1.54μm激光大气传输特性仿真计算研究＊

赵少卿，张 雏，周 冰，陈 欣，陈 烁

（1.军械工程学院 电子与光学工程系，河北 石家庄 050003；2.中国人民解放军73906部队，江苏 南京 210028；3.中国人民解放军72465部队，山东 济南 250022）

引 言

激光测距技术是军事上应用较早、较成熟的一项技术。脉冲激光测距机由于其操作方便、可靠性高等优点，广泛地应用于侦察、中近程目标的精确打击等方面，在现代军事行动中发挥了巨大的作用。目前，测距激光的波长主要有1.06μm、1.54μm、1.57μm、10.6μm等［1］。

脉冲激光测距机的基本工作原理为：测距机的激光器向目标发射一束激光脉冲，接收系统通过目标的漫反射得到回波信号，经过处理可得发射与接收信号的时间差，再结合光速进行计算，从而得到测距机与目标之间的距离。从中可以看出，任何种类的激光测距机都要依靠激光在目标与接收系统之间的大气介质中的传输来发挥作用，而激光在大气中的传输过程中，会受到各种衰减［2］，严重时可能会对测距机的正常使用造成影响。

近年来，1.54μm波长激光由于其处于人眼安全波段、大气穿透能力强等特点而受到广泛的重视［3］。因此，本文以1.54μm的激光为例，对其大气传输特性进行仿真计算，以期能够为1.54μm激光测距机的使用提供技术支持。

1 Modtran模型

仿真计算所用到的软件为Modtran，是由美国空军菲利普实验室经过25年的研究开发出的大气辐射传输软件，具有很宽的电磁波频谱范围（0.2μm～∞，0～50 000cm－1），光谱分辨率达到了2cm－1，可计算多种天气条件下的辐射传输量［4－5］。

软件计算的基本依据为辐射传输方程：

其中I（l）辐射强度，l为传输路径，k为传输介质的衰减系数，J（l）为热辐射的源函数，可表示为：

其中ω（l）为单次散射的反照率，B（l）为普朗克函数。

式（1）中的一个关键参数为衰减系数k，由两部分构成，即吸收系数ka和散射系数ks：

对于吸收系数ka，Modtran中建立了频谱范围很宽的大气吸收光谱的数据库，根据光波的波长以及传播路径即可计算出多种气体对光波的吸收系数；对于散射系数ks，Modtran中包含了大量不同的大气模型和气溶胶模型，根据模型中各粒子的分布规律，通过瑞利散射理论以及米式散射理论，即可计算出散射系数，进而可得到光波的辐射传输规律［6］。

使用福林酚法绘制没食子酸标准曲线。取0.1 mL样液于 10 mL具塞比色管中，分别加入 1 mL Folim-ciocalfen于比色管中，充分震荡3～4 min，再分别加入1 mL 10%的NaCO3溶液，充分摇匀，用蒸馏水定容至5 mL，25 ℃恒温1 h，在765 nm波长下测吸光值。在相同条件下测定不同质量浓度的没食子酸吸光度，绘制标准曲线，得到回归方程为：y=184.28x+0.0277，R2=0.999。结果以没食子酸当量表示(mg没食子酸/g干重)[11]。

本文依托于Modtran大气辐射传输软件，设定各种环境条件来对1.54μm激光的大气传输特性进行仿真计算，分析各种大气环境对于激光透过率的影响。

2 大气对1.54μm激光传输的影响

2.1 气体分子的影响

大气中含有多种类型的气体分子，如O2、N2、CO2、O3等，激光在大气中传输时，就会受到其中某些气体分子的吸收和散射作用。本文选择Modtran自带的6种标准大气模型分别计算1.54μm激光的大气透过率，设定传输距离为10km，不考虑气溶胶以及云、雨等其它因素的影响，通过计算可得1.54μm激光的大气透过率如表1所示。

表1 6种模型下1.54μm激光在大气中的透过率Tab.1 Atmospheric transmittance of 1.54μm laser in 6models

从表1可以看出，气体分子对于1.54μm激光的衰减作用非常小，各种模型下1.54μm激光的大气透过率均在98%以上，因而，气体分子对于1.54μm激光的衰减作用可忽略不计。

2.2 气溶胶粒子的影响

气溶胶是在大气中一些悬浮的、稳定的分子团、液态或者固态的微粒，其直径大约为0.001～100μm之间，例如尘埃、灰尘、花粉、微生物，以及云雾、冰晶和雨雪等粒子［7］。通过计算得到，大气中的气溶胶对于1.54μm激光的传输有着较大影响。

2.2.1 不同类型气溶胶的影响

从图1中可以看出，在其它因素相同的条件下，不同气溶胶类型对于1.54μm激光传输的影响不尽相同。其中，乡村环境下透过率达到38.63%，为最高；其次是城市环境下32.43%；海洋环境下透过率最低，只有6.7%。分析其原因，1.54μm激光的波长与气溶胶尺寸接近，因而散射较强。城市中空气污染相对乡村较为严重，一些粉尘的含量较高，因而透过率较乡村稍低；而海上空气的湿度非常大，水汽含量高，这些粒子团对于1.54μm激光的散射更强，因而衰减严重。

2.2.2 能见度的影响

一般情况下，常根据大气的能见度来估计空气中气溶胶浓度的含量，能见度越差，则空气中所含的气溶胶粒子的浓度越高，对激光的衰减作用也就越强，下面就来计算分析能见度对于1.54μm激光大气传输特性的影响。

计算选取中纬度夏季的大气模型，气溶胶类型乡村模型，海拔0.2km，传输路径为水平，传输距离10km，能见度设定为3～23km，每隔1km计算一次，计算结果如图2所示。

图1 1.54μm激光在不同气溶胶类型中的大气透过率Fig.1 Transmittance of 1.54μm laser in different aerosol models

图2 能见度对1.54μm大气透过率的影响Fig.2 Impact of visibility on 1.54μm laser transmittance

由图2可以看出，随着能见度的提高，1.54μm激光的大气透过率有着明显的增强，其中，在能见度小于传输距离的情况下，即能见度在3～10km时，透过率提高了34.80%，而在能见度大于传输距离的情况下，即能见度在10～23km时，透过率提高了28.06%。可见，在能见度小于传输距离时，能见度对于1.54μm激光透过率的影响要大于能见度大于传输距离时。因而，能见度的变化是在使用1.54μm激光测距机时所要考虑的一个重要因素。

2.2.3 雾的影响

雾是一种常见的天气现象，是由于空气中的水汽凝结成细微的水滴悬浮在空中，使地面水平能见度下降的一种现象。雾的种类有多种多样，Modtran中提供了两种雾的模型，平流雾模型和辐射雾模型。暖而湿的空气经过寒冷的地面逐渐冷却而形成的雾称为平流雾；在日落后，地面的热量散发冷却后冷凝了附近的空气而形成了众多悬浮于空气中的小水点，这便是辐射雾。

选取Modtran自带的两种雾的模型进行计算，传输路径选取水平，海拔0.2km，能见度1km，计算结果如图3所示。由图3可以看出，雾天对1.54μm激光的传输影响非常明显，能见度为1km的条件下，400m传输距离的透过率也不超过20%，且随着传输距离的增加，透过率迅速降低，在传输距离为1km时透过率已经降到不足2%。1.54μm激光在平流雾中的传输能力略强于在辐射雾中，但极其有限，不超过2%。因而，大雾天气对1.54μm激光测距机的使用会有很大的限制，应尽量避免在大雾天气下的使用。

3 降雨的影响

雨滴相对于气溶胶粒子其尺寸更大，其粒子之间的间隙更大，但是由于雨滴的分布规律和降落速度，同样会对激光传输造成影响。通常以降水强度，即单位时间内的降水量来衡量降雨的大小。

首先，只考虑降雨的影响，不考虑气溶胶，计算选取小雨（1.25mm／h）、中雨（5.3mm／h）和大雨（12mm／h）的情况，中纬度夏季的大气模型，传输路径为水平，海拔0.2km，传输距离分别为1km、2km和3km，计算结果如图4（a）所示。

图3 雾对1.54μm激光大气透过率的影响Fig.3 Impact of fog on 1.54μm laser transmittance

图4 雨对1.54μm激光大气透过率的影响Fig.4 Impact of rain on 1.54μm laser transmittance

实际情况下，必须考虑气溶胶粒子的存在，因而，计算加入气溶胶模型，以评估降水和气溶胶共同的作用。计算选取条件与图4（a）中一致，加入能见度为5km的乡村气溶胶模型，得到如图4（b）的结果。

从图4（a）中可以看出，在只考虑降雨影响，不考虑气溶胶影响的情况下，随着降水强度的增强，1.54μm激光的大气透过率显著下降。由于粒子本身的性质及空间的分布规律有所差异，因而与雾相比，降雨对1.54μm激光传输的影响较低，但在降水强度较大和较远距离传输时，降雨的衰减已经非常严重。

由图4（b）得出，考虑气溶胶后1.54μm激光在雨中的透过率有一定的下降，但并不明显，透过率的整体变化规律基本没有改变。可见，在所设定的条件下，降雨对1.54μm激光传输的影响远远超过了气溶胶粒子的影响。

由图4（a）和图4（b）可得出，降雨对1.54μm激光传输的影响虽不及雾，但在传输距离3km的情况下，即使是小雨透过率也很低，大雨情况下更是不足1%。因而雨天同样会对1.54μm激光测距机的使用带来很大的影响。

4 结 论

利用Modtran大气辐射传输软件计算了1.54μm激光在不同天气条件下的大气透过率，分析了包括大气分子、气溶胶以及雨对1.54μm激光传输的影响，计算表明：大气分子对于1.54μm激光传输的影响非常小，可以忽略不计；气溶胶粒子的影响较为明显，且不同类型的气溶胶的影响程度也差别很大，在湿度较大的海洋类型中，其透过率相比于乡村和城市类型也有较大幅度的下降；能见度是影响1.54μm激光大气透过率的一个重要因素，衰减随着能见度的降低而显著增强，且在传输距离小于能见度的条件下可以降低衰减；雾天条件下1.54μm激光的衰减最为严重，传输的距离基本超不过1km；雨天对1.54μm激光的传输也有较大的影响，且随着降水强度的增强其衰减能力显著增强，大雨时激光基本已经很难通过，且雨对1.54μm激光传输的影响要超过气溶胶的影响。

［1］王古常，孙 斌，万 强，等.军用脉冲激光测距技术与研究现状［J］.光学与光电技术，2003，1（4）：55－59.

［2］李晓明，华文深，吴先权.紫外光通信大气传输特性及理论模型探讨［J］.光学仪器，2011，33（3）：90－94.

［3］卢常勇，王小兵，郭延龙，等.1.5xμm波长人眼安全的军用激光测距机及其进展［J］.激光与光电子学进展，2005，42（3）：32－35.

［4］王 充，汪卫华.红外辐射大气透过率研究综述［J］.装备环境工程，2011，8（4）：73－76.

［5］刘伟超，齐琳琳，何宏让，等.1.06μm激光大气透过特性的数值计算研究［J］.激光与红外，2011，41（5）：520－524.

［6］桑振夏，李钟敏，杨晓杰.大气衰减对LRCS测量精度的影响研究［J］.光学仪器，2011，33（1）：6－9.

［6］徐延峰，陈 辉，张志军.大气气溶胶尺度分布分形特征研究［J］.气象与环境学报，2012，28（3）：8－14.

［7］韩俊峰.非致命激光武器大气传输技术研究［D］.长春：长春理工大学：2009：12－13.