光波在大气中的传播

1、UPDOWNBACK大气激光通信、探测大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。等技术应用通常以大气为信道。 光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收吸收和和散射散射会引起的光束能量衰减，会引起的光束能量衰减，空气折射率空气折射率不均不均匀会引起的光波匀会引起的光波振幅和相位振幅和相位起伏；当光波功率足够大、起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，持续时间极短时，非线性效应非线性效应也会影响光束的特性。也会影响光束的特性。UPDOWNBACK 激光辐射在大气中传播时，激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量部分光辐射

2、能量被吸收而转变为其他形式的能量（如（如热能热能等）等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即（即辐射能量空间重新分配辐射能量空间重新分配）。）。 吸收吸收和和散射散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。的总效果使传输光辐射强度的衰减。UPDOWNBACK 设强度为设强度为I的单色光辐射，通过厚度为的单色光辐射，通过厚度为dl的大气薄层。的大气薄层。 不考虑非线性效应，光强衰减量不考虑非线性效应，光强衰减量dI正比与正比与I及及dl，即即dI/I=(I -I)/I= dl。积分后得大气透过率积分后得大气透过率IIdl图2LdlIIT00exp/(2.2-1) 假定

3、可以简化为假定可以简化为 )exp(LT(2.2-2) 为大气衰减系数（1/km）。此描述大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。UPDOWNBACK 因为衰减系数因为衰减系数 描述了吸收和散射两种独立物描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光辐射强度的影响，所以理过程对传播光辐射强度的影响，所以 可表示为可表示为aammkk(2.2-3) km和和 m分别为分子的吸收和散射系数；分别为分子的吸收和散射系数；ka和和 a分别大气分别大气气溶胶的吸收和散射系数。气溶胶的吸收和散射系数。 对大气衰减的研究可归结为对上述四个基本衰减参对大气衰减的

4、研究可归结为对上述四个基本衰减参数的研究。数的研究。 应用中，衰减系数常用单位为（应用中，衰减系数常用单位为（1/km）或）或（dB/km）。二者之间的换算关系为）。二者之间的换算关系为 (dB/km)=4.343 (1/km) (2.2-4) UPDOWNBACK 大气分子的吸收大气分子的吸收 大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。 分子的分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定

5、固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。 极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。红外和中红外以及远红外区相对应。 因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 UPDOWNBACK 大气中大气中N2、O2分子虽然含量最多（约分子虽然含量最多（约90%），但），但它们在可见光和红外区几乎不表现

6、吸收，对远红外和它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。外区，一般不考虑其吸收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。才考虑它

7、们吸收作用。 UPDOWNBACK H2O和和CO2分子，特别是分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广分子在近红外区有宽广的振动的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。所示。 表表1中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把

8、近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为为“大气窗口大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。 UPDOWNBACK表表1： 可见光和近红外区主要吸收谱线可见光和近红外区主要吸收谱线吸收吸收分子分子主要吸收谱线中心波长主要吸收谱线中心波长( 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 2.0

9、5 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6 从表从表1不难看出，不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大大气窗口气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用目前常用的激光波长都处于这些窗口之内的激光波长都处于这些窗口之内。 UPDOWNBACK 大气分子散射大气分子散射 大气中总存在着局

10、部的密度与平均密度统计性的大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离偏离密度起伏密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部，破坏了大气的光学均匀性，一部分光辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方分光辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。向上的散射。 在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度，这一条件下的散射为的线度，这一条件下的散射为瑞利散射瑞利散射。瑞利散射光瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比的强度与波长的四次方成反比。瑞利散射系数的经验。瑞利散射系数的经验公式为公式为 43/827. 0ANm波长越长，散射越弱；波

11、长越短，散射越强烈。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。UPDOWNBACK 光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时，便会与它们发生相互作用，重新向四时，便会与它们发生相互作用，重新向四面八方发射出频率与入射光的相同，但强面八方发射出频率与入射光的相同，但强度较弱的光度较弱的光(称子波称子波)，这种现象称光散射。，这种现象称光散射。子波称散射光，接受原入射光并发射子波子波称散射光，接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。当的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例例如大气分子对可

12、见光的散射如大气分子对可见光的散射)，称分子散射，称分子散射或瑞利散射，散射光分布均匀且对称。或瑞利散射，散射光分布均匀且对称。UPDOWNBACK 由于分子散射波长的四次方成反比。由于分子散射波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈，越强烈。故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空，蓝光又比红光散射强烈。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，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。呈现蓝色。 UPDOWNBACK

13、（3）大气气溶胶的衰减）大气气溶胶的衰减 大气气溶胶的概念：大气气溶胶的概念：大气中有大量的粒度在大气中有大量的粒度在 0.03 m到到2000 m之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。气溶胶。 气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收散射和吸收。 当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米

14、米-德拜散射。德拜散射。米米-德拜散射则主要依赖于散射粒子的德拜散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈（可以近似认为与波长无关）如瑞利散射强烈（可以近似认为与波长无关）。 UPDOWNBACK 气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的气溶胶微粒的尺寸分布极其复杂，受天气变化的影响也十分大，不同天气类型的气溶胶粒子的密度及影响也十分大，不同天气类型的气溶胶粒子的密度及线度的最大值列于表线度的最大值列于表2中。中。表表2-2 霾、云和降水天气的物理参数霾、云和降水天气的物理参数 天气类型天气类型N (c

15、m-3)amax ( m)气溶胶类型气溶胶类型霾霾M100 cm-33海上或岸边的气溶胶海上或岸边的气溶胶霾霾L100 cm-32大陆性气溶胶大陆性气溶胶霾霾H100 cm-30.6高空或平流层的气溶胶高空或平流层的气溶胶雨雨M100 cm-33000小雨或中雨小雨或中雨雨雨L1000 m-32000大雨大雨冰雹冰雹H10 m-36000含有大量小颗粒的冰雹含有大量小颗粒的冰雹积云积云C.1100 cm-315积云或层云、雾积云或层云、雾云云C.2100 cm-37有色环的云有色环的云云云C.3100 cm-33.5贝母云贝母云云云C.4100 cm-35.5太阳周围的双层或三层环的云太阳周围

16、的双层或三层环的云UPDOWNBACK二二. 大气湍流效应大气湍流效应 通常大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为通常大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为层流运动和湍流运动。层流运动和湍流运动。层流运动：层流运动：流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流流体质点做有规则的稳定流动，在一个薄层的流速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。速和流向均为定值，层与层之间在运动过程中不发生混合。湍流运动：湍流运动：无规则的漩涡流动，无规则的漩涡流动，质点的运动轨迹很复杂，既有质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，空横向运动，也有纵向运动，空间每一点的运动速

17、度围绕某一间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。平均值随机起伏。l0 图图-4UPDOWNBACK在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积边界上所受的粘滞在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积边界上所受的粘滞力之比超过某一临界值时，液体或气体的有规则的力之比超过某一临界值时，液体或气体的有规则的层流运动层流运动就会就会失去其稳定性而过渡到不规则的失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运动湍流运动，这一比值就是表示流，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数体运动状态特征的雷诺数Re： /Relv(2.2-9) 式中，式中， 为流体密度（为流体密度（kg/m3）；）；l为某一特征线度（为某一特征

18、线度（m） vl为在为在 l量级距离上运动速度的变化量（量级距离上运动速度的变化量（m/s）；）； 为流体粘滞系数为流体粘滞系数（kg/m s）。雷诺数）。雷诺数Re是一个无量纲的数。是一个无量纲的数。 当当Re 小于临界值小于临界值Recr（由实验测定）时，流体处于稳定的层流（由实验测定）时，流体处于稳定的层流运动，而大于运动，而大于Recr时为湍流运动。时为湍流运动。由于气体的粘滞系数由于气体的粘滞系数 较小，较小，所以气体的运动多半为湍流运动。所以气体的运动多半为湍流运动。UPDOWNBACK激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率起伏场中激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折

19、射率起伏场中传输时的效应。传输时的效应。湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特性服从“2/3次方定律次方定律” 式中，式中，i分别代表速度（分别代表速度（v）、温度（）、温度（T）和折射率（）和折射率（n）；）； r为考为考察点之间的距离；察点之间的距离；Ci为相应场的结构常数，单位是为相应场的结构常数，单位是m-1/3。 3/22221)()(rCiirDii(2.2-10) 大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，通常用通常用折射率结构常数折射率结构常数Ci的数值大小表征湍流

20、强度，即弱湍流：的数值大小表征湍流强度，即弱湍流：Cn =8 10-9m-1/3，中等湍流：，中等湍流： Cn =4 10-8m-1/3 ，强湍流：，强湍流： Cn =5 10-7m-1/3UPDOWNBACK1、 大气闪烁大气闪烁 光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。小，即所谓光束强度闪烁。 大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I的的对数强度方差来表征对数强度方差来表征 2202024)/ln(4)/ln(AAIII(2.2-11) 式中，式中， 可通过理论计算求得，而可通过理论计

21、算求得，而 则可由实际则可由实际测量得到。测量得到。 22IUPDOWNBACK 一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。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，故称之为闪再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。烁的饱和效应。 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： 对球面波对平面波)()2(28. 1)()2(496. 0)()2(8 .12)()2(23. 1406/

22、117/62006/117/6206/117/62006/117/6222LLLCLLlLCLLLCLLlLCnnnnI(2.2-12) UPDOWNBACK2、 光束的弯曲和漂移光束的弯曲和漂移 在接收平面上，光束中心的投射点（即光斑位置）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，发生快速的随机性跳动以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为光束漂移光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为向明显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲光束弯曲。 光束弯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。 UPDOWNBACK3、空间相位起伏空间相位起伏 如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平面上如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平面上接收，就会发现像点抖动。这可解释为在光束产生接收，就会发现像点抖动。这可解释为在光束产生漂移的同时，光