降雨对近海面1.55μm激光传播衰减特性研究①

万梓傲 陈苗 肖云 费礼

摘   要：自由空间光通信已经成为一种可应用于海洋岛屿之间的可行的、高宽带的无线通信方式。由于海洋上空天气复杂，因此激光在近海面大气中的光功率衰减是难以预测的。本文针对海洋上空的降雨气溶胶进行理论建模，分析了1.55μm激光在不同降雨率条件下的衰减特性，将仿真结果与国际主流商业软件Modtran进行比对，比对结果误差小于3%，验证了建模的准确性，为自由空间光通信发射端功率自适应调整奠定了理论基础。

关键词：光通信  气溶胶  Modtran

中图分类号：TN929.12                            文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0119-02

激光信号在近海面大气信道中传输时，会受到海洋表面各种气溶胶的散射和吸收作用造成能量衰减。目前，由于激光技术的成熟，近海面自由空间光通信成为解决海洋岛屿之间无法有效通信的一种可行技术。本文针对近海面上空的降雨气溶胶进行分析，研究了其对1.55μm激光的衰减特性。

1  降雨对激光衰减建模

一般认为，雨滴的直径在300μm～6mm之间变化[1]，其对激光的复折射率等于雾滴气溶胶。通过计算，1.55μm激光在雨中传播的尺度参数在200以上，适用于几何散射情况。Marshall和Paliner根据所测数据提出了一种和实际雨滴尺寸分布相符较好的粒子谱分布，其表达式为[2]：

（1）

其中，R为降雨率（mm/h），，D为雨滴等效直径（mm）。

图1为效率因子随雨气溶胶尺度参数变化曲线。随着尺度参数的增加，雨气溶胶对1.55μm激光的衰减效率因子基本趋于2，散射效率因子近似线性减小，并趋于1.7，吸收效率因子近似线性增大并趋于0.3，不对称因子趋于0.9，后向散射系数效率因子和后向散射效率比重/在极大值和极小值之间来回振荡，但振荡幅度逐渐减弱。

基于MP尺度分布下的不同降雨率对应的衰减系数如图2（a）所示。随着降雨率的增加，衰减系数迅速增加。降雨率为10mm/h的小雨环境时，衰减系数为1.556km-1;降雨率为50mm/h的中雨环境时，衰减系数增加为4.288km-1;降雨率为100mm/h的暴雨环境时，衰减系数达到6.636km-1。图2（b）为不同降雨率条件下，透过率T随传播距离的变化曲线。降雨率一定时，随着传输距离增加，大气透过率迅速减小，当传输距离为1km时，降雨率10mm/h、50mm/h和100mm/h對应的透过率分别为21.1%、1.30%和0.021%。

选取Modtran进行对比验证[3]，大气模型选为1976年美国大气标准模型，气溶胶类型选择气体自由云，分别选取毛毛雨（2mm/h）、中雨（12.5mm/h）、大雨（25.0mm/h）和暴雨（75.0mm/h）气象条件，最大传输距离选为1km，并每隔100m进行取值，结果和本文计算方法进行比对如图3所示。结果显示，采用几何散射计算的结果和Modtran结果基本一致，小于3%，验证了方法的可靠性。

2  结语

几何散射是分析大尺度气溶胶例如降雨的理论方法。本文构建了近海面雨的衰减模型，得出的主要结论为在雨气溶胶尺度范围内，衰减因子基本等于2。通过对比，采用MP粒子谱分布计算的降雨衰减模型和Modtran基本一样。

参考文献

[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.降雨对无线激光通信的影响[J].光学学报，2012，32（12）：72-76.

[3] 邵铮铮，张里荃，常胜利.非视线光传输模型的研究状况[A].全国光电技术学术交流会会议[C].2006.