大气气溶胶对激光传输衰减的影响研究

大气与环境光学学报 ›› 2012, Vol. ›› Issue (3): 181-190.

大气气溶胶对激光传输衰减的影响研究

刘西川1，高太长1，刘志田1,2

（1 解放军理工大学气象学院，江苏南京 211101；
2 解放军73653部队，福建泉州 362341）

收稿日期:2011-10-24 修回日期:2011-11-18 出版日期:2012-05-28 发布日期:2012-05-24
通讯作者: 刘西川（1985-），男，河北清河人，博士研究生，主要从事大气探测与大气遥感方面的研究。 E-mail:liuxc85@gmail.com
作者简介:刘西川（1985-），男，河北清河人，博士研究生，主要从事大气探测与大气遥感方面的研究。

Effect of Atmospheric Aerosols on Laser Transmission Attenuation

LIU Xi-chuan1, GAO Tai-chang1, LIU Zhi-tian1,2

(1 Institute of Meteorology, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101, China;
2 Unit No.73653 of PLA , Quanzhou 362341, China)

Received:2011-10-24 Revised:2011-11-18 Published:2012-05-28 Online:2012-05-24

摘要/Abstract

摘要：

在大气气溶胶类型、谱分布的基础上，利用Mie散射理论计算气溶胶在可见光和近红外波段的散射和衰减特性，讨论分析了大气气溶胶对可见光和近红外波段激光传输衰减的影响。计算结果表明，激光传输在很大程度上受粒子的折射率和谱分布的影响；不同类型气溶胶粒子具有不同的折射率和谱分布参数，从而决定了其具有不同的散射和吸收特性；气溶胶粒子的数密度越大，其衰减和散射能力就越强，对激光传输的衰减也就越大；但前后向散射的不对称性只与气溶胶谱分布有关，与数密度无关。所得出的结论有助于准确评估大气气溶胶对激光传输的影响以及提高激光传输、通信和激光测风等应用。

关键词: 激光传输衰减, 气溶胶, 粒子谱分布, Mie散射

Abstract:

Based on the size distribution of atmospheric aerosols, the scattering characteristics of aerosols at visible and infrared wave band are calculated by Mie scattering theory, the effects of aerosols on the laser transmission attenuation at visible and infrared wave band are discussed. The numerical simulation results show that the scattering characteristics of aerosols are sensitive to the types and size distributions of aerosols; the laser transmission attenuation are affected not only by the refractive index and types, but also by number density of aerosols. The more the number density, the stronger the laser transmission attenuation will be; while the asymmetry parameter is insensitive to the number density, which is mainly influenced by the size distribution. These results are beneficial to evaluate the effect of aerosols on laser transmission, which will promote the application of laser signal transmission, communication and wind measurement by laser.

Key words: laser transmission attenuation, aerosols, particle size distribution, Mie scattering

中图分类号:

P407.5

刘西川高太长刘志田. 大气气溶胶对激光传输衰减的影响研究[J]. 大气与环境光学学报, 2012, (3): 181-190.

LIU Xi-Chuan, GAO Tai-Chang, LIU Zhi-Tian. Effect of Atmospheric Aerosols on Laser Transmission Attenuation[J]. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2012, (3): 181-190.

参考文献

[1] Gan Xinji, Guo Jin, Wang Bing, et al. Attenuation prediction for 1.06um laser propagation in the troposphere [J]. Journal of Changchun University of Science and Technology, 2006, 29(2): 8-13(in Chinese).
甘新基, 郭劲, 王兵, 等. 1.06μm 激光在对流层传输中的衰减预测 [J]. 长春理工大学学报, 2006, 29(2): 8-13.
[2] Jia Jianzhou, Song Dean, Jia Renyao, et al. Attenuation estimation of laser atmospheric transmission [J]. Electronic Information Warfare Technology, 2010, 7(4): 73-81(in Chinese).
贾建周, 宋德安, 贾仁耀, 等. 激光大气传输衰减的估算方法 [J]. 电子信息对抗技术, 2010, 7(4): 73-81.
[3] Chen Xiuhong, Wei Heli, Li Xuebin, et al. Calculating model for aerosol extinction from visible to far infrared wavelength [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2009, 21(2): 183-189(in Chinese).
陈秀红, 魏合理, 李学彬, 等. 可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式 [J]. 强激光与粒子束, 2009, 21(2): 183-189.
[4] Mao Jietai, Zhang Junhua, Wang Meihua. Summary comment on research of atmospheric aerosol in China [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2002, 60(6): 625-634(in Chinese).
毛节泰, 张军华, 王美华. 中国大气气溶胶研究综述 [J]. 气象学报, 2002, 60(6): 625-634.
[5] Yin Hong. Atmospheric Radiation [M]. Beijing: China Meteorological Press, 1993: 72-78(in Chinese).
尹宏. 大气辐射学基础 [M]. 北京: 气象出版社, 1993: 72-78.
[6] Junge C E. Atmosphedc Chemistry Advances in Geophysics [M]. New York: Academic Press, 1958.
[7] Zhou Xiuji, Tao Shanchang, Yao Keya. Advanced Atmospheric Physics [M]. Beijing: China Meteorological Press, 1991: 30-41(in Chinese).
周秀骥, 陶善昌, 姚克亚. 高等大气物理学 [M]. 北京: 气象出版社, 1991: 30-41.
[8] Gao Taichang, Liu Lei, Li Hao. Effect of the shape and character of aerosol on its near-infrared scattering characteristics [J]. Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2007, 8(3): 302-307(in Chinese).
高太长, 刘磊, 李浩. 近红外波段气溶胶粒子形状和性质对散射特性的影响 [J]. 解放军理工大学学报(自然科学版), 2007, 8(3): 302-307.
[9] Liu Jianbin, Wu Jian. Study of scattering property of spherical particle in atmosphere [J]. Journal of Applied Optics, 2005, 26(2): 31-33(in Chinese).
刘建斌, 吴健. 大气中球形粒子的散射特性研究 [J]. 应用光学, 2005, 26(2): 31-33.
[10] Sheng Peixuan, Mao Jietai, Li Jianguo, et al. Atmospheric Physics [M]. Beijing: Beijing University Press, 2003: 304-306(in Chinese).
盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 等. 大气物理学 [M]. 北京: 北京大学出版社, 2003: 304-306.
[11] Matzler C. Effects of Rain on Propagation, Absorption and Scattering of Microwave Radiation Based on the Dielectric Model of Liebe [R]. Institute of Applied Physics, University of Bern, 2002.
[12] Liu Xichuan, Gao Taichang, Qin Jian, et al. Effects analysis of rainfall on microwave transmission characteristics [J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(3): 2156-2162(in Chinese).
刘西川, 高太长, 秦健, 等. 降雨对微波传输特性的影响分析 [J]. 物理学报, 2010, 59(3): 2156-2162.

[1]	董鉴韬, 李正强, 谢一凇, 樊程, 洪津, 戴刘新, 顾浩然, 郑杨 . 基于GF-5(02) 卫星DPC数据的2022年春季陆表细粒子气溶胶光学厚度空间分布[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(4): 323-338.
[2]	翟颖超, 王涵, 赵梅如, 陈科, 李林森 . 山区气溶胶多角度偏振遥感地气解耦方法评估[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(4): 339-356.
[3]	顾浩然, 李正强, 侯伟真, 裘桢炜, 刘振海, 朱军, 伽丽丽, 罗杰, 洪津, 麻金继 . 紫外多角度偏振探测气溶胶层高的信息量分析初步研究[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(4): 357-370.
[4]	孙二昌, 麻金继, 吴文涵, 杨光, 郭金雨, . Himawari-8气溶胶变分同化对PM2.5污染模拟的改进[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(1): 59-72.
[5]	汪惜今, 徐青山, 范传宇, 程晨, 戚鹏, 徐赤东 . 激光雷达探测整层大气昼夜气溶胶光学厚度[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(1): 14-24.
[6]	黄冬, 李新, 张艳娜, 张允祥 . 全自动太阳光度计温控系统设计及测试[J]. 大气与环境光学学报, 2023, 18(1): 73-81.
[7]	许健, 饶兰兰, DOICU Adrian, 胡斯勒图∗, 秦凯∗. 基于氧气A 带的高光谱卫星气溶胶层高优化反演[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(6): 630-639.
[8]	王雪林, 陈文忠∗. 亚北极太平洋气溶胶光学厚度与净初级生产力的变化特征及其相关性研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(5): 558-569.
[9]	陈玉宽, 王朔, 徐学哲, 赵卫雄, 盖艳波, 方波, 张为俊, ∗. 安徽省寿县气溶胶消光系数变化特征分析[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(5): 533-541.
[10]	蔡振锋, 李丁∗, 黄海虹. 2021 年春季沙尘传输对徐州地区气溶胶演变影响分析[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(4): 409-419.
[11]	程璐璐, 施文杰, 夏果∗, 王江涛, 陈巧芹, 金施群. 偏振氧A 带光谱气溶胶垂直剖面反演的信息量分析和灵敏度研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(3): 360-368.
[12]	陈标, 吴东, ∗. 基于CALIOP 和MODIS 的北极地区海雾检测研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(2): 267-278.
[13]	赵锋, 冯亚娟∗. 2-甲基甘油酸-硫酸/甲磺酸团簇的大气物化特性研究[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(2): 213-219.
[14]	姜晓彤, 杜林∗. 环境因素影响二次有机气溶胶生成的研究进展[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(1): 3-15.
[15]	项往, 王炜罡, ∗, 张文玉, 葛茂发, ∗, 李坤. 二次有机气溶胶光学特性研究进展[J]. 大气与环境光学学报, 2022, 17(1): 16-28.