长波长红外光大气信道传输

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中图分类号：ＴＮ９２９．１２文献标志码：Ａ文章编号：１００７ — ２２７６（２０１４）０３ — ０９２７ — ｆｒａｒｅｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｈａｎｎｅｌ
第４３卷第３期
Ｖ０１．４３ＮＯ．３
红外与激光工程
ＩｎｒａｆｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１４年３月Ｍａｒ．２０１４
长波长红外光大气信道传输
ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｗａｓａｌｓｏｉｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ．ＳｉｍｕｌａｉｔｏｎｓｕｓｉｎｇＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｈｏｔｄｎｄａＬａｍｂｅｒｔ — ＢｅｅｒＬａｗｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｎｄｅｒｆｏｇｃｏｎｄｉｉｏｔｎｗｉｈｔｌｏｎｇｗａｖｅｉｎｆｒｒｅａｄ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｈＬａｔｍｂｅｒｔ－ＢｅｅｒＬａｗ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｈｅｔｒｅｃｅｉｖｅｄｅｎｅｒｇｙｏｆｓｃａｔｔｅｒｉｎｇＣｎａｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｉｔｄｉｏｎｏｆｓｈｏｔｒｒａｎｇｅａｎｄｌｏｗｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｉｎｌｕｆｅｎｃｅｏｆｉｆｄｆｅｒｅｎｔｒａｎｇｅｓ，ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ，ｂｅｍａｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅｓｎｄａｉｅｆｌｄｏｆｖｉｅｗｓｏｎｐａｓｓｌｏｓｓｗｅｒｅａｎａｌｙｓｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｕｓｉｎｇＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｍｅｈｏｔｄ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｉｂｕｉｔｏｎｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｏｒｄｅｒｓｔｏｔｏｔａｌｒｅｃｅｉｖｅｄｅｎｅｒｇｙｗｅｒｅａｌｓｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅ４ｈｏｔｒｈｉｇｈｅｒｏｒｄｅｒｓｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃａｎｂｅｏｖｅｒｌｏｏｋｅｄｕｎｄｅｒｇｉｖｅｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓＳＯａｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｈｅｔｅｉｃｆｉｅｎｃｙｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｅｅｓｐａｃｅｏｐｉｔｃａｌｃｏｍｕｉｃｎａｔｉｏｎ；ｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ；ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ；ｌｏｎｇｗａｖｅｉｎｆｒｒｅａｄ
丛日进，汪井源，徐智勇，王荣，王结
（解放军理工大学通信工程学院，江苏南京２１０００７）
摘要：采用光子追踪法，模拟光子在大气信道中的随机迁移路径及散射后随机迁移方向。引入光束
发散角和接收视场角等参数，建立了包含散射作用的长波长红外大气信道传输模型。运用蒙特卡洛方
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｒｅｅｓｐａｃｅｏｐｔｉｃ￣ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｔｒａｎｓｆｅｒｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｄｉｒｅｃｉｔｏｎｏｆｐｈｏｔｏｎａｆｔｅｒｂｅｉｎｇｓｃａｔｔｅｒｅｄｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｓｉｎｇａＭｏｎｔｅＣａｒｌｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎ
ＣｏｎｇＲｉｊｉｎ，ＷａｎｇＪｉｎｇｙｕａｎ，ＸｕＺｈｉｙｏｎｇ，ＷａｎｇＲｏｎｇ，ＷａｎｇＺｈｅ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００７，Ｃｈｉｎａ）
ｐｈｏｔｏｎｔｒａｃｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｍｏｄｅｌ，ｂｅａｍｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅｎｄａｉｆｅｌｄｏｆｖｉｅｗ（ＦＯＶ）ｗｅｒｅｉｎｒｏｔｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｉｎｌｆｕｅｎｃｅｏｆ
法进行仿真，分析了雾环境下长波长红外光的大气传输特性。与朗伯一比尔定律进行对比，发现在能见度较低、通信距离较近时接收机接收的散射能量不能被忽略。分析了通信距离、能见度、光束发散角、接收视场角对链路损耗的影响，分析了不同阶次散射对接收机接收能量的影响。发现在给定参数条件下，四阶及以上高阶次散射对接收机接收能量几乎可以忽略。关键词：自由空间光通信；信道模型；蒙特卡洛；长波长红外光

长波、中波、短波、超短波和微波的传播特点

长波、中波、短波、超短波和微波的传播特点1、长波传播方式主要是绕地球表面以电离层波的形式传播，作用距离可达几千到上万公里，此外，在近距离（200至300公里以内）也可以由地面波传播。

长波的传播主要是靠地面波和经电离层折回的天空波来进行的,它的传播距离由发射机的功率和地面情况所决定,一般不超过3000公里.主要用作无线电导航,标准频率和时间的广播以及电报通信等。

长波的应用：中远距离通信、地波通播、地波应急通信、长波矿井通信、地下通信、标准频率和时闻广播及无线电导航。

2、中波传播方式靠地面波和天空波两种方式进行传播。

在传播过程中，地面波和天空波同时存在，有时会给接收造成困难,故传输距离不会很远,一般为几百公里。

中波靠地面波和天空波两种方式进行传播.在传播过程中,地面波和天空波同时存在,有时会给接收造成困难,故传输距离不会很远,一般为几百公里.主要用作近距离本地无线电广播、海上通信,无线电导航及飞机上的通信等.中波的应用：近距离本地无线电广播、海上通信、无线电导航及飞机上的通信等。

3、短波传播方式短波信号主要靠电离层反射（天波）传播，也可以和长、中波一样靠地波进行短距离传播。

超短波通信主要靠地波传播和空间波视距传播。

当通信距离较近时，通常使用鞭状天线，利用地波传播。

短波的传播主要靠天空波来进行的,它能以很小的功率借助天空波传送到很远的距离.主要是远距离国际无线电广播、远距离无线电话及电报通信、无线电传真、海上和航空通信等。

当通信距离较远时，应用高架天线或将电台设在较高的地方，利用空间波传播；需要超视距通信时，可采用接力的方式或使用散射通信和卫星通信。

短波的应用：广播和通信。

4、超短波传播方式超短波传播（ultra-shortwavepropagation）z波长为IO~1米（相应频率为30〜300兆赫）的电波经电离层的传播。

超短波电离层传播有散射传播和透射传播两种主要形式。

超短波,又叫米波或甚高频无线电波.主要传播方式是直射波传播,传播距离不远,一般为几十公里.主要用作调频广播、电视、导航、雷达及射电天文学等.超短波的应用：传送电视、调频广播、雷达、导航、移动通信等业务。

简述大气热红外辐射传输方程

简述大气热红外辐射传输方程大气热红外辐射传输方程是研究大气中红外辐射传输规律的重要方程。

通过解析和解决该方程，可以更准确地理解和描述大气中红外辐射的传输行为，进而提高气象预报和遥感应用的精度和可靠性。

大气热红外辐射传输方程描述了大气中红外辐射的传输过程。

在大气中，太阳辐射作用下的地表、云、大气分子等物体会发射出红外辐射，这些红外辐射在大气中传输，直到达到地球上的观测点或遥感器。

大气热红外辐射传输方程考虑了多种因素的影响，包括大气的温度、气体成分、湿度、云和颗粒物的分布等。

一般来说，大气热红外辐射传输方程可以表示为以下形式：I = I0 * exp(-τ) + S * [1 - exp(-τ)]其中，I是观测点上接收到的红外辐射强度，I0是地表发射的红外辐射强度，τ是大气的透射系数，S是大气散射引起的反射红外辐射。

大气的透射系数τ可以表示为：τ = τg * τm * τa其中，τg是地表到大气层顶的透射系数，τm是大气层顶到观测点的透射系数，τa是大气成分的透射系数。

大气的透射系数受到大气的吸收、发射、散射等过程的影响。

大气的吸收主要是由水汽、二氧化碳等温室气体引起的，而大气的发射主要是由大气温度引起的。

此外，大气中的云和颗粒物也会引起红外辐射的散射，造成额外的辐射源。

大气热红外辐射的传输方程对气象预报和遥感应用有重要意义。

在气象预报中，了解大气中红外辐射的传输规律，可以帮助预测气温、湿度等大气参数的变化。

在遥感应用中，通过观测红外辐射，并结合大气热红外辐射传输方程，可以反演地表温度、云高度、大气湿度等信息，从而为气象学、地质学等领域的研究提供重要依据。

总之，大气热红外辐射传输方程对于理解和描述大气中红外辐射的传播规律至关重要。

通过解决这一方程，我们可以更准确地预测和分析大气变化，提高气象预报和遥感应用的精确性和可靠性。

这对于气象学、地球科学和环境保护等领域的研究都具有重要意义。

红外衰减全反射大气衰减

红外衰减全反射大气衰减简介红外衰减全反射大气衰减是指红外光在大气中传播时，由于大气分子的散射和吸收而发生的衰减现象。

这种衰减现象对于红外通信、红外探测、红外成像等领域的应用具有重要影响。

大气是由氮气、氧气、水蒸气和其他气体组成的，这些气体对不同波长的光有不同的吸收特性。

红外光的波长范围通常是0.7-1000微米，其中远红外光的波长范围是3-1000微米。

在远红外光波段，大气中的水蒸气和二氧化碳是主要的吸收因素。

红外光的传播特性红外光的传播受到大气的吸收和散射的影响。

大气中的分子吸收红外光的方式有两种：弛豫吸收和共振吸收。

在弛豫吸收中，分子的振动和扭转模式与红外光的能量相互作用，从而导致能量损失。

这种吸收主要发生在红外光的长波段。

共振吸收是指当分子的振动频率与红外光的频率匹配时，分子会吸收红外光的能量。

这种吸收主要发生在红外光的中波段和短波段。

除了吸收，大气中的分子还会对红外光进行散射。

散射是光在传播过程中改变方向的现象。

大气中的分子对红外光的散射主要有Rayleigh散射和Mie散射两种。

Rayleigh散射是指当入射光的波长远小于分子或颗粒的尺寸时，光的散射会随着波长的减小而增强。

这种散射在红外光中不是主要的散射方式。

Mie散射是指当入射光的波长与分子或颗粒的尺寸相近或偏大时，光的散射强度不随波长的变化而改变。

这种散射在红外光中是主要的散射方式。

大气衰减特性大气对红外光的衰减主要包括吸收和散射两种过程。

吸收主要受到水蒸气和二氧化碳的影响，而散射主要受到大气中的分子和颗粒的影响。

吸收过程中，红外光的能量将被分子吸收，并转化为分子的振动、扭转或激发能量。

这种转化导致能量的损失，从而使光的强度衰减。

散射过程中，光的能量会被分子或颗粒散射到不同的方向。

散射后的光可以继续传播，也可以被吸收或散射。

这使得原本直线传播的光变为了不规则传播，进一步减弱了光的强度。

红外光在大气中传播的距离和衰减程度与光的波长、大气的温度、压力和湿度有关。

红外线与热成像研究红外线的传播与热成像技术

在故障。
在无损探伤中，红外线检测可以识别材料内部的缺陷、裂纹或异物，避免对材料造
成破坏性影响。
红外线技术还可以用于监测工业生产过程中的温度变化，优
化生产流程和质量控制。
医疗诊断和治疗辅助手段应用
红外线热成像技术可以用于医学诊断，如乳腺癌、皮肤疾病等的早期筛查和辅助诊断。
在治疗方面，红外线理疗可以缓解疼痛、促进血液循环、加速组织修复等，被广泛应用于康复医学领域。
07
CATALOGUE
总结与展望
回顾本次项目成果及意义
01
成果
02
成功建立了红外线传播模型，深入理解了红外线在不同介质中
的传播特性。
开发了高灵敏度的热成像系统，实现了对微弱红外信号的精确
03
探测。
回顾本次项目成果及意义
• 通过实验验证了红外线传播理论与热成像技术的有效性。
回顾本次项目成果及意义
对突发事件的能力。
标准化程度低
推动热成像技术的标准化进程，制定统一的标准和规范，促进不同厂商和产品之间的兼容性和互换性，提高热成像技术的应用范围和效果
。
05
CATALOGUE
红外线与热成像技术在军事领域应用
军事侦察与目标识别中应用
红外线夜视仪
利用红外线热成像技术，将不可见红外辐射转化为可见图像，实现夜间和低光照条件下的目标侦察和识别。
红外线技术还可以用于实时监测手术过程中患者的生命体征，提高手术安全性和成功率。
安防监控和智能家居领域应用
1
红外线安防监控系统可以在夜间或恶劣天气下实现清晰成像，有效保障人员和财产安全。
2
智能家居领域中，红外线传感器被广泛应用于化水平。

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长波、中波、短波、超短波和微波的传播特点

简述大气热红外辐射传输方程

红外衰减全反射大气衰减

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