大气散射对紫外光通信的影响及优化策略探讨

紫外光经过大气中的气溶胶微粒和大气分子会发生散射，改变传播方向，从而造就了紫外光非直视传输的特性。散射类型和强度由紫外光波长和粒子的尺寸所决定，两者越接近则散射效应越明显。紫外光主要的散射类型有两种，分别是瑞利（Rayleigh）散射和米氏（Mie）散射。当粒子的半径远远小于紫外光波长时发生Rayleigh散射，适用于晴朗天气环境下；当粒子半径远大于紫外光波长时发生Mie散射，一般适用于恶劣天气。

1）Rayleigh散射

Rayleigh散射是大气分子对紫外光产生的散射，故又称为分子散射。晴朗天气中的气溶胶微粒数目很少，主要发生Rayleigh散射。Rayleigh散射空间分布与散射角度有简单数学关系，并且前向散射与后向散射的能量相等。计算Rayleigh散射系数的经典公式为

式中，P为大气压强，T为绝对温度，γ为波数，则散射光强I为

由此可见，散射光强度与波长λ的4次方成反比，并且空气分子密度决定了散射作用的强弱。(www.xing528.com)

2）Mie散射

Mie散射是大气气溶胶微粒对紫外光产生的散射。恶劣天气环境下，雾滴、霾等粒子数目迅速增加，这些气溶胶粒子半径均大于波长的十分之一，此时Rayleigh散射无法准确地描述粒子散射，取而代之的是Mie散射模型。Mie散射系数的表达式为

式中，RV表示能见度；λ0为模型中粒子半径，设为550 nm；q为修正因子，由RV决定。散射光强为

N取大于1的任意整数。Mie散射模型中粒子半径与波长λ比值越大，散射光强度的分布函数越复杂，如果波长小于粒子尺度，波长对散射能量分布的影响不明显。