大氣吸收與湍流基礎(chǔ)總結(jié)

一、激光大氣衰減基礎(chǔ)：激光大氣衰減包括大氣氣體分子對(duì)激光的吸收和散射、氣溶膠粒子的吸收和散射，激光信號(hào)通過(guò)均勻大大氣介質(zhì)之后，其電磁輻射強(qiáng)度滿足:比爾-郎伯-布格定律：Iν,lν:為波數(shù)，I(ν)為信號(hào)傳輸l距離之后的電磁輻射強(qiáng)度，k(ν)代表消光系數(shù)，I0透過(guò)率函數(shù)：Tν,l其中，τ=kl也被稱作光學(xué)厚度，是一種無(wú)量綱的物理量；其中，k(ν)既包括了大氣分子的吸收（kma(ν)）和散射(kms(ν))系數(shù)，也包括了氣溶膠的k在實(shí)際的大氣信道中，kν隨著高度(z)的變化（假設(shè)大氣具有分層均勻特性），即可以表示為kν，zτ其中，其他的消光系數(shù)表如附圖所示：大氣分子吸收效應(yīng)的從測(cè)量：二、大氣光學(xué)湍流：大氣湍流模型的描述：均勻各向同性湍流、非均勻各向同性湍流均勻各向同性湍流(是一種理想化的大氣湍流模型，在復(fù)雜地形區(qū)和高空，對(duì)流層以上的區(qū)域，滿足該理論條件的大氣湍流區(qū)域有限，特別是近年來(lái)對(duì)大氣湍流間歇性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，更證明了Kolmogorov模型應(yīng)用的局限性。目前工程中常需要借助大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行修正。)查理森級(jí)串模型：湍流可以視作由氣體流動(dòng)形成的差別較大的渦旋，大渦旋不穩(wěn)定，其從外界獲取能量后，通過(guò)分裂等一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)將能量傳遞給次級(jí)渦旋，最后再最小的渦旋中通過(guò)氣體黏性損耗。在一定的區(qū)域內(nèi)，渦旋級(jí)串達(dá)到某種平衡狀態(tài)，形成局部均勻各向同性湍流，具有普適性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為了確定氣體湍流的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，基于不同的假設(shè)條件，提出了許多統(tǒng)計(jì)模型，其中使用最廣泛的為柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov）模型：柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov）模型：L0Ll當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，存在具有各向同性結(jié)構(gòu)的高波數(shù)區(qū)，在該區(qū)里，氣體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征只決定于流體的黏性系數(shù)ν和能量耗散率ε。（雷諾數(shù)：雷諾數(shù)的定義為：ReL為氣體運(yùn)動(dòng)的尺度，v為流體速度，η為分子）基于上述假設(shè)，建立起了湍流長(zhǎng)度(l0、Ll0=當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征只依賴于擾動(dòng)能量的耗散率ε，此慣性區(qū)域的尺度l滿足:l柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov）模型的特征參數(shù)：α光束擴(kuò)展和光強(qiáng)起伏：當(dāng)光束直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于湍流外徑時(shí)，由于光束截面內(nèi)部將出現(xiàn)許多相互獨(dú)立的小湍流，其對(duì)穿過(guò)各自的激光信號(hào)將產(chǎn)生獨(dú)立的衍射和偏轉(zhuǎn)作用，使光強(qiáng)度和相位在時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)分布，光束面積也會(huì)隨之增大。光強(qiáng)閃爍（起伏）：光強(qiáng)起伏的大小決定于沿途大氣折射率的變化，受空氣溫度、流速等因素的影響，為了預(yù)測(cè)其大小，經(jīng)典雷托夫（Rytov）光強(qiáng)起伏理論認(rèn)為：在Kolmogorov局地均勻、各向同性的弱湍流前提下，光強(qiáng)起伏的對(duì)數(shù)方差為：δ其中A為波形常數(shù)（平面面波A=1.23，球面波A=0.496）,z為傳輸距離，k為波數(shù)，由公式可以看出，湍流強(qiáng)度越大，傳輸距離越長(zhǎng)，起伏變化就越復(fù)雜。光束擴(kuò)展：光束擴(kuò)展指的是由湍流效應(yīng)引起的光斑半徑或面積的變化，可以分為短期擴(kuò)展和長(zhǎng)期擴(kuò)展。短期擴(kuò)展是指在一個(gè)足夠端的時(shí)間內(nèi)，觀察到的光束由極小旋渦造成的展寬的光斑。長(zhǎng)期擴(kuò)展：長(zhǎng)期擴(kuò)展指的是在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)不同時(shí)刻的短期擴(kuò)展疊加起來(lái)形成的長(zhǎng)期擴(kuò)展效應(yīng)，可見，觀察曝光時(shí)間不同，光束擴(kuò)展的大小也有差別，其中長(zhǎng)期擴(kuò)展的光斑半徑方差可表示為:aaθκ0為外尺度L0對(duì)應(yīng)的波數(shù)，a0為發(fā)端光束直徑，三、衛(wèi)星光通信背景噪聲分析：激光通信過(guò)程中，會(huì)受到宇宙中大量自然光源的干擾，主要包括星光、太陽(yáng)光、月亮背景光、地球背景光幾種，通過(guò)實(shí)際測(cè)量建模仿真分析，其對(duì)激光通信的影響大體可以概括如下：星光背景光對(duì)激光通信的影響：GEO-LEO:通過(guò)仿真，由于跟蹤子系統(tǒng)視場(chǎng)比通信子系統(tǒng)視場(chǎng)大，星光背景光進(jìn)入相對(duì)頻繁，大約占總通信時(shí)間的8.26%，最大背景光功率大約在1.57×10-12W左右；星光背景光進(jìn)入通信子系統(tǒng)的概率大約為4×由于星光功率較低，較大功率背景光進(jìn)入視場(chǎng)的時(shí)間非常短，且功率遠(yuǎn)低于信號(hào)光能量，所以星光背景光對(duì)通信子系統(tǒng)內(nèi)的影響可忽略不計(jì)。GEO-GEO:仿真中，由于GEO衛(wèi)星的瞄準(zhǔn)視場(chǎng)較小，一天中僅有47s的時(shí)間星光背景光進(jìn)入視場(chǎng)，最大背景光功率僅為1.84×10-13LEO-LEO:通過(guò)仿真分析，異軌道LEO-LEO鏈路，星光背景光在瞄準(zhǔn)視場(chǎng)中出現(xiàn)的時(shí)間最大站總時(shí)間的7.4%,最大背景光功率為4.75×10-13對(duì)通信子系統(tǒng)而言，由于接收視場(chǎng)小，幾乎不會(huì)有星光背景光進(jìn)入。綜上所述，星光背景光出現(xiàn)在通信視場(chǎng)的概率較小，通常情況下可以忽略不計(jì)，出現(xiàn)在瞄準(zhǔn)視場(chǎng)紅的概率相對(duì)較大，但星光的功率并不高，功率最大北京光功率大約為10-12~太陽(yáng)北京噪聲分析：太陽(yáng)是激光通信鏈路中最強(qiáng)的背景光源，瞄準(zhǔn)視場(chǎng)中每個(gè)CCD接收到的太陽(yáng)背景光功率大約在10-6~太陽(yáng)凌日仿真分析：星間激光鏈路凌日次數(shù)最長(zhǎng)凌日時(shí)間/s平均凌日時(shí)間/s總凌日時(shí)間/sGEO-LEO前向鏈路0000方向鏈路44939154GEO-GEO312699259LEO-LEO同軌道176467異軌道1797120仿真時(shí)間：1年由仿真時(shí)間可以看出：GEO-LEO鏈路不會(huì)出現(xiàn)凌日中斷現(xiàn)象；GEO-GEO鏈路凌日次數(shù)最少但每次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；LEO-LEO出現(xiàn)凌日次數(shù)最多但出現(xiàn)時(shí)間最短。相對(duì)而言，一年中凌日導(dǎo)致鏈路阻塞的時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間可忽略不計(jì)，但為了保護(hù)設(shè)備安全，需要進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。月球北京噪聲分析：背景光功率：終端每個(gè)CCD背景光功率APD背景光功率ARTEMIS1.31×103.31×10SPOT-45.26×103.31×10對(duì)鏈路的影響情況星間激光鏈路次數(shù)最長(zhǎng)時(shí)間/s平均時(shí)間/s總時(shí)間/sGEO-LEO前向鏈路66035208方向鏈路815470566GEO-GEO4145109437LEO-LEO同軌道6595357異軌道1997126仿真時(shí)間：1年綜上可得，月球背景光出現(xiàn)時(shí)會(huì)造成總的性噪比下降，但其出現(xiàn)的時(shí)間較小，對(duì)總通信性能的影響可忽略不計(jì)。地球背景噪聲分析：星間鏈路中，只有GEO-LEO前向鏈路中的GEO天線會(huì)對(duì)向地球（LEO-地面鏈路也一樣）。主要來(lái)源于地球?qū)μ?yáng)輻射的反射和地球的自發(fā)輻射，地球?qū)μ?yáng)的輻射主要來(lái)源于0.29~5μm，由于地球自身的吸收作用，存在1.38μm、187μm、2.7μm通過(guò)對(duì)SILEX和SPOT-4衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端參數(shù)：衛(wèi)星光通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)中每個(gè)CCD可接受到的地面背景光功率為10-衛(wèi)星光通信視場(chǎng)中可接收到的地球背景光功率大約為10-四、激光大氣傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)：高能激光在大氣中傳輸?shù)倪^(guò)程中主要非線性效應(yīng)包括：熱暈效應(yīng)、大氣擊穿、自聚焦效應(yīng)等，因此需要對(duì)通信激光傳輸?shù)墓β蔬M(jìn)行限制。熱暈效應(yīng)：高能激光在大氣中傳輸?shù)倪^(guò)程中，大氣分子和氣溶膠將吸收一定的激光能量，導(dǎo)致傳輸路徑上大氣溫度、密度的變化，改變大氣折射率，從而影響激光束的傳輸特性，這種高能激光和大氣的非線性相互作用造成的光束偏轉(zhuǎn)、擴(kuò)展、畸變現(xiàn)象稱作非線性熱畸變效應(yīng)，也稱作熱暈。（由于大氣的連續(xù)吸收和氣溶膠吸收總是存在，因此熱暈是高能激光在大氣中傳輸?shù)念~最嚴(yán)重的非線性效應(yīng)之一）穩(wěn)態(tài)熱畸變效應(yīng)指在對(duì)流、熱傳導(dǎo)、等熱交換作用下激光同介質(zhì)之間的非線性作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其形成機(jī)理如圖所示風(fēng)速和光束掃描狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)熱暈VVVVV光強(qiáng)分布溫度分布折射率分布分布畸變光分布分布（1）準(zhǔn)直光束ψρ0、T0為地面空氣密度和溫度，t(z)為大氣透過(guò)率，p為激光功率，假設(shè)熱暈效應(yīng)較弱，近場(chǎng)光強(qiáng)分布變化不大，可近似的用均勻介質(zhì)傳輸中的光強(qiáng)分布通過(guò)適當(dāng)修飾后代替上上式中的相位分布，此時(shí)高斯光束相位畸變可表示為：ψ=-（通過(guò)）(利用互補(bǔ)誤差函數(shù)對(duì)x方向上的光強(qiáng)度進(jìn)行修正)?ψ?ND表示ND為光束直徑，對(duì)于高斯光束D取22a0一般認(rèn)為，相位畸變達(dá)到2π時(shí)光束傳輸就會(huì)受到顯著的影響，并由此可計(jì)算得到此時(shí)所對(duì)應(yīng)得到的畸變參數(shù)：此時(shí)高斯光束：NDG圓形光束：NDU由此可以根據(jù)ND計(jì)算公式