論[M]，北京：北京郵電大學出版社.2005：4-5.