紫外光大气传输特性的模拟研究

张里荃

（吉林大学农学部公共教学中心，长春 130062）

0 引 言

日盲区紫外光的自然特性使在低层大气中的人造日盲区紫外光辐射具有干净的背景，因此，在国防和工业中，非视线紫外光通信得到广泛的应用[1-3]。非视线紫外光通信技术是利用大气粒子对紫外光信号的剧烈散射实现的[4，5]，同时，紫外光信号在传输过程中，受到大气的强烈吸收作用，而吸收和散射致使光信号快速的弥散和畸变，影响了紫外通信系统的整体性能[6-10]，因此，需要对紫外光在大气中的传输特性进行模拟分析。为此，笔者通过紫外光大气传输的模型，模拟分析了紫外光在不同天气条件下的传输特性。对紫外光光学系统和信号处理系统进行参数设计、光学探测和信号处理上消除相应的影响、实现高精度和高灵敏度的紫外信号处理工作提供了一定的参考。

1 紫外光大气传输模型

紫外光大气传输系统由大气介质、发射探测系统以及边界组成（见图1）。大气介质是地面附近或低空大气;边界认定为障碍物、地面等，并假设边界完全吸收入射的辐射。

应用紫外光大气传输模型[11]，通过Monte Carlo方法模拟计算，将系统参数代入模型中，通过编程可得到系统的脉冲响应函数。脉冲响应函数是研究信号传输特性的基本函数，运用该函数可以对紫外光信号的非视线传输特性进行深入分析。

图1 紫外光大气传输示意图Fig.1 Geometry of NLOS UV propagation model

2 模拟计算及结果讨论

模拟计算的程序流程图如图2所示。

图2 模拟计算的流程图Fig.2 Flowchart of propagation

2.1 单脉冲信号的传输特性

模拟光源发射1 J的无限窄脉冲，选取的参数如表1所示。

表1 系统与大气参数Tab.1 System and atmospheric parameters

图3为单脉冲信号响应函数，可以看出，大气对紫外光信号具有强烈的脉冲展宽和延迟效应，脉冲展宽和脉冲延迟具有相同的数量级，分别为0.95 μs和1.825 μs。脉冲展宽效应是限制信号传输速率的主要因素之一，它决定了非视线光通信系统只能是低速率信号传输系统。

通过进一步的模拟，这里不考虑障碍物的高度，随着探测距离的增加（模拟探测距离由0.5～1 km变化）脉冲展宽和脉冲延迟效应更加明显，增加了约1.3倍;能量的峰值随传输距离的增加而以近似指数形式衰减（见图4）。而脉冲展宽和延迟随气象视距变化不很明显（见图5）。图6为单脉冲信号的能量随着距离变化的曲线图。

图3 脉冲响应函数Fig.3 Impulse response function

图4 脉冲响应函数与传输距离的关系Fig.4 Relationship between pulse response function and the transmission distance

图5 脉冲相应函数与气象视距的关系Fig.5 Relationship between pulse response function and the meteorological range

图6中，模拟光源发射功率为1 W，可以看出，探测器能量随距离增加强烈衰减，传输距离由0.1 km到1 km的过程中大约衰减了100倍。

图6 能量随距离的衰减Fig.6 Energy decays with distance

2.2 不同天气条件的紫外光信号的传输特性

2.2.1 不同天气状况下的传输特性

表2 系统参数Tab.2 System parameters

图7为晴、阴、雨、雾天气情况下的脉冲响应函数的对比图。从图7a可以看出，晴天和阴天对接收能量的展宽效应差别不大，晴天的脉冲展宽比阴天的略微大些。从表3中可以看出，阴天的散射系数和吸收系数都比晴天时大，所以在相同的传输距离脉冲展宽小;雾天和雨天的散射系数明显增大，导致脉冲展宽进一步减小，对能量衰减影响更明显，尤其降雨对能量的衰减更大，展宽更小，比晴天展宽约小了5.6倍（见图7b）。

下面进一步分析不同降雨量的影响。

图7 不同天气状况的影响Fig.7 Effect of different weather conditions

表3 Modtran模拟得到的参数Tab.3 Parameters form Modtran

图8为不同降雨量的能量随距离的衰减图，表4是不同降雨量对应的散射系数和吸收系数以及能量值。可以看出降雨量对能量衰减影响较大，随着雨量的增加，散射系数和吸收系数都增大，因此雨滴对光信号能量的衰减更快。

表4 不同降雨量对应的参数Tab.4 Parameters of different rainfall

2.2.2 不同气象视距下的传输特性

如图9所示，在同一气象视距，探测器的能量随距离增加呈指数衰减;在传输距离小于0.3 km时，探测能量随着气象视距增加而减小，但总体变化不大;传输距离大于0.3 km时，在相同传输距离的情况下，探测器的能量在气象视距由2 km变化到4 km时上升很快，在6 km附近最大，之后变化较平缓。

表5为不同能见度下的散射系数和吸收系数，随着气象视距的减小，大气中气溶胶的含量增多，导致气溶胶的散射系数和吸收系数也增大，气溶胶带来的总衰减就增大。所以在气象视距很小的情况下，能量衰减很快，但在探测距离很近时，强散射又增强非视线的散射能量，因此近距离探测时，气象视距的影响并不大。

图8 不同降雨量的能量随距离衰减（分别对应小雨、大雨、暴雨）Fig.8 Energy decays with different rainfall

图9 探测信号的强度与气象视距和传输距离变化的关系Fig.9 Relationship among detection of signal intensity and meteorological rangeand propagation distance

表5 不同能见度下的吸收系数和散射系数Tab.5 Under different visibility of the scattering coefficient and absorption coefficient

3 结 语

笔者基于Monte Carlo方法模拟研究了紫外光信号在不同天气情况和不同气象视距下的大气传输特性。通过模拟结果可以看出，单脉冲信号在0.5～1 km范围内，随着距离的增加，脉冲展宽和脉冲延迟效应更加明显，增加了约1.5倍，但随气象视距变化不很明显，仅有不到两倍的差别;在不同天气条件下，雾天和雨天对传输信号的能量有明显的衰减，尤其降雨对能量的衰减更大，展宽更小，比晴天展宽约小了5.6倍;对于较近的探测距离，气象视距的影响不大。

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