沙塵暴對紅外輻射的消光特性分析(特約)

2020-12-13 中國光學工程學會

沙塵暴對紅外輻射的消光特性分析（特約）

doi:10.3788/IRLA20201022

----2020年第49卷第7期

王紅霞 孫紅輝 張清華

火箭軍工程大學基礎部

研究背景

沙塵暴是指強風將地面大量塵沙捲入空中使空氣特別渾濁，水平能見度低於1 km的天氣現象。我國是世界上沙漠化土地比較嚴重的國家之一，在我國的西北部，沙漠比較集中，沙塵暴天氣頻繁出現，對電磁波傳播具有很大的影響。

圖1 沙塵暴形成時的景象

國外學者自上世紀四十年代就沙塵暴的物理特性和沙塵暴對電磁波傳播影響開展了理論研究和實驗測量的工作，不同學者根據不同條件建立了沙塵暴對電磁波的衰減模型；我國自上世紀八十年代後期也開始了沙塵媒質的電波傳播研究，主要側重於沙塵暴中微波/毫米波、陸地通信線路和衛星通信線路的衰減及交叉去極化效應研究。近幾年來，隨著紅外探測、遙感、通信等技術的發展，沙塵暴對紅外信號影響的研究受到重視，火箭軍工程大學王紅霞教授團隊選取了國內粒徑尺度分布不同的七種模態沙塵暴，針對0.86~20 m 波段的紅外消光特性進行了分析研究，該工作已經發表在《紅外與雷射工程》2020年第49卷第7期（「沙塵暴對紅外輻射的消光特性分析」，王紅霞 孫紅輝 張清華）。

主要內容

論文首先分析了散射、吸收和消光效率因子與沙塵粒徑的關係，結果表明對於小尺寸的沙塵粒子，在短、中波紅外，消光效應主要是散射作用的結果，對於大尺寸的沙塵粒子，紅外消光是吸收和散射共同作用的結果。

基於沙粒尺寸的對數正態分布函數，論文分析計算了七種模態沙塵暴的消光參量隨紅外波長的變化情況，如圖2所示。結果表明六種大顆粒模態沙塵暴的消光係數除在個別波長有小的震蕩外，大體是隨紅外波長的增大而增大，小粒徑模態沙塵暴在近紅外的消光能力較強，在中、長紅外波段的消光能力較弱，且在13~20 m波段範圍內，消光對波長不敏感。

圖2 七種模態沙塵暴消光係數與波長的關係

沙塵暴對紅外輻射信號強度的影響最終歸結為其對信號的衰減程度如何，在沙塵暴天氣條件下，大氣中的沙塵粒子比較濃密，能見度較低，這時，單次散射很難真實的反映沙塵暴天氣的實際散射衰減情況，需要考慮多次散射的影響。論文基於多重散射的蒙特卡羅方法，分析計算了七種模態的沙塵暴衰減率與紅外波長的關係，如圖3所示。

圖3 七種模態沙塵暴衰減率與波長的關係

顯然，大顆粒16模態沙塵暴比第7種小顆粒模態沙塵暴的紅外衰減強度大，尤其是在 12.5~20 m範圍的長波紅外，小顆粒模態沙塵暴的衰減率遠小於大顆粒模態沙塵暴的衰減率。大顆粒模態沙塵暴的衰減率除有小幅度震蕩外，基本呈現的是隨著波長的增大而增大的趨勢，小顆粒模態沙塵暴的衰減率隨波長的變化有明顯的起伏，在7.9~12.5 m範圍內有峰值，在13~20 m範圍內衰減率對波長不敏感。

同種模態的沙塵暴其消光係數和衰減率隨波長的變化情況不完全相同，主要原因是消光係數是基於單次散射的情況，而基於多重散射的蒙特卡羅方法得到的衰減率比消光係數應更能全面反映沙塵暴對紅外輻射強度的影響。

對於幾個典型紅外波長，論文基於蒙特卡羅方法計算得到的七種模態沙塵暴衰減率隨可見度的變化情況，結果表明，各種模態沙塵暴衰減率隨可見度的增大而減小。

論文研究結果對於紅外探測、遙感和通信系統在沙漠和乾旱地區的應用提供一定的參考價值。

作者簡介

王紅霞，女，火箭軍工程大學教授，博士生導師，主要從事光電信息傳輸與處理方面的研究工作。

引用格式

Wang Hongxia, Sun Honghui, Zhang Qinghua. Analysis of extinction characteristics of sandstorm to infrared radiation(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20201022. doi: 10.3788/IRLA20201022

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