雨滴前向散射对光传输影响的研究

栗伟珉 敖发良 于胜云
桂林电子科技大学通信与信息工程系,桂林541004

文章摘要:利用Mie理论和M-P雨滴谱分布，分析了粒子尺度及不同波长对消光效率因子的影响，详细推导了光波在雨中衰减的计算公式，得到了衰减与降雨率之间的确定关系，介绍了前向散射修正系数，分析了雨滴的前向散射对532nm波长光信号传播的影响，得到了经过前向散射修正后的衰减计算公式。
文章主题:Mie理论 M-P雨滴谱 雨衰减 前向散射修正

文章内容：第4期(总第4期)光子技术2006年2月雨滴前向散射对光传输影响的研究栗伟珉,敖发良,于胜云(桂林电子科技大学通信与信息工程系,桂林541004)摘要:利用理论和-雨滴谱分布,分析了粒子尺度及不同波长对消光效率因子的影响,详细推导了光波在雨中衰减的计算公式,得到了衰减与降雨率之间的确定关系,介绍了前向散射修正系数,分析了雨滴的前向散射对532波长光信号传播的影响,得到了经过前向散射修正后的衰减计算公式.关键词:理论;-雨滴谱;雨衰减;前向散射修正中图分类号:929.12文献标识码:_-,-,-(.&;,,5410041:-,—.,,,532,.:;—;;引言降雨是常见的自然现象,它能对光波和红外信号产生衰减,严重的还可以导致无线通信链路的中断.目前在降雨对无线光通信影响方面的研究还不够深入,而在实际光通信工程中又往往需要这方面的资料.因此,很有必要加强降雨对光传播影响的研究.文章就是在理论的基础上研究了雨滴的前向散射对光信号传播的影响.利用理论和—雨滴谱分布,研究了粒子尺度对消光效率因子的作用以及不同波长对消光效率因子的影响,详细分析了光波在雨中衰减的计算方法,导出了衰减与降雨率之间的计算公式,结合前向散射理论和实际工程需要,引入了前向散射修正系数,对雨中衰减公式进行了前向散射修正,具体分析了雨滴前向散射对532波长光波的影响,使之更加符合实际应用.2微粒散射1908年,米()通过电磁波的麦克斯韦方程解出了一个关于光散射的严格解,得出了任意直径和任意成分的均匀粒子的散射规律.这就是着名的米氏理论.理论假设所有的大气粒子为均匀球形粒子,就粒子的随机取向平均而言,众多粒子的行为接近等效球形粒子.由于本文主要讨论光波在降雨中的衰减效应,未涉及到降雨对光波的退偏振效应,因此可把雨滴视为均匀球形粒子,用理论进行求解.应用理论,可以得到与微粒散射密切相关的三个参数:,和,分别为消光效率因子,散射效率因子和吸收效率因子,其中,(,)=(,)+,).它们都是粒子折射率(包括实部和虚部)和尺度参数=2'/的函数,可由散射理论精确解出.精确计算和的过程很复杂,计算量相当大.有些蜻况下没有必要使用精确值,可以使用简化公式,使计算量大大减少.发展了一个容易计算而又有足够精度地近似计算公式:…(,)=2—4(-)=:(一)基金项目:国防预研项目(209)+4(/)[(21)一(一21)(一1)】(,)=1十三+旦兰旦(1)(2)238光子技术2006年2月式中,=2/,=2(,-1),=(,?//-1),,?,,分别为粒子折射率的实部和虚部,,.为粒子半径,为波长.图1是按式(1)对波长分别为0.532,1.06和10.6,,?=,?一=1.332.1.9610计算的消光效率子(,,?)与粒子半径,.之间的关系,其中实线代表的是波长0.532时(,,?)的变化情况,虚线代表波长1.06时(,,?)的变化情况,点划线代表波长10.6时(,,?)的变化情况.从图中可以看山,随哲波的减小,小粒子的散射效应越来越强;在同…'波长下,在粒子半径较小(粒子尺度相对于波长较小)时,消光效率因子会随着粒子半径增大而增大,随着粒子半径的逐渐增大,开始出现振荡现象并逐渐的减小,最终会趋近于2,即消光效率因子趋近于粒子几何截面的两倍.=__.一-'…<>^,,,(图1消光效率因子与半径的关系曲线3雨滴谱雨滴的形状与其尺寸大小有关,最小的雨滴等价于在云中发现的微小水滴,最大的雨滴一般不会大于4,当半径大于4时,雨滴是不稳定的,会发生破裂.因此,雨滴的半径常在0.05-4之间.雨滴谱是在一定的降雨率时,不同尺寸的雨滴在空间单位体积中的分布状况,也称为雨滴尺寸分布.观测降雨雨滴谱,分析其微物理特征,对深入地了解电磁波传输的微物理过程,研究其衰减机制,评估衰减的影响,检验效果以及为数值模拟提供科学依据有着很重要的意义.因此,雨滴谱分布作为研究降雨特性,气象雷达测雨算式和无线电波传播的重要参数,得到了广泛的测量和模式化研究.最早的雨滴谱测量是由于1895年用"吸水纸法"测量的【,此后,面粉法得到了广泛的应用.-应用"面粉法"得到了着名的—雨滴谱【4,至今还被较广泛的使用,且.雨衰减预报模式正是基于.雨滴尺寸分布得到的.近几十年来雨滴谱在全世界范围内得到了较多的实验观测,在不同地区测量资料的基础上得到了好多雨滴尺寸分布模型,如:分布,—分布(分布),1分布,对数一正态分布,分布,1分布等,其中以.分布,负指数分布的1.分布和1分布被广泛使用,近年来对数一正态分布被广泛应用于热带地区的雨滴谱模拟,分布也被应用于卫星通信链路的雨衰减预测【2.1.指数分布具有…般雨滴谱的特点,能比较好地描述雨滴的平均尺度分布,故我们选取1.分布模型进行计算.和根据他们自己的测量和和的测量,提出了一个负指数模型,其形式为,?()=一(3)式中,,.为雨滴等效半径(),且=1,610(～'一)'(4)_-8.2-0.21()(5)式中,为降雨率(或降雨强度).单位为.,?()表示单位体积雨介质内()雨滴半径在+之间的雨滴数目的多少.4雨滴衰减的计算4.1计算方法波长为,强度为的光辐射通过距离为的介质后,其强度为,,根据定律可写成:,=,.[-刎(6)式中,()-为消光系数(或衰减系数),单化为～,包括散射和吸收两个部分,对于球形粒子消光系数可由下式计算:()-=(+()式中,,?()为粒子尺度谱分布,为粒子半径.(7)第4期(总第4期)光子技术239因雨滴半径远火于光波波长,故可认为消光效率因子(,)=2,雨滴谱分布()采用1.分布,将式(3)代入式(7),积分区间=,2=4,可得:()-:2():4,26-8+2'.10:320002-8.2:0.3647(8)式(8)表明衰减与波长无关,仅是降雨率的函数.图2就是按照式(8)计算的消光系数与降雨率之间的关系曲线.随着降雨率的增加,消光系数不断增大,对光信号的衰减也将越来越大./'/_//,7图3雨滴散射强度的角分布型式4.2前向散射修正使