光在湍流大气中的传播

1、光在湍流大气中的传播 姓姓 名：名： XX 专业班级：专业班级：2015级级 xxxx 一.前言 大气湍流大气湍流引起的折射率随机起伏引起的折射率随机起伏将导致激光束光场的随机变化，将导致激光束光场的随机变化，它会严重限制不同光学工程系统它会严重限制不同光学工程系统的使用性能，甚至决定的使用性能，甚至决定光学工程光学工程系统的技术可行性。因此，研究系统的技术可行性。因此，研究光在大气传输光在大气传输湍流效应湍流效应具有重要具有重要的理论和应用意义。的理论和应用意义。二二. 大气端流大气端流大气层中空气密度规则起伏称为大气湍流。 湍流对光束传输的影的影响称为湍流效应。如在地球表面，热空气上升，冷

2、空气下沉，形成空气对流。 大大气气端端流流大气的随机运动造成了大气湍流，其主要起因是地球表面对气流拖曳造成的风速剪切、太阳辐射对地球表面不同位置加热的差异或地表热辐射导致的热对流、包含热量释放的相变过程造成的温度和速度场的改变等。2.1大气折射率和湍流的影响光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来源于空气折射率的影响。空气的折射率由空气的密度决定。空气主要的变化因素是水汽和二氧化碳。对空气折射率的研究，目前通用的计算空气折射率的公式是基于 Edln 和 Ciddor 的结果.2.2 大气闪烁大气闪烁 光束强度在光束强度在时间时间和和空间空间上随机起伏，光强忽大忽上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓

3、小，即所谓光束强度闪烁光束强度闪烁。大气闪烁就是由湍流大气闪烁就是由湍流漩涡引起的漩涡引起的 大气闪烁的大气闪烁的幅度特性幅度特性 由接收平面上某点光强由接收平面上某点光强I的的对数强度方差对数强度方差来表征来表征 2202024)/ln(4)/ln(AAIII 式中，式中， 可通过理论计算求得，而可通过理论计算求得，而 则可由则可由实际测量得到。实际测量得到。 2I2在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：在弱湍流且湍流强度均匀的条件下： 26/711/60026/711/602226/711/60026/711/601.23(2)()12.8(2)()40.496(2)()1.28(2)()nnI

4、nnCLlLLCLLLCLlLLCLLL对平面波对球面波 一般地，一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度。当湍流强度增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪闪烁的饱和效应烁的饱和效应。 2.3光束的弯曲和漂移光束的弯曲和漂移若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为。平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为。 光束弯

5、曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大气折射率的起伏气折射率的起伏。弯曲表现为光束统计位置的慢变化，。弯曲表现为光束统计位置的慢变化，漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。 光束漂移光束漂移在接收平面上，光束中心的投射点（即光在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫数十赫）光束弯曲光束弯曲2.4 湍流大气中的光传播现象湍流大气中的光传播现象当光在湍流大气中传播时，大气湍流造

6、成的折射率的起当光在湍流大气中传播时，大气湍流造成的折射率的起伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性. 而相干性而相干性的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一定接收面积上光强起伏等定接收面积上光强起伏等. 三三. 激光在大气端流中的传播激光在大气端流中的传播激光是激光是20 世纪最伟大的发明之一世纪最伟

7、大的发明之一. 激光的高相激光的高相干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所不在、与日俱增不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传但当激光在大气中长距离传播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降，播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降，光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性质要改变，激光的优点被大大消蚀质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此，因此， 要要充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对

8、激光的影响光的影响. 3.1强度起伏(大气闪烁)激光束通过有湍流的大气传输时,其强度、相位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机变化,当光束截面内包含许多瑞流涡旋,引起光束强度起伏、相位起伏和光束扩展。3. 2激光束的漂移激光束的漂移湍流大气中光斑的形变特征最为常见的是光斑漂湍流大气中光斑的形变特征最为常见的是光斑漂移移. 顾名思义，漂移反映了光斑空间位置的时间顾名思义，漂移反映了光斑空间位置的时间变化变化. 光斑漂移对激光在大气中的工程应用，如光斑漂移对激光在大气中的工程应用，如光学跟踪系统，具有重要的影响光学跟踪系统，具有重要的影响 . 3. 3 激光束的扩展激光束的扩展湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着，湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着，如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝光照片），因光斑漂移引起的累加效果会光照片），因光斑漂移引起的累加效果会形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的弥散斑，这通常称为长时扩展弥散斑，这通常称为长时扩展. 而湍流大而湍流大气的影响也会使激光