降雨對近海面1.55μm激光傳播衰減特性研究①

萬梓傲 陳苗 肖云 費禮

摘 ? 要：自由空間光通信已經成為一種可應用于海洋島嶼之間的可行的、高寬帶的無線通信方式。由于海洋上空天氣復雜，因此激光在近海面大氣中的光功率衰減是難以預測的。本文針對海洋上空的降雨氣溶膠進行理論建模，分析了1.55μm激光在不同降雨率條件下的衰減特性，將仿真結果與國際主流商業軟件Modtran進行比對，比對結果誤差小于3%，驗證了建模的準確性，為自由空間光通信發射端功率自適應調整奠定了理論基礎。

關鍵詞：光通信 ?氣溶膠 ?Modtran

中圖分類號：TN929.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0119-02

激光信號在近海面大氣信道中傳輸時，會受到海洋表面各種氣溶膠的散射和吸收作用造成能量衰減。目前，由于激光技術的成熟，近海面自由空間光通信成為解決海洋島嶼之間無法有效通信的一種可行技術。本文針對近海面上空的降雨氣溶膠進行分析，研究了其對1.55μm激光的衰減特性。

1 ?降雨對激光衰減建模

一般認為，雨滴的直徑在300μm～6mm之間變化[1]，其對激光的復折射率等于霧滴氣溶膠。通過計算，1.55μm激光在雨中傳播的尺度參數在200以上，適用于幾何散射情況。Marshall和Paliner根據所測數據提出了一種和實際雨滴尺寸分布相符較好的粒子譜分布，其表達式為[2]：

（1）

其中，R為降雨率（mm/h），，D為雨滴等效直徑（mm）。

圖1為效率因子隨雨氣溶膠尺度參數變化曲線。隨著尺度參數的增加，雨氣溶膠對1.55μm激光的衰減效率因子基本趨于2，散射效率因子近似線性減小，并趨于1.7，吸收效率因子近似線性增大并趨于0.3，不對稱因子趨于0.9，后向散射系數效率因子和后向散射效率比重/在極大值和極小值之間來回振蕩，但振蕩幅度逐漸減弱。

基于MP尺度分布下的不同降雨率對應的衰減系數如圖2（a）所示。隨著降雨率的增加，衰減系數迅速增加。降雨率為10mm/h的小雨環境時，衰減系數為1.556km-1;降雨率為50mm/h的中雨環境時，衰減系數增加為4.288km-1;降雨率為100mm/h的暴雨環境時，衰減系數達到6.636km-1。圖2（b）為不同降雨率條件下，透過率T隨傳播距離的變化曲線。降雨率一定時，隨著傳輸距離增加，大氣透過率迅速減小，當傳輸距離為1km時，降雨率10mm/h、50mm/h和100mm/h對應的透過率分別為21.1%、1.30%和0.021%。

選取Modtran進行對比驗證[3]，大氣模型選為1976年美國大氣標準模型，氣溶膠類型選擇氣體自由云，分別選取毛毛雨（2mm/h）、中雨（12.5mm/h）、大雨（25.0mm/h）和暴雨（75.0mm/h）氣象條件，最大傳輸距離選為1km，并每隔100m進行取值，結果和本文計算方法進行比對如圖3所示。結果顯示，采用幾何散射計算的結果和Modtran結果基本一致，小于3%，驗證了方法的可靠性。

2 ?結語

幾何散射是分析大尺度氣溶膠例如降雨的理論方法。本文構建了近海面雨的衰減模型，得出的主要結論為在雨氣溶膠尺度范圍內，衰減因子基本等于2。通過對比，采用MP粒子譜分布計算的降雨衰減模型和Modtran基本一樣。

參考文獻

[1] Rahman A K， Anuar M S， Aljunid S A， et al. Study of rain attenuation consequence in free space optic transmission[C]// Telecommunication Technologies 2008 and 2008， Malaysia Conference on Photonics. Nctt-Mcp 2008. National Conference on. IEEE， 2009：64-70.

[2] 朱耀麟，安然，柯熙政.降雨對無線激光通信的影響[J].光學學報，2012，32（12）：72-76.

[3] 邵錚錚，張里荃，常勝利.非視線光傳輸模型的研究狀況[A].全國光電技術學術交流會會議[C].2006.