激光在雾中传输的散射衰减分析

杨雪等

摘 要：激光在雾中传输会造成能量衰减，这是激光被雾滴粒子散射、吸收的结果；这样一来，激光探测系统工作在雾天气时，其准确性将受到影响。在Mie散射理论基础上，以gamma分布作为雾滴谱，建立532nm激光在雾中的传输衰减模型，理论推导计算不同能见度的雾条件下激光透过率随传输距离的变化。

关键词：激光 雾滴粒子 Mie散射理论 衰减模型

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0061-01

激光在大气中传输时，能量会不断的衰减，不同浓度的雾天造成激光衰减的程度不同。当雾浓度较小时，激光在雾中的多重散射可以忽略，近似看做单次散射。由于能见度较低的浓雾对可见光的吸收散射作用强烈，在短距离内使得可见光的透过率迅速降至零，故该文只讨论人肉眼察觉不明显的轻雾天气对532nm可见光的衰减作用，为轻雾天气下，可见光在激光探测系统中的应用提供理论依据。

1 雾的尺度分布及经验公式

雾滴的尺度分布大多数采用的是Gamma分布。

（2.1）

该式体现了半径为r的雾滴在单位范围内的数目。

（2.2）

（2.3）

上式中W为雾含水量，单位g/m3；V是能见度，单位km。

2 激光在雾中的散射理论

在Mie散射理论中，为方便计算，引入无量纲尺度参数k=2r/，这里为光波波长，单位，r为粒子半径，单位。在计算微粒衰减时，Mie散射理论公式主要是对吸收效率因子、散射效率因子和衰减效率因子三个参数的计算。三者关系如下：

（3.1）

相应截面与效率因子关系为：

（3.2）

（3.3）

（3.4）

3 激光在雾中传输时的散射衰减计算

根据朗伯-比尔指数衰减定律，激光通过介质前后的光功率关系如下：

（4.1）

式中，T为透过率，为探测器接收功率，为激光器发射功率，L为传输距离，是衰减系数，量纲为，表示每单位路径长度的数。

分别取能见度为V=700m、V=300m、V=100m、V=20m为四种不同典型雾条件，对透过率在一定传输距离上进行计算，得到不同能见度的雾条件下透过率T随距离的变化，如图1。

图1为532nm激光光束在1km的传输距离内，不同能见度的雾条件下透过率的数值曲线。从图中可以看出，激光透过率与雾的能见度成正比关系，与传输距离均成反比关系。能见度的降低导致激光的散射衰减增大，使同等传输距离下激光透过率降低。在一定透过率要求下，激光探测系统在不同能见度的雾中的适用探测距离不同。

4 结语

该文以Mie散射光学理论为基础，Gamma分布为雾滴谱模型，不同传输距离下的透过率为研究对象，建立532nm激光波束在雾中的传输衰减模型，分析计算激光在不同能见度的雾条件下的衰减特性。研究表明，532nm激光在雾中传输时，散射系数与总的衰减系数近似相等；在同一传输距离下，激光透过率随能见度的增大而增大；相同能见度条件下，激光透过率随传输距离的增大而减小。可以由公式推导得到一定透过率要求下，激光探测系统在不同能见度的雾中的适用探测距离，对实际试验中，发射系统功率与接收系统精度要求有重要参考意义，利于激光探测系统参数的选取。对激光探测系统在雾天气条件下的应用提供了一定的理论基础。

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