光在雾霾天气中的传输特性

王镇东

摘 要：雨雪雾霾等各种极端恶劣天气是制约无线激光通信发展的重要因素，近几年来雾霾天气多发，其对激光大气传输有很大的影响。本文主要研究了在内陆地区雾霾对0.53μm激光信号衰减的影响.首先根据Mie理论精确计算出霾对激光信号的衰减系数，然后与经验公式进行比较。并对其进行MATLAB仿真，通过分析比较得出激光在雾霾天气中传输衰减系数和雾霾天气能见度的关系。

关键词：激光;雾霾;Mie理论;Matlab仿真

1引言

如今激光技术发展迅速，其在各个领域都有广泛的应用。当激光通过大气传输时，由于大气中存在着各种微粒，如烟雾、灰尘等，以及刮风、降雨等特殊气象变化，使一部分光的能量被吸收转变成其它形式的能量（比如热能）;另一部分能量则被散射偏离原来的传输方向。总而言之光的传输在吸收和散射二者的共同作下受到衰减作用，这就是大气衰减。而在大气衰减中气溶胶——霾的影响尤为重要。

近几年来雾霾天气多发。在2013年期间，“雾霾”一词一度成为家喻户晓的关键词。在这一年的1月，全国发生了数次大面积雾霾过程，笼罩了全国30个多省。在北京，仅仅有5天不是雾霾天气。据相关机构报告显示称，在2011年间中国最大的500个城市中，只有不到百分之一的大城市达到了2011年世界卫生组织所推荐的空气质量标准。（世界卫生组织设定的PM2.5的年和日平均浓度限值分别为35μg/m3和75μg/m3。）并且，在全世界公认的污染最严重的10个城市中，有7个便是在中国。如今，雾霾天气已经深入渗透到我们日常生活的每一个角落之中，因此有必要展开雾霾对人类的生活的影响的研究。

2 雾霾概述

2.1雾霾的含义

雾霾，顾名思义指的是雾和霾。但是雾和霾的区别是很大的。空气中的灰尘、硝酸、硫酸等颗粒物组成的气溶胶系统所造成视觉上的障碍的叫霾。霾的产生方式多种多样，空气中的灰尘、硫酸、有机碳氢化合物等微小粒子都能使大气变混浊。随着城市人口的密集程度增长和石化工业的大量发展，汽车等机动车辆猛增，二氧化硫、二氧化碳等污染物排放和固体颗粒污染物大量地增加，导致了雾霾的产成。此外大气中悬浮粒子的来源也还有很多，如火山的爆发，一些植物的分泌物，海水表面裂化等等，甚至还有从宇宙中来的天外来客——宇宙尘埃。当它们对大气能见度造成一定影响时都可以称它们为霾。

而雾是由悬浮于大气之中的大量小水滴或微小冰晶组成的气溶胶系统。大多出现在秋冬季节，大气中水蒸气凝华或凝结的产物。雾的存在会降低大气透明度，使能见度恶化，当目标物的水平能见度降低到1000m以内，就将悬浮于近地面空气中的水蒸汽凝华或凝结的天气现象称之为雾。

雾霾天气是一种大气的污染状态，日常所说的雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的一种概括的表述。其中PM2.5（指的是大气中直径小于或等于2.5μm的颗粒物，也称可入肺颗粒物）被认作是造成雾霾天气的重要原因之一。如今随着工业化发展，空气质量逐步恶化，雾霾天气现象出现频率越来越高，导致的危害也越来越严重。目前，中国有不少地区已经把雾霾天气并入雾一起作为灾害性天气。

2.2组成成分

霾的成分主要是空气中的尘埃、硝酸、硫酸、有机碳氢化合物等微粒。它们能使大气浑浊，视野模糊并且导致能见度的降低，如果水平能见度小于10000m，我们就将这种非水成物组成的气溶胶系统所引起的视觉上的障碍称为霾。

2.3霾粒子的特性

霾中氮氧化物、二氧化硫和微小颗粒物这三项与空气中的水蒸气结合在一起，让天空变得阴沉灰暗。

霾粒子的分布较为均匀，并且霾粒子的尺度通常较小，平均直径大概在1-2μm左右，凭借肉眼我们是看不到这种空中悬浮的微小颗粒物的。由于来源广泛，霾的粒径分布也很宽。一般在0.001μm到10μm，其中直径小于0.2μm的微粒又称为爱根核。当粒径大于0.2μm时，通常运用幂次方分布来描述微粒粒径的分布。

3 光在气溶胶——霾中的衰减

3.1.比尔朗伯定律

在上述预测公式中仅仅反映了大气衰减随大气能见度和光波波长变化的关系，没有反映大气中的微小粒子尺度分布、大气环境、粒子的成分的变化从而引起折射率的变化等等因素。而这些参数的精确测量则会直接影响计算结果的精度。基于Mie 散射理论计算时则考虑了这些因素的影响。

5仿真分析

本文采用MATLAB仿真模拟光在雾霾天气中的传播衰减，MATLAB是一款甚为流行的科学计算软件，有数字化的演算草稿纸的美称，其特点是语言简单，函数库丰富，图形化功能强，不需要更多的计算机基础，就可以轻松上手的一款简单，便捷的实用软件。[7]

下面对陆地上空大气中霾引起的波长为0.53μm激光的衰减进行计算分析。对于霾引起的激光衰减的计算，首先应当从预测大气衰减经验模型公式（15）入手;然后再考虑大气的环境和位于大气之中微小霾粒子的分布函数。根据Mie理论（4）式和微小霾粒子的分布函数（10）式分别计算，得到波长0.53μm的激光在雾霾天气中衰减系数随能见度的关系。如下图所示。

雾霾天气下0.53μm激光的衰减系数随Vb的关系

从图中结果可以得出，运用经验模型计算的结果和运用Mie理论计算得出的结果大致相同。当能见度大于15km时，能见度的增减对衰减系数的影响很小：当小于5km时，能见度的增减对衰减系数影响较大。基本呈现反比例关系。证明了计算方法的合理性。但运用Mie理论计算出的结果略大于实际经验模型计算的结果。

6误差分析与改进

一个物理模型的建立必然有它的局限性。科学计算中误差也是不可避免的，但对于多数情况而言，一定的范围内的误差是允许的。该模型依旧有其实用性。

6.1本模型误差来源

（1）本模型在构建的过程中，各项参数均存在一定的误差。[8]

（2）对于单散射近似，尽管做了独立散射的假设，但各散射光之间的干涉效应仍然是可能的，只是他们之间没有系统的相位关系。从平均意义上讲，可以不必计较其相位，而将它们的散射强度直接相加。然而从严格的意义上讲，这是不确切的。

（3）光波在传播过程中受到粒子的散射作用，其散射光又会遇到其他粒子，产生第二次散射光，这个过程还会重复多次，产生更高阶的散射光。虽然各次散射光越来越弱，但它们都会对观察点光强做出贡献。如果忽略，则会引起一定误差。

6.2本模型的改进

（1）实地测量本模型所用参数，以修正本实验观测误差。

（2）对于各散射光的干涉效应，可以用随机过程理论来描述它们的影响。[11]

（3）对于二次散射的问题，可以考虑多次散射理论。即在观察点之前的粒子，其散射能量除了前向散射直接加入的照射光束外，向其他地方辐射的散射能量有一部分通过后来多次散射重新到达观察点。

7结束语

通过以上的研究和介绍，初步了解激光在气溶胶——霾中传播的衰减问题，从而为以后进一步发现激光大气传输问题做出一定贡献。如今激光技术飞速发展，尤其是近地面激光通信逐渐成为热点，但从光传播的角度看，大气是极不稳定的，它的温度，压力，密度，水汽含量等都在不停地变化和运动状态。其中各种风霜雨雪雾霾等极端天气，是制约大气通信的一个重要因素。如果了解这项机理，我们就可以灵活的把光通信用于更广泛的领域（比如激光雷达的设备应用就与激光大气传输有重要的联系）。此外，在工业信息科学和军事上也都有重要意义。我们期待着无线光通信技術在更多领域给我们带来更多的惊喜！

参考文献：

[1]吴健，杨春平，刘建斌.大气中的光传输理论[M].北京：北京邮电大学出版社，2005，32-35.

[2]李娣，陈辉.激光大气传输的雨雾衰减特性研究[J].电子设计工程，2011，（19）9;3-5.

[3]杨瑞科，马春林，韩香娥，苏振玲，鉴佃军.激光在大气中的传输特性研究[J].红外与激光工程，2007，（36）3;416-418.