激光在霧中傳輸的散射衰減分析

楊雪等

摘 要：激光在霧中傳輸會造成能量衰減，這是激光被霧滴粒子散射、吸收的結果；這樣一來，激光探測系統工作在霧天氣時，其準確性將受到影響。在Mie散射理論基礎上，以gamma分布作為霧滴譜，建立532nm激光在霧中的傳輸衰減模型，理論推導計算不同能見度的霧條件下激光透過率隨傳輸距離的變化。

關鍵詞：激光 霧滴粒子 Mie散射理論 衰減模型

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0061-01

激光在大氣中傳輸時，能量會不斷的衰減，不同濃度的霧天造成激光衰減的程度不同。當霧濃度較小時，激光在霧中的多重散射可以忽略，近似看做單次散射。由于能見度較低的濃霧對可見光的吸收散射作用強烈，在短距離內使得可見光的透過率迅速降至零，故該文只討論人肉眼察覺不明顯的輕霧天氣對532nm可見光的衰減作用，為輕霧天氣下，可見光在激光探測系統中的應用提供理論依據。

1 霧的尺度分布及經驗公式

霧滴的尺度分布大多數采用的是Gamma分布。

（2.1）

該式體現了半徑為r的霧滴在單位范圍內的數目。

（2.2）

（2.3）

上式中W為霧含水量，單位g/m3；V是能見度，單位km。

2 激光在霧中的散射理論

在Mie散射理論中，為方便計算，引入無量綱尺度參數k=2r/，這里為光波波長，單位，r為粒子半徑，單位。在計算微粒衰減時，Mie散射理論公式主要是對吸收效率因子、散射效率因子和衰減效率因子三個參數的計算。三者關系如下：

（3.1）

相應截面與效率因子關系為：

（3.2）

（3.3）

（3.4）

3 激光在霧中傳輸時的散射衰減計算

根據朗伯-比爾指數衰減定律，激光通過介質前后的光功率關系如下：

（4.1）

式中，T為透過率，為探測器接收功率，為激光器發射功率，L為傳輸距離，是衰減系數，量綱為，表示每單位路徑長度的數。

分別取能見度為V=700m、V=300m、V=100m、V=20m為四種不同典型霧條件，對透過率在一定傳輸距離上進行計算，得到不同能見度的霧條件下透過率T隨距離的變化，如圖1。

圖1為532nm激光光束在1km的傳輸距離內，不同能見度的霧條件下透過率的數值曲線。從圖中可以看出，激光透過率與霧的能見度成正比關系，與傳輸距離均成反比關系。能見度的降低導致激光的散射衰減增大，使同等傳輸距離下激光透過率降低。在一定透過率要求下，激光探測系統在不同能見度的霧中的適用探測距離不同。

4 結語

該文以Mie散射光學理論為基礎，Gamma分布為霧滴譜模型，不同傳輸距離下的透過率為研究對象，建立532nm激光波束在霧中的傳輸衰減模型，分析計算激光在不同能見度的霧條件下的衰減特性。研究表明，532nm激光在霧中傳輸時，散射系數與總的衰減系數近似相等；在同一傳輸距離下，激光透過率隨能見度的增大而增大；相同能見度條件下，激光透過率隨傳輸距離的增大而減小。可以由公式推導得到一定透過率要求下，激光探測系統在不同能見度的霧中的適用探測距離，對實際試驗中，發射系統功率與接收系統精度要求有重要參考意義，利于激光探測系統參數的選取。對激光探測系統在霧天氣條件下的應用提供了一定的理論基礎。

參考文獻

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