光波在大氣中的傳播

1、大氣激光通信、探測大氣激光通信、探測等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。 光波在大氣中傳播時，大氣氣體分子及氣溶膠的光波在大氣中傳播時，大氣氣體分子及氣溶膠的吸收吸收和和散射散射會引起的光束能量衰減，會引起的光束能量衰減，空氣折射率空氣折射率不均不均勻會引起的光波勻會引起的光波振幅和相位振幅和相位起伏；當(dāng)光波功率足夠大、起伏；當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時間極短時，持續(xù)時間極短時，非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)也會影響光束的特性。也會影響光束的特性。 激光輻射在大氣中傳播時，激光輻射在大氣中傳播時，部分光輻射能量被吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰坎糠止廨椛淠芰勘晃斩D(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄈ纾ㄈ?/p>

2、熱能熱能等）等）部分能量被散射而偏離原來的傳播方向部分能量被散射而偏離原來的傳播方向（即（即輻射能量空間重新分配輻射能量空間重新分配）。）。 吸收吸收和和散射散射的總效果使傳輸光輻射強(qiáng)度的衰減。的總效果使傳輸光輻射強(qiáng)度的衰減。 設(shè)強(qiáng)度為設(shè)強(qiáng)度為I的單色光輻射，通過厚度為的單色光輻射，通過厚度為dl的大氣薄層。的大氣薄層。 不考慮非線性效應(yīng)，光強(qiáng)衰減量不考慮非線性效應(yīng)，光強(qiáng)衰減量dI正比與正比與I及及dl，即即dI/I=(I -I)/I= dl。積分后得大氣透過率積分后得大氣透過率IIdl圖2LdlIIT00exp/(2.2-1) 假定可以簡化為假定可以簡化為 )exp(LT(2.2-2) 為大

3、氣衰減系數(shù)（1/km）。此描述大氣衰減的朗伯定律，表明光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。 因?yàn)樗p系數(shù)因?yàn)樗p系數(shù) 描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物描述了吸收和散射兩種獨(dú)立物理過程對傳播光輻射強(qiáng)度的影響，所以理過程對傳播光輻射強(qiáng)度的影響，所以 可表示為可表示為aammkk(2.2-3) km和和 m分別為分子的吸收和散射系數(shù)；分別為分子的吸收和散射系數(shù)；ka和和 a分別大氣分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。 對大氣衰減的研究可歸結(jié)為對上述四個基本衰減參對大氣衰減的研究可歸結(jié)為對上述四個基本衰減參數(shù)的研究。數(shù)的研究。 應(yīng)用中，衰減系數(shù)常用單位為

4、（應(yīng)用中，衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或）或（dB/km）。二者之間的換算關(guān)系為）。二者之間的換算關(guān)系為 (dB/km)=4.343 (1/km) (2.2-4) 大氣分子的吸收大氣分子的吸收 大氣分子在光波電場的作用下產(chǎn)生極化，并以入大氣分子在光波電場的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動。所以為了克服大氣分子內(nèi)部射光的頻率作受迫振動。所以為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。阻力要消耗能量，表現(xiàn)為大氣分子的吸收。 分子的分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動形態(tài)決定固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動形態(tài)決定。 極性分子的內(nèi)部運(yùn)動一般有分子內(nèi)電子運(yùn)動、組極性分子的內(nèi)部運(yùn)動一

5、般有分子內(nèi)電子運(yùn)動、組成分子的原子振動以及分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動組成。成分子的原子振動以及分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動組成。相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光、近相應(yīng)的共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光、近紅外和中紅外以及遠(yuǎn)紅外區(qū)相對應(yīng)。紅外和中紅外以及遠(yuǎn)紅外區(qū)相對應(yīng)。 因此，分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率。因此，分子的吸收特性強(qiáng)烈的依賴于光波的頻率。 大氣中大氣中N2、O2分子雖然含量最多（約分子雖然含量最多（約90%），但），但它們在可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對遠(yuǎn)紅外和它們在可見光和紅外區(qū)幾乎不表現(xiàn)吸收，對遠(yuǎn)紅外和微波段才呈現(xiàn)出很大的吸收。因此，在可見光和近紅微波段才呈現(xiàn)出很

6、大的吸收。因此，在可見光和近紅外區(qū)，一般不考慮其吸收作用。外區(qū)，一般不考慮其吸收作用。 大氣中除包含上述分子外，還包含有大氣中除包含上述分子外，還包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，這些分子在可見光和近紅外有可觀的吸收等，這些分子在可見光和近紅外有可觀的吸收譜線，但因它們在大氣中的含量甚微，一般也不考慮譜線，但因它們在大氣中的含量甚微，一般也不考慮其吸收作用。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，其吸收作用。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，才考慮它們吸收作用。才考慮它們吸收作用。 H2O和和CO2分子，特別是分子，特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動的振動-轉(zhuǎn)動及純振

7、動結(jié)構(gòu)，因此是可見光和近紅外區(qū)最轉(zhuǎn)動及純振動結(jié)構(gòu)，因此是可見光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素，它重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素，它們的一些主要吸收譜線的中心波長如表們的一些主要吸收譜線的中心波長如表2-1所示。所示。 表表1中對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸中對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，收，光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為為“大氣窗口大氣窗口”。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱

8、吸。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內(nèi)。收。目前常用的激光波長都處于這些窗口之內(nèi)。 表表1： 可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線可見光和近紅外區(qū)主要吸收譜線吸收吸收分子分子主要吸收譜線中心波長主要吸收譜線中心波長( m)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6 從表從表1不難看出，不難看出，對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，

9、光波幾乎無法通過。的吸收，光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為“大大氣窗口氣窗口”。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用目前常用的激光波長都處于這些窗口之內(nèi)的激光波長都處于這些窗口之內(nèi)。 大氣分子散射大氣分子散射 大氣中總存在著局部的密度與平均密度統(tǒng)計性的大氣中總存在著局部的密度與平均密度統(tǒng)計性的偏離偏離密度起伏密度起伏，破壞了大氣的光學(xué)均勻性，一部，破壞了大氣的光學(xué)均勻性，一部分光輻射光會向其他方向傳播，從而導(dǎo)致

10、光在各個方分光輻射光會向其他方向傳播，從而導(dǎo)致光在各個方向上的散射。向上的散射。 在可見光和近紅外波段，輻射波長總是遠(yuǎn)大于分子在可見光和近紅外波段，輻射波長總是遠(yuǎn)大于分子的線度，這一條件下的散射為的線度，這一條件下的散射為瑞利散射瑞利散射。瑞利散射光瑞利散射光的強(qiáng)度與波長的四次方成反比的強(qiáng)度與波長的四次方成反比。瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)。瑞利散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為公式為 43/827. 0ANm波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。 光波在遇到大氣分子或氣溶膠粒子等光波在遇到大氣分子或氣溶膠粒子等時，便會與它們發(fā)生相互作用，重新向四時，便會與它們發(fā)生相互作

11、用，重新向四面八方發(fā)射出頻率與入射光的相同，但強(qiáng)面八方發(fā)射出頻率與入射光的相同，但強(qiáng)度較弱的光度較弱的光(稱子波稱子波)，這種現(xiàn)象稱光散射。，這種現(xiàn)象稱光散射。子波稱散射光，接受原入射光并發(fā)射子波子波稱散射光，接受原入射光并發(fā)射子波的空氣分子或氣溶膠粒子稱散射粒子。當(dāng)?shù)目諝夥肿踊驓馊苣z粒子稱散射粒子。當(dāng)散射粒子的尺度遠(yuǎn)小于入射光的波長時散射粒子的尺度遠(yuǎn)小于入射光的波長時(例例如大氣分子對可見光的散射如大氣分子對可見光的散射)，稱分子散射，稱分子散射或瑞利散射，散射光分布均勻且對稱?；蛉鹄⑸?，散射光分布均勻且對稱。 由于分子散射波長的四次方成反比。由于分子散射波長的四次方成反比。波長越長，散射

12、越弱；波長越短，散射波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。故可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，越強(qiáng)烈。故可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)烈，故明朗的天空又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。呈現(xiàn)藍(lán)色。 （3）大氣氣溶膠的衰減）大氣氣溶膠的衰減 大氣氣溶膠的概念：大氣氣溶膠的概念：大氣中有大量的粒度在大氣中有大量的粒度在 0.03 m到到2000 m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有

13、機(jī)微生物等。由于這些微煙粒、微水滴、鹽粒以及有機(jī)微生物等。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所以通常又稱為大氣粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所以通常又稱為大氣氣溶膠。氣溶膠。 氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的氣溶膠對光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收散射和吸收。 當(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時，即產(chǎn)生當(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時，即產(chǎn)生米米-德拜散射。德拜散射。米米-德拜散射則主要依賴于散射粒子的德拜散射則主要依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長的關(guān)系遠(yuǎn)不尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈（可以近似認(rèn)為與波長無關(guān)）如瑞利散射強(qiáng)烈（可以近似認(rèn)

14、為與波長無關(guān)）。 氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的氣溶膠微粒的尺寸分布極其復(fù)雜，受天氣變化的影響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子的密度及影響也十分大，不同天氣類型的氣溶膠粒子的密度及線度的最大值列于表線度的最大值列于表2中。中。表表2-2 霾、云和降水天氣的物理參數(shù)霾、云和降水天氣的物理參數(shù) 天氣類型天氣類型N (cm-3)amax ( m)氣溶膠類型氣溶膠類型霾霾M100 cm-33海上或岸邊的氣溶膠海上或岸邊的氣溶膠霾霾L100 cm-32大陸性氣溶膠大陸性氣溶膠霾霾H100 cm-30.6高空或平流層的氣溶膠高空或平流層的氣溶膠雨雨M100 cm-33000小雨或中雨小雨或中

15、雨雨雨L1000 m-32000大雨大雨冰雹冰雹H10 m-36000含有大量小顆粒的冰雹含有大量小顆粒的冰雹積云積云C.1100 cm-315積云或?qū)釉?、霧積云或?qū)釉?、霧云云C.2100 cm-37有色環(huán)的云有色環(huán)的云云云C.3100 cm-33.5貝母云貝母云云云C.4100 cm-35.5太陽周圍的雙層或三層環(huán)的云太陽周圍的雙層或三層環(huán)的云二二. 大氣湍流效應(yīng)大氣湍流效應(yīng) 通常大氣是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運(yùn)動形式分為通常大氣是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運(yùn)動形式分為層流運(yùn)動和湍流運(yùn)動。層流運(yùn)動和湍流運(yùn)動。層流運(yùn)動：層流運(yùn)動：流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)則的穩(wěn)定流動，在一個薄層的流流體質(zhì)點(diǎn)做有

16、規(guī)則的穩(wěn)定流動，在一個薄層的流速和流向均為定值，層與層之間在運(yùn)動過程中不發(fā)生混合。速和流向均為定值，層與層之間在運(yùn)動過程中不發(fā)生混合。湍流運(yùn)動：湍流運(yùn)動：無規(guī)則的漩渦流動，無規(guī)則的漩渦流動，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡很復(fù)雜，既有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡很復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動，也有縱向運(yùn)動，空橫向運(yùn)動，也有縱向運(yùn)動，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動速度圍繞某一間每一點(diǎn)的運(yùn)動速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。平均值隨機(jī)起伏。l0 圖圖-4在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力與此容積邊界上所受的粘滯在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力與此容積邊界上所受的粘滯力之比超過某一臨界值時，液體或氣體的有規(guī)則的力之比超過某一臨界值時，液體或氣體的有規(guī)則的層流運(yùn)動

17、層流運(yùn)動就會就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運(yùn)動湍流運(yùn)動，這一比值就是表示流，這一比值就是表示流體運(yùn)動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)體運(yùn)動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re： /Relv(2.2-9) 式中，式中， 為流體密度（為流體密度（kg/m3）；）；l為某一特征線度（為某一特征線度（m） vl為在為在 l量級距離上運(yùn)動速度的變化量（量級距離上運(yùn)動速度的變化量（m/s）；）； 為流體粘滯系數(shù)為流體粘滯系數(shù)（kg/m s）。雷諾數(shù)）。雷諾數(shù)Re是一個無量綱的數(shù)。是一個無量綱的數(shù)。 當(dāng)當(dāng)Re 小于臨界值小于臨界值Recr（由實(shí)驗(yàn)測定）時，流體處于穩(wěn)定的層流（由實(shí)驗(yàn)測定）時，流體處于穩(wěn)定的

18、層流運(yùn)動，而大于運(yùn)動，而大于Recr時為湍流運(yùn)動。時為湍流運(yùn)動。由于氣體的粘滯系數(shù)由于氣體的粘滯系數(shù) 較小，較小，所以氣體的運(yùn)動多半為湍流運(yùn)動。所以氣體的運(yùn)動多半為湍流運(yùn)動。激光的大氣湍流效應(yīng)，實(shí)際上是指激光輻射在折射率起伏場中激光的大氣湍流效應(yīng)，實(shí)際上是指激光輻射在折射率起伏場中傳輸時的效應(yīng)。傳輸時的效應(yīng)。湍流理論表明，大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計特性服從湍流理論表明，大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計特性服從“2/3次方定律次方定律” 式中，式中，i分別代表速度（分別代表速度（v）、溫度（）、溫度（T）和折射率（）和折射率（n）；）； r為考為考察點(diǎn)之間的距離；察點(diǎn)之間的距離；Ci為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)

19、常數(shù)，單位是為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)常數(shù)，單位是m-1/3。 3/22221)()(rCiirDii(2.2-10) 大氣湍流折射率的統(tǒng)計特性直接影響激光束的傳輸特性，大氣湍流折射率的統(tǒng)計特性直接影響激光束的傳輸特性，通常用通常用折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強(qiáng)度，即弱湍流：的數(shù)值大小表征湍流強(qiáng)度，即弱湍流：Cn =8 10-9m-1/3，中等湍流：，中等湍流： Cn =4 10-8m-1/3 ，強(qiáng)湍流：，強(qiáng)湍流： Cn =5 10-7m-1/31、 大氣閃爍大氣閃爍 光束強(qiáng)度在時間和空間上隨機(jī)起伏，光強(qiáng)忽大忽光束強(qiáng)度在時間和空間上隨機(jī)起伏，光強(qiáng)忽大忽小，即所謂光束強(qiáng)度閃爍。小，即所

20、謂光束強(qiáng)度閃爍。 大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點(diǎn)光強(qiáng)大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點(diǎn)光強(qiáng)I的的對數(shù)強(qiáng)度方差來表征對數(shù)強(qiáng)度方差來表征 2202024)/ln(4)/ln(AAIII(2.2-11) 式中，式中， 可通過理論計算求得，而可通過理論計算求得，而 則可由實(shí)際則可由實(shí)際測量得到。測量得到。 22I 一般地，波長短，閃爍強(qiáng)，波長長，閃爍小。當(dāng)湍流強(qiáng)度一般地，波長短，閃爍強(qiáng)，波長長，閃爍小。當(dāng)湍流強(qiáng)度增強(qiáng)到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時，閃爍方差就不增強(qiáng)到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時，閃爍方差就不再按上述規(guī)律繼續(xù)增大，卻略有減小而呈現(xiàn)飽和，故稱之為閃再按上述規(guī)律繼續(xù)增大，卻略

21、有減小而呈現(xiàn)飽和，故稱之為閃爍的飽和效應(yīng)。爍的飽和效應(yīng)。 在弱湍流且湍流強(qiáng)度均勻的條件下：在弱湍流且湍流強(qiáng)度均勻的條件下： 對球面波對平面波)()2(28. 1)()2(496. 0)()2(8 .12)()2(23. 1406/117/62006/117/6206/117/62006/117/6222LLLCLLlLCLLLCLLlLCnnnnI(2.2-12) 2、 光束的彎曲和漂移光束的彎曲和漂移 在接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）在接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）以某個統(tǒng)計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動以某個統(tǒng)計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動（其頻率可由

22、數(shù)赫到數(shù)十赫），此現(xiàn)象稱為（其頻率可由數(shù)赫到數(shù)十赫），此現(xiàn)象稱為光束漂移光束漂移。若將光束視為一體，經(jīng)過若干分鐘會發(fā)現(xiàn)，其平均方若將光束視為一體，經(jīng)過若干分鐘會發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為向明顯變化，這種慢漂移亦稱為光束彎曲光束彎曲。 光束彎曲漂移現(xiàn)象亦稱天文折射，主要受制于大光束彎曲漂移現(xiàn)象亦稱天文折射，主要受制于大氣折射率的起伏。氣折射率的起伏。彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計位置的慢變化，彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計位置的慢變化，漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動。漂移則是光束圍繞其平均位置的快速跳動。 3、空間相位起伏空間相位起伏 如果不是用靶面接收，而是在透鏡的焦平面上如果不是用靶面接收，而是在透鏡的焦平面上接收，就會發(fā)現(xiàn)像點(diǎn)抖動。這可解釋為在光束產(chǎn)生接收，就會發(fā)現(xiàn)像點(diǎn)抖動。這可解釋為在光束產(chǎn)生漂移的同時，光束在接