大气吸收与湍流基础总结

1、、激光大气衰减基础：激光大气衰减包括大气气体分子对激光的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射,激光信号通过均匀大大气介质之后，其电磁辐射强度满足：比尔-郎伯-布格定律：Iv,l=今？?夕?（?尸?M为波数，1（丫）为信号传输l距离之后的电磁辐射强度，k（M弋表消光系数，？?:？?为进入介质前的光辐射能量。透过率函数：其中，T=kl也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，k（丫）既包括了大气分子的吸收（？?？?）和散射（？?）系数，也包括了气溶胶的吸收（？3?）和散射（?砌）系数:kv=k?v+k?+k?v+k?）在实际的大气信道中，kv随着高度（z）的变化（假设大气具有分层均匀特性），即可

2、以表示为k丫，z,当信号光以天顶角？入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：?p（丫，z）=sec70）k（,z）dz0其中，其他的消光系数表如附图所示：大气分子吸收效应的从测量：二、大气光学湍流：1、大气湍流模型的描述：均匀各向同性湍流、非均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流（是一种理想化的大气湍流模型，在复杂地形区和高空，对流层以上的区域，满足该理论条件的大气湍流区域有限，特别是近年来对大气湍流间歇性现象的发现，更证明了Kolmogorov模型应用的局限性。目前工程中常需要借助大量的实验观测数据对该模型进行修正。）查理森级串模型：Tv,l?湍流可以视作由气体流动形成的差别较大的涡旋，大涡旋不稳

3、定，其从外界获取能量后，通过分裂等一系列复杂的运动将能量传递给次级涡旋，最后再最小的涡旋中通过气体黏性损耗。在一定的区域内，涡旋级串达到某种平衡状态，形成局部均匀各向同性湍流，具有普适性的统计规律。为了确定气体湍流的统计规律，基于不同的假设条件，提出了许多统计模型，其中使用最广泛的为柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)模型：柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)模型：模型假设：(1)当雷诺数足够大时，存在具有各向同性结构的高波数区，在该区里，气体运动的统计特征只决定于流体的黏性系数环口能量耗散率0(雷诺数：雷诺数的定义为：?Re=一?L为气体运动的尺度，v为流体速度，？为分子)基于上述假设，建立

4、起了湍流长度(？?、？?)、速度、时间的尺度，其中，？?、?分别为湍流的内尺度和外尺度；?=(?/?1/4;?(2)当雷诺数足够大时，扰动统计特征只依赖于扰动能量的耗散率 j 此惯性区域的尺度l满足：?柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)模型的特征参数:随机场的空间统计特性通常用结构函数等相关函数关系描述，包括风速结构率函数?折射率25构函数？?涛，由于在湍流效应的研究中，主要考虑大气折射率起伏对光传输的影响，故又称为大气光湍流。大气折折射率结构常数的定义为：2?o?=?敬？?*rrY/I1I1?防折射率结构常数，用于表征大气湍流的强弱，具有一定的时空分布特征。在实际大气中，折射率结构常数通常

5、随着高度的增加而减小，并且再近地面，还随着地理环境，温度，光照等变化。在国内外大量测量数据的基础上，提出了多种？?的分布模式，其中较为常用的模型有Hufnagel模型、Hufnagel-Valley模型等；Hufnagel模型：?竹）=8.2x10-16?2（?/10）10?+2.7X10-16?几5W为风速因子，为520Km处风速的均方根。120?2=一155适用于3-20km处的大气层的湍流计算，不适用于边界大气层。通过改进形成了Hufnagel-Valley模型：?10?h=8.2X10-16?2？夕+2.7*10-16?林+?付10A为近地面结构折射率常量；大气相干长度：大气相干长度是

6、另一种综合了大气湍流结构率、激光波长、传输距离等因素的传输特征参量，也称为弗里德常数（Fried）。表征了大气湍流中传输光束横截面上空间相干特性的物理量，?=0.423?我？?？?3/50K=2布N?为天顶角；L为传输距离。激光大气传输湍流效应：激光大气传输的湍流效应主要包括光斑漂移、光束扩展、光强闪烁、光束到达角起伏几种，由于湍流具有随机性，导致其产生的传输效应也是随机的，只能用统计的方式对其进行研究分析。光斑漂移：?)?当光束直径R远远小于湍流的外尺寸L时，大气湍流的主要作用是时激光光束的传播路径发生整体随机偏移，从而导致接收端光斑中心位置的随机变化，此时会增加跟踪捕获难度，对光束质量影响

7、较小。光斑漂移与波长无关，且汇聚光束的漂移小于准直光束。光斑漂移通常以质心位置变化来描述，设质心的位置适量表示为？?x,y）,假设光斑质心在水平方向上的漂移和垂直方向上的漂移相互独立，则质心总的漂移方差可表示为：对于平面波或者准直光束在Kolmogorov湍流中传输，则其漂移方差可表示为：?2?=6.08?1?2?000其中D为发散孔径，L为传输距离。当路径上的大气湍流均匀时，光斑漂移量可表示成:?=2.03?1/3?对于发射口径为D的汇聚光束：1?21?=6.08?3?（?K1-z/L）?0到达角起伏（原像抖动）：当光束直径R同L相当时，将会造成光束截面发生随机偏转，产生到达角起伏，也大改变

8、）。设相距r的两条光线的相位差为？S,到达角环口到达角起伏方差?用波数k和相位结构函数？?可表示为:?a=-?-?多?,=?=?（?是一个由传输距离了湍流强度所决定的函数，可以更具具体的湍流参数和传输距离计算出），在考虑实际传输的情况下，设H为接收器距离地面的高度，h0为激光器距离地面的高度，财天顶角，平面波到达角起伏可表示为:称为原像抖动，即截面不同的部位具有不同的相移。（此时光束的整体强度不会发生太光束扩展和光强起伏:当光束直径远远大于湍流外径时，由于光束截面内部将出现许多相互独立的小湍流，其对穿过各自的激光信号将产生独立的衍射和偏转作用，使光强度和相位在时间上出现随机分布，光束面积也会随

9、之增大。光强闪烁（起伏）：光强起伏的大小决定于沿途大气折射率的变化，受空气温度、流速等因素的影响，为了预测其大小，经典雷托夫（Rytov）光强起伏理论认为：在Kolmogorov局地均匀、各向同性的弱湍流前提下，光强起伏的对数方差为：711?方？?？?其中A为波形常数（平面面波A=1.23,球面波A=0.496）,z为传输距离，k为波数，由公式可以看出，湍流强度越大，传输距离越长，起伏变化就越复杂。光束扩展：光束扩展指的是由湍流效应引起的光斑半径或面积的变化，可以分为短期扩展和长期扩展。短期扩展是指在一个足够端的时间内，观察到的光束由极小旋涡造成的展宽的光斑。长期扩展：长期扩展指的是在一个相对

10、较长的时间内，通过不同时刻的短期扩展叠加起来形成的长期扩展效应，可见，观察曝光时间不同，光束扩展的大小也有差别，其中长期扩展的光斑半径方差可表示为：4?4?=+?(1-z/F)2+丁?(2?)2?f4?福+?(1-z/F)2+?0.246-,?3?为外尺度？对应的波数，？?为发端光束直径，？?为大气相干长度，F为波振面曲率半径，z为传输距离;1.46?25(?)?0?2?,1(2?3?2.92?)?.0,?2?1(2?尸?三、卫星光通信背景噪声分析：激光通信过程中，会受到宇宙中大量自然光源的干扰，主要包括星光、太阳光、月亮背景光、地球背景光几种，通过实际测量建模仿真分析，其对激光通信的影响大体

11、可以概括如下：星光背景光对激光通信的影响：GEO-LEO:通过仿真， 由于跟踪子系统视场比通信子系统视场大， 星光背景光进入相对频繁， 大约占总通信时间的8.26%,最大背景光功率大约在1.57X10-12W左右；星光背景光进入通信子系统的概率大约为4X10-5,背景光功率大约为3.61X10-13W左右。由于星光功率较低，较大功率背景光进入视场的时间非常短，且功率远低于信号光能量，所以星光背景光对通信子系统内的影响可忽略不计。GEO-GEO:仿真中，由于GEOffi星的瞄准视场较小，一天中仅有47s的时间星光背景光进入视场，最大背景光功率仅为1.84X10-13W通信子系统中没有星光进入，所

12、以在GEO也不需要考虑星光背景光的影响。LEO-LEO:通过仿真分析，异轨道LEO-LEO1路，星光背景光在瞄准视场中出现的时间最大站总时间的7.4%,最大背景光功率为4.75X10-13?0同轨道LEO-LEO,背景光出现的概率为9.1%最大背景光功率为5.87X10-12?。对通信子系统而言，由于接收视场小，几乎不会有星光背景光进入。综上所述，星光背景光出现在通信视场的概率较小，通常情况下可以忽略不计，出现在瞄准视场红的概率相对较大，但星光的功率并不高，功率最大北京光功率大约为10-1210-13?的水平，对性噪比影响不大。 （终端收到的星间信标光和信号光的功率大约在10-810-10?）

13、太阳北京噪声分析：太阳是激光通信链路中最强的背景光源，瞄准视场中每个CCD妾收到的太阳背景光功率大约在10-610-17?左右， 通信系统中ATP接收到的太阳背景光功率大约在10-4?,远远大约信号光功率，将会使信号光完全淹没在背景光信号中，出现凌日中断现象，甚至损坏设备。太阳凌日仿真分析：星间激光链路凌日次数最长凌日时间/s平均凌日时间/s总凌日时间/sGEO-LEO前问链路0000方向链路44939154GEO-GEO312699259LEO-LEO同轨道176467异轨道1797120仿真时间：1年由仿真时间可以看出：(1)GEO-LE堂路不会出现凌日中断现象；GEO-GE曜路凌日次数最

14、少但每次持续时间较长；LEO-LEO出现凌日次数最多但出现时间最短。(2)相对而言，一年中凌日导致链路阻塞的时间相对于总时间可忽略不计，但为了保护设备安全，需要进行准确预测，并采取相应的保护措施。月球北京噪声分析:背景光功率：终端每个CCDW景光功率APDT景光功率ARTEMIS1.31X10-12W3.31X10-10WSPOT-45.26X10-12W3.31x10-10W对链路的影响情况星间激光链路次数最长时间/s平均时间/s总时间/sGEO-LEO前问链路66035208方向链路815470566GEO-GEO4145109437LEO-LEO同轨道6595357异轨道1997126仿

15、真时间：1年综上可得，月球背景光出现时会造成总的性噪比下降，但其出现的时间较小，对总通信性能的影响可忽略不计。地球背景噪声分析：星间链路中，只有GEO-LEOT向链路中的GEC线会对向地球（LEO-地面链路也一样）。主要来源于地球对太阳辐射的反射和地球的自发辐射，地球对太阳的辐射主要来源于0.295项，由于地球自身的吸收作用，存在1.38项、187项、2.7m、4.3项4个较强的吸收谱区。一部分辐射被大气吸收后使地球身产生自发辐射，主要集中在3-50叩且受到大气吸收作用严重（不会对目前的通信造成干扰），因此，地球背景光干扰主要来源于地球大气对太阳光在强吸收区外的反射。通过对SILEX和SPOT

16、-4卫星通信系统终端参数：（1）卫星光通信系统标准视场中每个CCD!接受到的地面背景光功率为10-1210-11?与可接收到的信标光功率相当，英此会造成信噪比显著下降。（2）卫星光通信视场中可接收到的地球背景光功率大约为10-1010-9?,同样与可接受到的信号光光功率相当，造成ADP显著的性噪比增高。四、激光大气传输的非线性效应：高能激光在大气中传输的过程中主要非线性效应包括：热晕效应、大气击穿、自聚焦效应等，因此需要对通信激光传输的功率进行限制。热晕效应：高能激光在大气中传输的过程中，大气分子和气溶胶将吸收一定的激光能量，导致传输路径上大气温度、密度的变化，改变大气折射率，从而影响激光束的

17、传输特性，这种高能激光和大气的非线性相互作用造成的光束偏转、扩展、畸变现象称作非线性热畸变效应，也称作热晕。（由于大气的连续吸收和气溶胶吸收总是存在，因此热晕是高能激光在大气中传输的额最严重的非线性效应之一）1、稳态热畸变效应指在对流、热传导、等热交换作用下激光同介质之间的非线性作用达到稳定状态，其形成机理如图所示风速和光束扫描状态下的稳态热晕畸变光分布折射率分布温度分布光强分布(1)准直光束?(?(?Q?=?，?o?o?-oo?、？彷地面空气密度和温度，t(z)为大气透过率，p为激光功率，？?,？?表归一化光强分布（可分为高斯光束、圆形光束等）假设热晕效应较弱，近场光强分布变化不大，可近似的

18、用均匀介质传输中的光强分布通过适当修饰后代替上上式中的相位分布，此时高斯光束相位畸变可表示为:?2?-五?=-二?？?)?erf?（通过）12?21+节?？0-为（级数分解）（利用互补误差函数对x方向上的光强度进行修正）?%a最大相位畸变值:?=?3/示布拉德利赫尔曼热畸变参数:1r?2?一（是表征热晕效应强弱的参数）42?1(?(?9=?0?(?D为光束直径，对于高斯光束D取22?,圆形光束取D=2?般认为，相位畸变达到2?时光束传输就会受到显著的影响，并由此可计算得到此时所对应得到的畸变参数:此时高斯光束：？?=22圆形光束：？?=28由此可以根据？?计算公式，估计出引起现明显热晕效应时的

19、光信号功率阈值。在水平均匀大气中，大气衰减足够小（？初？1）的情况下，热畸变参数可以简化为42?9=?效/?其中募=8.34X10-10?3/?当激光波长入=1.315叩，D=0.6m,距离L=1km,在典型的地面气候?=2?=3.5X10-5?1的条件下，高斯光束和圆形光束分别在40KW和50KW寸会产生明显的非线性效应。通过该公式进行近似推算，假设大气在近地100Km勺区域为均匀吸收，则即便高斯光束，光功率也需要达到400w是才会产生显著的非线性效应，而一般的激光器的功率基本维持在40dbm左右，所以可以暂时不考虑其非线性的影响。2、瞬态热畸变效应-g拧rnk|上工不114I-III股 F

20、收*,咕艇裁书仃TID匕41M凰inf71山I知lfl_l4f2JqIQ-II)MLH1I3LOIITKIO7-JO1啸TI阳i*wH.哥4冲rrnJI1).|tJ1f一一-二-1小J*iisjuifi-nr-41,IQ3才.1心.M话.1J7rHiM.44鞠MID1flDrlQ-1；|-J.IC4“0/小17月岫PIII41hHHH-I：iIo11IU1.11H1HlX(D*I.UK11f,fT-4i_LITxHJT下9，r=Ha1|Q-4Q|Xlb-L卜TL17Ml。rmJU-ill?J。4XJ-DaIQ/%也卜刑tiivKnu,ggK14,hLI.印IXKWJ|j科TU11冲,加HJ-1

21、0sJn+trt1ri如I”3知 ,RftIO11-NJ*1MNi1L*H1+LWHW111*L*d1II-ULP1J加,同SOUM*Ii2M1DK11IW-IQ*-i-r|li1力 *皿I.MWlEESEUHII*.H，*1MW“HQh塘01KltfbUJIQ+3川,Lfll,1*i*KiDin*IXXg-IKJ11U.JDLrKJqiJJtUlr：11.，!0-HMh91n,*1*1|mw-nJ卡wmaiIBM101L11M7一电度23，1度外jPi我喂可mitti豺./!乙/km* 6缗.tdt“丁-MH1!布”堵盾235二与,P,内速1.tt)气余校吸收4Ur气浓Gin射0a/W气源皎

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23、JOK52x107.01xIO1.00 x10*6NT0.7.20 x10,i.i.1x-S2M101242TO，1.00 x10小SZxlQl.( (Dx721 JOD.IO:7.21MIO,I.OOKK)SHO”LODxlO*711xjO*1.00 x107.2Jx109l.(DxH)6.睨1。9!1.31x10”lo.ODxK)6.WxIO,1(DxiO44g7IO-110OM)e6.SIMW5vl.BxM)*SIw!0 31.00 x10*5.57x10-s!.ODxK)*4.09x1。，1(IO*4S|-1。1,00 x1015.55M10*IIOONIO4js.1lxIO-4JKL

24、ODMIO*4Ti-442-10Kl.OUalOf4讣ID、1.ONI044.)?xlOskl.ODxIO*1UHW1.00-10*411MlO21-24itnwioJ.IQxIO,1.00 x10A124x10/UIt.a) )xio4113x101(0 x10*j.12x1030-15Iia) )xio1.25xIO1)ra) )io121xIO-M-40|0*|x.19N10*41(x104j7.97!0-40-45|1(10*4.(XK10391xIO4550LQDK10X07x10*I.U)x|0n1.99x10*SO-TOCLCDMID。13.12MIO11COMioB5.06IO

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