1.5微米人眼安全波段激光在雨雾中的传输特性研究

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雨和雾是最常见的恶劣天气,悬浮在大气中的雨滴、雾滴会与激光相互作用,产生吸收和散射效应,导致激光光斑发生形变,激光接收功率下降,影响激光探测、空间光通信系统性能。将波段选择在透过率较高的大气窗口,可以降低激光传输的损耗,处于近红外窗口的1.5μm波段激光对烟、雾的穿透能力强,广泛应用于光电对抗和光通信领域。同时,该波段位于人眼安全波段,应用前景广阔。本文主要围绕雨雾环境对1.5μm波段激光信号造成的散射和衰减效应开展研究,取得的主要成果如下:在对雨和雾的物理特性进行较为细致地描述和分析基础上,利用Mie散射理论,建立了雨滴和雾滴对1.5μm波段激光光束的散射模型,结合尺度分布谱计算了不同雨雾环境中的散射、衰减系数和各向异性因子。利用Monte Carlo方法模拟激光在雨雾中的传输过程,分析了雨雾环境下各种参数对传输衰减的影响。针对雨雾共存这种特殊天气,基于降雨对雾的清除机理,提出了雨雾共存天气下传输衰减的动态模型。随着降雨对雾的清除,雾滴粒子数密度减小,雾的衰减减小,大气透过率逐渐升高。同时给出了相应的雨雾共存天气激光传输的Monte Carlo模型,并通过外场实验验证了模型的正确性。利用Monte Carlo方法模拟光子的运动轨迹并统计了接收平面的光子分布和光子飞行时间,讨论了接收系统参数引起的回波波形变化,分析了雨雾对激光光斑、脉冲展宽和峰值延时的影响。本文的研究成果对探明1.5μm波段激光在激光探测、光电对抗和空间光通信系统等应用中的环境适应性条件具有一定的参考价值。
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