馬冬冬 劉宗福 金 虎/中國(guó)人民解放軍92785部隊(duì)
人們當(dāng)前所掌握的通信手段主要有無(wú)線電通信、微波通信、有線通信和光纖通信等幾種,這些通信手段在軍事通信聯(lián)絡(luò)中起到了重要的作用,同時(shí)也存在一些不足。而光無(wú)線通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn),既具有通信容量大,又不需要鋪設(shè)光纖。它以光束作為信息載體,是不需要任何有線傳輸媒介的通信方式,可用于空間及地面通信,其傳輸特點(diǎn)是光束以直線傳播。作為對(duì)微波通信的革命,光無(wú)線通信系統(tǒng)得到人們的普遍重視,紫外光通信是一種新的無(wú)線光通信技術(shù),它兼光無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)之外還具有非視線傳輸?shù)哪芰?,因而得到了研究人員的青睞。但是天氣因素對(duì)無(wú)線激光通信具有不同程度的影響。霧是一種常見的自然天氣現(xiàn)象,由于霧滴的散射和吸收作用,會(huì)使光的傳輸產(chǎn)生衰減,這就限制了光通信的傳輸距離。
紫外光散射通信是通過發(fā)射“日盲區(qū)”波長(zhǎng)( 200~280 nm)的紫外光來(lái)攜帶通信信息, 以大氣為傳輸媒介, 利用紫外光在大氣中傳輸?shù)纳⑸涮匦詠?lái)進(jìn)行自由空間近程通信的一種光通信手段。作為一種新興的通信手段, 紫外光散射通信技術(shù)具有其獨(dú)特的特點(diǎn)和要求。
紫外光在大氣中傳播時(shí),具有兩個(gè)典型特征[1]。
(1)指數(shù)規(guī)律的能量衰減受到大氣中所含分子、懸浮顆粒等的吸收和散射,信號(hào)能量按指數(shù)規(guī)律衰減快,大氣瑞利散射造成的光能損失是紅外線的1000倍以上。因此,發(fā)射的“日盲區(qū)”信號(hào)可以探測(cè)的距離被限制在幾千米之內(nèi),在一定區(qū)域外根本無(wú)法進(jìn)行截獲、偵聽。
(2)極強(qiáng)的散射特性。紫外光波長(zhǎng)較短,在傳輸過程中受到大氣的散射作用很強(qiáng),可以有效地實(shí)現(xiàn)“非直視”(NLOS)通信。紫外輻射的散射特性是通信系統(tǒng)非視線工作方式的基礎(chǔ),這種工作方式克服了其他自由空間光通信系統(tǒng)必須工作在視線方式的弱點(diǎn)。
1908年,米氏應(yīng)用電磁場(chǎng)理論,求解均勻介質(zhì)中任意尺寸、任意成分的均勻球體對(duì)入射單色平面波的散射,得到了嚴(yán)格的解析解[2]。Mie散射解不僅適用于單個(gè)球體的散射,而且適用于多個(gè)球體的散射問題。只要多個(gè)球體具有相同直徑和成分且無(wú)規(guī)則分布,彼此分開的距離比入射波長(zhǎng)大得多即可。這時(shí)不同球體的散射電磁場(chǎng)無(wú)確定相位關(guān)系,總散射能量是各個(gè)球體散射能量的總和。因此,Mie理論對(duì)研究光(電磁波)在大氣、水以及云、雨、霧和氣溶膠中的傳播方面有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)Mie理論,消光系數(shù)、散射系數(shù)和吸收系數(shù)定義如下[3]:
散射系數(shù)(散射效率因子):
衰減系數(shù)(衰減效率因子):
式中 α 為顆粒尺寸參數(shù) (α = π D / λ );
an、bn稱為Mie系數(shù),可由下式計(jì)算得到:
其中:m=nr- ini為粒子相對(duì)周圍介質(zhì)折射率,當(dāng)虛部不為零時(shí),表示粒子有吸收。
研究云霧粒子散射常用的模型有,1968年Chu(朱氏)和Hogg(霍格)用修正Γ函數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)霧滴分布[3],這種模型的缺點(diǎn)是參數(shù)需要實(shí)驗(yàn)確定。另一種常用且適用性最大的是廣義gamma(伽馬 )分布如 n(r)= arαexp(-brβ),這種分布的優(yōu)點(diǎn)是用單一的能見度即可確定霧滴的尺寸分布;在這種模型下云霧尺寸分布參數(shù)與宏觀物理量之間的關(guān)系更為簡(jiǎn)潔,被廣泛采用的另一種較為簡(jiǎn)單云霧滴譜模型為,α=2,β=1時(shí)的gamma霧滴尺寸分布模型(Khragian-Mazin分布模型),即:
下文將依此模型為基礎(chǔ),導(dǎo)出云霧滴譜分布與能見度和含水量間的關(guān)系。同時(shí)由于霧的含水量和能見度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[3],能見度的單位取km,所以得到:
將 a和b代入Khragian-Mazin分布模型,同時(shí)由于霧滴尺寸通常用微米(μm)表示,得到霧滴粒子半徑以微米表示的霧滴尺寸分布:
平流霧:
輻射霧:
當(dāng)強(qiáng)度為I0的光通過距離為 的介質(zhì),根據(jù)Bougure定律[3],其強(qiáng)度為可表示為:
其中, 為單次散射近似時(shí)的衰減系數(shù):
Adarsh Deepak[4][5]等人對(duì)多次散射和前向散射的問題進(jìn)行了研究,證明在多次散射影響下,光束的前向幾度范圍內(nèi)存在一個(gè)比較大的峰值,這種前向峰值效應(yīng)使得光衰減大大降低。Adarsh Deepak和O.H.Vaughan[6]提出一個(gè)前向散射修正系數(shù) 的近似公式:
其中,α為尺度參數(shù),θ為散射角,J0(αθ)和J1(αθ)為零階和一階第一類貝塞爾函數(shù)。同時(shí),他們認(rèn)為在 r > λ 和 θ ≤ 1.5°時(shí),與精確公式相比誤差小于2%。因此,本文將其引入到霧激光傳輸衰減上,對(duì)單次散射公式進(jìn)行再次修正,修正后可考慮多次散射的影響,以便于濃霧的計(jì)算。
修正后的衰減效率因子:
對(duì)于紫外波段,由水復(fù)折射可以看出[7],粒子對(duì)光的吸收相對(duì)于散射可以完全忽略。這樣
由于衰減率通常用分貝表示,定義如下:
將(9)式帶入(13)式并取z=1 km 得:
再結(jié)合(10)(11)(14)式得到修正后的衰減計(jì)算公式:
下文是應(yīng)用新的衰減公式,對(duì)波長(zhǎng)為200 nm、225 nm、250 nm和275 nm的“日盲”紫外光在平流霧、輻射霧中衰減進(jìn)行計(jì)算與仿真(所對(duì)應(yīng)的水復(fù)折射率分別為[7]:m = 1.396-i1.1×10-7、m = 1.373- i4.9×10-8、m = 1.362- i3.35×10-8和 m = 1.354 - i2.35×10-8)。
圖1為紫外光在平流霧中衰減隨能見度的變化,通過該圖可以很清楚地看到紫外線在“日盲區(qū)”衰減的差異很小,即使在能見度很低的霧中衰減,差異不超過20 dB/km,在能見度較高的霧中差異就更小,如在能見度500 m ~ 1000 m的輕霧中衰減的差異不到1 dB/km;在同一能見度下,長(zhǎng)波長(zhǎng)衰減大于短波長(zhǎng)衰減。
圖1 紫外光在平流霧中衰減隨能見度的變化
圖2為紫外光在輻射霧中衰減隨能見度的變化,在圖示能見度范圍內(nèi),“日盲區(qū)”紫外光衰減差異同平流霧中差異相當(dāng)。但是在同一能見度下,發(fā)現(xiàn)并不是長(zhǎng)波長(zhǎng)衰減大于短波長(zhǎng)衰減,而是在250 nm處紫外光衰減最大。
圖2 紫外光在輻射霧中衰減隨能見度的變化
圖3為紫外光在平流霧/輻射霧中衰減隨波長(zhǎng)的變化(空心是平流霧,實(shí)心是輻射霧),圖中看出在整個(gè)“日盲區(qū)”,同一能見度下平流霧的衰減大于輻射霧的衰減,且能見度越低差異越大,最大可達(dá)50 dB/km,能見度越小差異越小,最小低至10 dB/km以下。
圖3 紫外光在平流霧/輻射霧中衰減隨波長(zhǎng)的變化(空心是平流霧,實(shí)心是輻射霧)
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[5]Adarsh Deepak and Michael A Box. Forwardscattering corrections for optical extinction measurements in aerosol media. 2:Polydispersions[J]. APPLIEDOPTICS,1978,19: 3169-3176.
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