文摘

本文对火星大气尘埃环境复杂,火星大气垂直分层的基于火星尘埃颗粒的垂直分布特征。结合每一层的数量浓度和粒度分布的尘埃,偏振激光在火星尘埃的传输特性进行了研究使用偏振蒙特卡罗方法。结果表明,中六个选择波长,波长的透射率为7.46μ在火星尘埃是最大的,0.49的波长的激光强度衰减μ在火星尘埃是最大的。水平偏振激光的波长为0.55μ(有效的方差b= 0.1μ米)为例;去极化程度的偏振激光在分层条件下增加最小值为3.5440157e−4 0公里0.0092563在24公里的最大价值,增加0.00890189843;而去极化程度nonstratified条件下增加从1.2678582的最小值e−4 0公里0.0045636在24公里的最大价值,只增加0.004436842,去极化的程度条件下的分层大于nonstratified。总的来说,对于不同的有效方差b,极化参数随高度的变化趋势对不同偏振激光基本上是相同的。

1。介绍

刷新率——接近类地行星地球,火星一直是世界上深空探索的焦点。火星有一个复杂的大气和缺乏水和植被表面。几乎每一个火星年(相当于地球上的687天),将会有一个非凡的火星上沙尘暴席卷全球,180米/秒的高速和长持续时间。悬浮粉尘的吸收和散射效应在火星沙尘暴会导致激光衰减,这将严重影响无线光通信的稳定性和可靠性在火星上。火星上的近地表大气,尘埃颗粒的浓度和粒径分布不均在垂直高度,所以有必要进行分层计算激光的传输特性。在这个研究领域,吴et al。1]在2004年使用four-flux法和蒙特卡罗法来研究激光的多次散射和传输衰减特性分层大气尘埃,这提供了一个理论依据在粉尘环境中激光传输的数值计算。与传统的激光器相比,偏振激光广泛应用领域的激光通信和检测由于其独特的特点2,3]。偏振激光的研究而言,布特就和Kattawar布特就et al。4,5)从1972年到1973年使用蒙特卡罗方法计算和分析了偏振度和偏振方向的变化经过多次散射的偏振激光在云里,为以后奠定了基础检测大气中的气溶胶参数。2012年,杨6]研究极化去极化效应的激光在大气传输中,提供一个基础圆偏振编码在通信系统中的应用。2015年,费尔南德斯et al。7)使用偏振蒙特卡罗分析的全极化特征多次散射的瑞利和康普顿效应。2019年,马等。8]研究了信号的传输特性激光在自由空间光通信系统中,为获得较高的混合效率提供理论支持通过使用偏振控制算法。2020年,杨et al。9]利用极化蒙特卡罗方法模拟的多次散射偏振激光在火星大气,这为分析提供了理论支持波长的影响,粒径分布、风速、身高、和粒子数浓度极化激光的传输特性。2021年,各et al。10)使用光谱偏振技术的光学常数测量火星模拟物质,这对行星科学社区提供一个方法获得矿物和材料的光学常数(天然或合成)。

火星大气环境的基础上,本文使用偏振蒙特卡罗方法分层0-24公里的气氛在火星和计算偏振激光的传输特性的垂直高度。偏振激光的透射率和去极化程度火星尘埃环境中的传播进行了分析提供理论支持的实现可靠和稳定的无线光通信将来火星上。

2。激光传输理论

根据火星尘埃粒子复折射率(11,12),如表所示1米氏理论(13是用来计算消光效率因子 ,散射效率的因素 ,和吸收效率的因素火星尘埃粒子的如下:

在这里,和代表了散射系数,火星尘埃粒子的散射光谱特性可以由公式(1)计算。

基于火星尘埃粒子的散射光谱特性,结合激光传输理论,多次散射的偏振激光在火星尘埃环境由极化模仿蒙特卡罗模拟方法(14]。具体步骤如下(9]:(1)设置光子的初始状态,包括位置坐标,运动方向,等等。(2)光子的运动。光子从一个点 下一个碰撞点 。两个点之间的关系如下: 在这里, 方向角的余弦值;是移动的步长, ; 是一个0到1之间的随机数均匀分布;和粒子的平均衰减系数。(3)选择散射方向。假设入射波的斯托克斯矢量 ,那么它的相位函数如下: 在这里,和散射矩阵的两个元素吗 , 是散射角,是事件之间的旋转角度子午线表面和表面散射。然后使用“acceptance-rejection抽样”方法样本随机变量 , ,和在方程(2),和相应的时间间隔 , ,和 。如果 ,然后选择成功,进入下一步;否则,再选择。(4)光子散射跟踪和极化处理。散射角和方位角是成功的选择后,斯托克斯参数将被转换成三个步骤:(我)从事件子午线表面散射表面,这一事件斯托克斯参数乘以旋转矩阵吗获取旋转斯托克斯参数 ;的计算如下: (2)转换散射表面。斯托克斯参数转移从一个点到另一个表面散射,和转换矩阵是穆勒矩阵 。同时,执行方向角余弦的转换,和新方向余弦 。(3)返回散射表面新子午线表面达到最终的目标。在这个时间的旋转矩阵 ,这是计算如下: 如果 ,方程(5)加号。如果 ,方程(5)负号。最后斯托克斯参数所示的在方程(15]: 在这里,代表了斯托克斯散射参数之前。(5)终止条件和最终状态。光子的跟踪终止光子逸出接口或重量小于设定的值。总偏振激光的最终状态如下:

在这里,是光子的数量。定量描述偏振激光的偏振度值是所表达的程度的极化如下(16]:

在这里,代表总激光强度,代表了不同激光强度的价值和的方向,代表完全线偏振激光组件的角度散射平面,是正确的——或左旋圆偏振激光的偏振状态组件,和代表的激光强度的比例完全线偏振激光在激光强度。用去极化的程度来描述的变化线性偏振激光的偏振度,如下:

在这里, 代表了激光强度水平分量和 代表了激光强度垂直分量。

因为浓度和粒径的近地表大气尘粒在火星上不均匀分布在垂直高度,需要分层的低层大气火星在计算激光的传输特性。分层的极化蒙特卡罗处理火星大气尘埃,不仅需要考虑在每个分层表面反射和透射也反射和传输相邻层之间的关系。在多次散射的情况下,假设光子从我层我th + 1层。在这个时候,需要根据以下步骤处理1):如果光子的传播我th + 1层,它是移动的边界我th + 1层散射方向;传输概率和权函数计算;和它的传播方向是决定,然后沿着新建的散射光子传播余下的路程方向。如果光子没有传播出去,仍在我th层,这一层的参数是用来不断跟踪位置,下一个散射的散射方向和传输路径;如果光子传输到另一层,重复上述步骤,直到光子被吸收在一层或传播的灰尘。

2.1。火星上的尘埃粒子的垂直分布

根据发射火星探测器海盗1号和海盗2,下面的火星大气对流层分为300公里,中间层,热大气层,从下到上外逸层。因为火星的火星大气中的尘粒的浓度高于24公里非常小,几乎可以忽略不计,本文主要研究火星降低大气通信环境下24公里的高度对激光的传输特性产生影响。

火星的地形在不同的地区有不同的空气动力学。沙尘暴会产生大小不同的风速是不同的。2001年,火星环球探测器探测器发现火星上全球沙尘暴的整个过程。结果表明,沙尘暴已经绕过火星在短短15天,和它的扩张速度是16米/秒。Chassefiere et al。12]研究高度变化的影响在火星大气尘埃颗粒的分布,发现不同的粒度分布,粒子有效半径,和方差有不同的数量和浓度在不同的高度。尘埃颗粒的分布在三个不同的测量模型,及其随高度分布的关系,有效半径,和方差表所示2(17,18]。

2.2。火星大气的衰减特性在垂直方向

如果火星尘埃颗粒的数量浓度被认为是一个常数,计算传输衰减误差太大,因为火星尘埃粒子有效半径和粒子数浓度随高度(19]。当没有沙尘暴,火星的低层大气分为24层根据表1。第一层最低高度和最大的粒子浓度;粒子数浓度为1.31 n /厘米³,2.26 n /厘米³和5.56 n /厘米³(有效的方差b= 0.10μ米,b= 0.25μm,b= 0.40μ分别为m);24层的高度最高,但其粒子数浓度是最低的;粒子数浓度为0.12 n /厘米³,0.33 n /厘米³和1.20 n /厘米³(有效的方差b= 0.10μ米,b= 0.25μm,b= 0.40μm,分别)。极化蒙特卡罗方法用于计算和分析在两种条件下激光传输(分层和nonstratified)。粒子数浓度是固定的0.39 n /厘米³0.78 n /厘米³和2.16 n /厘米³(有效的方差b= 0.10μ米,b= 0.25μm,b= 0.40μnonstratified分别为m)条件下,和有效半径,分别为1.6μ1.64米,μ1.69米,μm。计算结果如表所示2,即传播透光率对应几种典型波长条件下的分层和nonstratified。

从表可以看出3当波长为7.46μm,计算透射系数大于其他波长,因为复杂的折射率的实部这是最小的几个典型的波长,波长和透射率达到最大值为9.7939100e−001年有效的方差b是0.1μm。相反,复杂的折射率的实部的波长10.6μm比其他波长大,所以这个波长的透射率计算是最小的,和它的透光率达到最小值为8.3379000e−002年有效的方差b是0.4μm。不同波长的透射率是一个明显的差异,计算结果也不同分层的条件和nonstratified之间,但分层的条件下计算结果比nonstratified的更准确,更符合实际的火星上的尘埃环境。

3所示。传输特性不同的偏振激光在火星尘埃的环境

然后的水平和垂直分量的传输特性不同的偏振激光研究火星上的尘埃。分布参数是r_eff= 2.34μm和 ,和粒子数浓度为1.8×10⁹/ m³在18公里的高度。计算结果如图1- - - - - -5。

数据1(一)和1 (b)分别显示了水平和竖直分量的变化曲线与传输距离时水平偏振激光(1,- 1,0,0)传播在火星上的尘埃。数据2(一个)和2 (b)分别显示,水平和垂直分量的变化曲线与传输距离当垂直偏振激光(1−1,0,0)在火星尘埃传播;它几乎对称恰逢水平偏振光的变化曲线(1,- 1,0,0)在火星上的尘埃。从图可以看出2 (b)随着传输距离的增加,激光强度垂直分量的增加,达到一个峰值约1公里,然后不断地降低。总之,在水平和垂直偏振激光传播火星尘埃,随着传输距离的增加,垂直和水平激光强度先增加到峰值,然后减少。强度降低的水平分量和垂直分量的强度增加波长为7.46μm是显著小于其他波长(9]。

数据3(一个)和3 (b)分别显示了水平和竖直分量的变化曲线与传输距离时完全线偏振激光(1 0 1 0)(45°角散射平面)传播在火星上的尘埃。数据4(一)和4 (b)分别显示了水平和竖直分量的变化曲线与传输距离时完全线偏振激光[1 0−1,0](−45°角散射平面。)传播在火星上的尘埃。

从图可以看出3这两个水平和垂直的组件完全线偏振激光(1 0 1 0)(45°角散射平面)与传输距离的增加逐渐降低。在六个典型的波长,激光强度衰减在水平和竖直分量的波长7.46μm是最低的。从0.4公里到4公里,水平分量的激光强度从0.1081下降到0.0576,和它的激光强度衰减只有0.0505。相反,水平分量的激光强度从0.33157下降到0.04651,和0.49的波长的激光强度衰减μm是0.2851,这也表明,偏振激光在这个波长是最不适合在火星尘埃环境中传播。从图可以看出4,它与图的变化趋势基本上是一致的3因为完全线偏振激光(1 0 1 0)(45°角散射平面)与完全对称的线性偏振激光[1 0−1,0](−45°角散射平面),所以他们的传输特性是对称一致。

数据5(一个)和5 (b)分别显示了水平和竖直分量的变化曲线与圆偏振激光时的传输距离[1,0,0,1](在一个完全右旋圆偏振状态)传播在火星上的尘埃。数据6(一)和6 (b)分别显示了水平和竖直分量的变化曲线与圆偏振激光时的传输距离(1,0,0,−1)传播(在一个完全左旋圆偏振状态)在火星上的尘埃。因为完全右旋圆偏振激光[1,0,0,1]是完全对称的左旋圆偏振激光(1,0,0,−1),其传播特点也对称一致。

考虑到数据1- - - - - -6,当水平偏振激光和垂直偏振激光传播在火星上的尘埃,激光强度变化的水平和垂直分量不同于其他偏振激光;他们首先将增加到峰值,然后随着传输距离的增加减少。但是,当圆偏振激光和完全线性偏振激光传播在火星上的尘埃,水平和垂直分量的激光强度将逐渐降低随着传输距离的增加。这的原因之一是水平和垂直偏振激光通常用于传输火星尘埃。此外,在选定的波长,无论在火星尘埃偏振激光传输,激光强度衰减的水平和垂直分量的波长7.46μ我是最小的。

4所示。偏振激光的传播特征在火星大气的垂直方向

基于部分的内容3偏振激光的传输特性,研究了垂直方向的火星。首先,水平极化激光(1,- 1,0,0)0.55的波长μ米为例;不同的极化参数的值是计算条件下的分层和nonstratified;和计算结果如表所示4。在极化参数的比较表。

从计算结果可以看出在桌子上4反射参数IR1和偏振度条件下的分层明显小于nonstratified和传输参数IT1和去极化程度dep1条件下分层大于nonstratified。这表明偏振激光的去极化现象更明显的分层火星尘埃的环境。

其次,极化参数随高度的变化,计算和分析和水平偏振激光波长为0.55μm是为例,比较了计算结果在两种情况下(分层和nonstratified)。计算结果如图7- - - - - -9。

数据7(一),8(一个),9(一个)传输参数的变化曲线与火星大气的高度。在这些数字,IT1 QT1代表传输参数条件下的分层,它和QT代表nonstratified条件下的传输参数。从图可以看出7(一)传输参数的单调递减随着高度的增加;它也可以看出去极化的程度是单调递增的增加高度数据7 (b)和9 (b)和去极化的程度条件下的分层很明显大于nonstratified。总的来说,对于不同的有效方差b,极化参数随高度的变化趋势为不同发出激光基本上是相同的。透光率和去极化程度的偏振激光条件下分层在火星尘埃在火星上传播时明显大于nonstratified,这表明极化参数条件下的分层计算更精确地反映偏振激光的传输特性在火星尘埃的环境中。

5。结论

基于火星尘埃颗粒的垂直分布特征,极化蒙特卡罗方法结合每一层的数量浓度和粒度分布的尘埃被用来研究偏振激光的传输特性在火星大气的垂直方向。几种典型偏振激光的传输透光率条件下的分层和nonstratified计算,和变化的监管水平和竖直分量的水平和垂直偏振激光传输距离传播时在火星上的尘埃。当波长为0.55μ米,为不同的有效方差b两个条件下,去极化程度的增加(分层和nonstratified)加大高度相同。去极化程度的偏振激光条件下分层明显大于nonstratified,这表明,偏振激光的去极化现象是分层火星尘埃环境中更明显。此外,复杂的折射率的实部的波长7.46μm六波长是最小的,所以它的透光率是最大的传播时火星尘埃,而激光强度衰减的水平和垂直分量的波长0.49μm是最大的,所以强度衰减的趋势在垂直和水平分量是最快的传播在火星上的尘埃。

数据可用性

之前报道的理论和测量数据被用来支持这项研究,可用(DOI: 10.1364 / opex.13.004420和DOI: 10.1029/94 je03363]。这些之前的研究都是在相关地方引用文本中引用(1- - - - - -19]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61405157)和陕西省的重点产业创新链项目(2017 zdcxl-gy-06-01)。