532nm激光在雨中的传输特性研究

王治晶　单宁　侯学华

摘 要：降雨会对激光光束产生严重衰减，使得激光到达作用目标时的能量不足以致盲。关于激光在雨中的衰减特性已经在红外波段进行了深入的研究，但是在可见光范围的波段研究还比较缺乏。本文基于米式散射理论，研究532nm绿激光光束在降雨条件的衰减模型，分析其在不同降雨条件下的传输特性，并通过实验验证分析其正确性。通过理论分析与实验结果的对比得到：532nm绿激光在小雨中的衰减大于大雨天气，这样的结果表明在小雨天气中雨滴数目大于大雨天气，激光粒子多重散射效应在小雨中更为明显。这为建立532nm绿激光不同降雨类型下的修正模型提供了理论和现实依据。

关键词：降雨；激光衰减；米式散射

激光具有相干性好、亮度高、能量集中的特性[1]，越来越受到科学家们的广泛关注，尤其是在军事领域和医学领域。目前，激光在军事上的应用主要有：激光致盲、激光制导以及激光通信；但是，激光在不同环境下都会有一定的衰减，会造成任务的失败。激光在近地大气条件下的传输主要受降雨、雾、霾以及空气中的气溶胶粒子的吸收和散射作用的影响，导致系统性能下降。关于红外波段激光近地大气条件下的传输特性已有大量研究，而在可见光波段研究较为缺乏。在非致命激光致盲多采用的是532nm绿激光作为激励源，所以，研究532nm绿激光在降雨条件下的衰减特性可以为非致命激光致盲武器的改进提供一定的理论依据。降雨是一种普遍的自然现象，激光光束在雨中传输过程极其复杂，包括雨滴对激光光束的吸收、散射和折射现象。但是对于532nm激光光束，雨滴对激光传输的影响主要是散射作用，这个作用是根据雨滴谱的分布来确定的，所以本文主要采用Weibull分布作为雨滴谱分布来分析研究532nm激光在降雨條件中的衰减特性。

1 激光降雨衰减模型

文献[2]中得到入射光强I0=0.05W波长为532nm的激光的散射光强如图1所示：

雨滴对于激光的散射作用可以分为前向散射、后向散射和侧向散射，这主要是根据散射角的不同来划分的，波长为532nm激光在雨中传输时主要受到前向和后向散射，且统一波长下雨滴粒子半径越大，侧向散射光强越小；而对于前向和后向散射的集中度来说，半径为1mm的雨滴粒子强于半径为5μm的雨滴粒子。

2 雨滴尺寸分布函数

雨滴尺寸分布函数是研究激光降雨条件下衰减特性的重要参数，雨滴尺寸分布也叫做雨滴谱，指的就是在单位空间体积内，直径在D～D+Δd内的雨滴数，就是单位体积内雨滴大小的分布。目前，比较常用的包括Laws-Parsons分布、Marshall-Palmer分布、Gamma分布和Weibull分布，本文采用Weibull分布进行分析。

从图中我们可以得到随着雨滴尺寸的增加，不同降雨强度的情况下雨滴数目的分布情况。我们看到整体的分布趋势是先增加而后逐渐减小的。在降雨过程中小雨滴的粒子数总是多于大尺寸雨滴数，总体来看，雨滴尺寸大多分布在0.5mm左右，只有当降雨强度达到100mm/h以上，雨滴直径大于1mm的雨滴数才有所增加。并且，雨滴粒子在总体数目上是持平的，雨滴尺寸在1mm～6mm范围内，随着降雨强度的增大，大雨滴数量的增多，雨滴尺寸分布趋势趋于平缓。

3 532nm绿激光雨中衰减数值仿真

激光在雨中的衰减特性还与衰减效率因子Qe有关，532nm激光在雨中传输的复折射率为 ，其衰减效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR是一个关于n的项级数，由于计算工作复杂，一般情况下取级数n=600以得到衰减效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR与尺度参数的关系。通过计算机仿真得到衰减效率因子Qe、散射效率因子Qs以及吸收效率因子QR与尺度参数的关系图为图4：

4 结语

本文利用Mie散射理论研究了532nm绿激光在雨中的传输特性，并以Weibull分布作为雨滴谱分布仿真得到了雨滴尺度分布图，最后通过分析计算得到衰减系数与降雨率的关系，从结果来看：在同一降雨强度条件下，小雨天气激光衰减系数大于其他降雨天气；而在同一天气条件下，降雨强度越大激光衰减特性越明显。文中利用Matlab对激光衰减做了数值仿真，得到了532nm激光雨中衰减系数与降雨强度的关系曲线，为今后建立修正模型提供了可靠依据。

参考文献：

[1]郭三学，王方等.反恐防暴新概念武器[M]，西安：西安电子科技大学出版社.2014.

[2]降雨对532nm和1064nm激光传输的衰减特性研究[J]，郭婧，光学学报.2011.1.

[3]基于非球形雨滴的降雨对激光传输衰减的影响[J]，刘西川，红外与激光工程.2013.1.

[4]吴健，杨春平，刘建斌等.大气中的光传输理论[M]，北京：北京邮电大学出版社.2005：4-5.