光电信息处理技术：光在大气和水中的传播(朱)

3.1光波在大气中的传播

由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时：

大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起能量衰减；

空气折射率不均匀会引起的光波的振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。因此有必要研究和了解激光大气传播特性。

大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。一、大气衰减

激光辐射在大气中传播时1、部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）；2、部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。大气衰减图示吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。(2.1-1)光强变化的百分比：为大气衰减系数(消光系数，km-1)传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为：

(2.1-2)若在传输距离L上β为常数，则有：

式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。

此式即为描述大气衰减的朗伯定律。(2.1-3)

上式中衰减系数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，所以可表示为：(2.1-4)

km和m分别为分子的吸收和散射系数；

ka和a分别大气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数的研究。

在应用中，衰减系数常用单位为（km-1）或（dB/km），二者之间的换算关系为:1、大气分子的吸收，

km（1）物理过程吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变化，吸收分为两种：①一般吸收:

在电磁辐射的整个波段内都有吸收，且吸收率随波长的变化几乎不变的吸收。②选择吸收:

在一些波段上吸收很大，而一些波段上吸收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。任何物质对电磁辐射的吸收都由这两种吸收组成，如石英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。大气的吸收光谱(2)大气对电磁辐射的吸收

氮N2分子、氧O2分子虽然含量最多（约90%），但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。在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。

大气中还包含有氦He，氩Ar，氙Xe，臭氧O3，氖Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但其大气中的含量甚微，一般不考虑其吸收作用。只是在高空处，其它衰减因素都很弱时，才考虑它们吸收作用。

H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，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。表1：可见光和近红外区主要吸收谱线吸收分子主要吸收谱线中心波长(m)H2O0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.62、大气分子散射，

m

大气中总存在着密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，造成部分光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射(实质是反射、折射和衍射的综合反映)。散射主要发生在可见光波段，其性质和强度取决于大气中分子或微粒的半径ｒ与被散射光的波长λ二者之间的对比关系。(1)散射的基本概念(2)散射的类型瑞利散射（Rayleigh-Scattering），选择性散射大气分子的半径是10-4m量级的，在可见光（0.4-0.76m）和近红外波段，辐射波长总是远大于分子的线度。这时发生的散射称瑞利散射（当r<<λ时），又称分子散射。它的散射强度与入射辐射的波长的四次方成反比：(2.1-6)m为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分子数（cm-3）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长（cm）。式中在晴朗天空，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，故明朗的天空呈现蓝色。而黎明和黄昏时，太阳辐射穿过大气的路程长，蓝绿光已被散射殆尽，只剩下黄红光，所以阳光呈黄红色。

波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。因此可见光散射大于红外光散射，而蓝光散射又大于红光散射：3、大气气溶胶的衰减，a

和ka大气气溶胶的概念：

大气中有大量的粒度在0.03m到2000m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。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，通常又称为大气气溶胶。

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。

气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射（a）和吸收（ka）。

当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸（r≥λ）时，即产生米氏散射（又称粗粒散射）。米氏散射主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。

当r≥λ时发生的散射，其散射强度与波长无关，是非选择性散射。大气中的液、固态水和固体杂质尺寸r>1m，都大于可见光的波长。因此它们对可见光散射出的辐射呈白色，如云、雾等呈白色即是这个原因（非选择性散射使天空呈白色）。(2.1-7)遥感利用这两种散射效应可测试大气污染程度。4、大气窗口

电磁辐射经大气传输时，由于大气散射和吸收，其辐射能受到强烈衰减。如太阳辐射中的可见光，经过大气时，其吸收率α＝14％，散射率γ＝23％，所以透过大气到达地面的只有τ＝63％。

大气对太阳光的作用大致情况为：

20~30%返回太空；

20%漫散射到达地面（天空光）

17%吸收

40%直接到达地面大气透射窗口示意图对某些特定的波长，大气呈现出较高的透过率，根据大气的这种选择性吸收特性，一般把近红外透过率较高的波段称为“大气窗口”。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。大气窗口是指大气对电磁辐射的吸收和散射都很小，而透射率很高的波段。换句话说，就是电磁辐射在大气中传输损耗很小，能透过大气的电磁波段。I：0.15－0.20μｍ,远紫外窗口，目前尚未利用。II：0.30－1.30μｍ,以可见光为主体，包括部分紫外和红外波段，它是目前应用最为广泛的一个窗口。可以用胶片感光摄影、扫描，也可用光谱测定仪和射线测定仪进行测量记录。大气透射窗口示意图III：1.40－1.90μｍ,近红外窗口，透射率60～95％，不能为胶片感光，只能为光谱仪及射线测定仪记录。IV：2.05－3.00μｍ,近红外窗口，透射率超过80％，同样，不能为胶片感光，其中2.08－2.35μｍ窗口有利于遥感。大气透射窗口示意图V：3.50－5.50μｍ，中红外窗口，透射率60％－70％，是遥感高温目标，如森林火灾，火山喷发等监测所用。VI：８－14μｍ，远红外窗口，透射率80％，当物体温度在27℃时，能测得其最大发射强度。大气透射窗口示意图VII-XI：位于毫米波段，这些窗口，目前遥感还没有利用，或者不能利用。XII：波长＞1.50cm，即微波窗口，其电磁波已完全不受大气干扰，即所谓“全透明”窗口，故微波遥感是全天候的。大气透射窗口示意图

大气透射的意义：为传感器寻找最佳通道，给辐射校正提供基本资料。如对地面物体进行遥感时，一定要选用“大气窗口”，否则物体的电磁波信息到达不了传感器。二.大气湍流效应

通常大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为层流运动和湍流运动。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：无规则的漩涡流动，质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。l0大气湍流微结构在气体或液体的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层流运动就会失去其稳定性而过渡到不规则的湍流运动，这一比值就是表示流体运动状态特征的雷诺数Re：(2.1-8)式中，

为流体密度（kg/m3）；l为某一特征线度(m)vl为在l量级距离上运动速度的变化量(m/s)，

为流体粘滞系数(kg/ms)。雷诺数Re是一个无量纲的数。当Re

小于Recr（临界值,由实验测定）时：稳定的层流运动；当Re大于Recr时：气流为湍流运动。由于气体的粘滞系数

较小，所以气体的运动多半为湍流运动。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“2/3次方定律”

式中，i分别代表速度（v）、温度（T）和折射率（n）；

r为考察点之间的距离；Ci为相应场的结构常数，单位是m-1/3。(2.1-9)大气湍流折射率的统计特性直接影响激光束的传输特性，通常用折射率结构常数Ci的数值大小表征湍流强度，即弱湍流：Cn

=810-9m-1/3，中等湍流：Cn=410-8m-1/3

，强湍流：

Cn=510-7m-1/3。1、大气闪烁（光束直径远大于湍流尺度）

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。大气闪烁的幅度特性由接收平面上某点光强I的对数强度方差来表征：(2.1-10)式中，可通过理论计算求得，而则可由实际测量得到。在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：(2.1-11)大气湍流对激光的影响

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，闪烁方差呈现饱和，称之为闪烁的饱和效应。

2、光束的弯曲和漂移（光束直径远小于湍流尺度）

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（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为“光束漂移”。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为“光束弯曲”。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。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。

若忽略湿度影响，在光频段大气折射率n可近似表示为：(2.1-12)

其中P为大气压强，T为大气温度。

根据折射定律，在水平传输情况下不难证明，光束曲率为：(2.1-13)

式中dN/dh为大气折射率垂直梯度；并且规定光束向下弯曲时曲率为正。

例如，在海平面条件下，P=101325Pa，dP/dh=-12100Pa/km，T=20度，则有：

可知，当温度梯度dT/dh=-35◦/km时，c=0，光束不弯曲；当温度梯度dT/dh>-35◦/km时，c为正，光束向下弯曲。一般情况下，白天光束向上弯曲，晚上光束向下弯曲。

关于光束漂移：理论分析表明，其漂移角与光束在发射望远镜出口处的束宽W0关系密切；漂移角的均方值：光束越细，漂移就越大，采用宽的光束可减小光束漂移。当Cn>6.5×10-7m-1/3/h时，c约为40µrad，漂移产生饱和效应，且漂移的频率一般不超过20Hz，漂移的统计分布服从正态分布。3、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，光束在接收面上的到达角也因湍流影响而随机起伏，即与接收孔径相当的那一部分波前相对于接收面的倾斜产生随机起伏。1、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

[答]：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。而对于另外一些波长的光波，几乎不吸收，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大气窗口。

光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有：大气分子的吸收、大气分子散射、大气气溶胶吸收和散射造成的衰减。问题：2、何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？[答]：大气湍流效应是一种无规则的漩涡流动（涡流运动），流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

3.2光波在水中的传播

水中传播的各种波中，纵波（声波）的衰减最小，声纳技术被广泛采用。而横波（电磁波）衰减比较严重，如无线电波和微波。而光波的衰减较小，激光的出现使水下有限距离内的测距、准直、照明、摄影以及电视等成为可能。由于水下传输光束特性的影响，这些应用仍受到很大限制，下面就光波在水下传播的一些特点作简略介绍。1、传播光束的衰减特性单色平行光束在水中传播的衰减规律：式中，P和P0为传输距离分别为0和l时的光功率；是包括散射和吸收在内的衰减系数，单位:m-1。（2.7-1）衰减系数不但与水质有关，而且与传播光束的波长有关。

习惯上用衰减长度L0表示水下传播光束衰减的大小，定义为：图1蒸馏水的光谱吸收特性106104102100相对吸收0.10.3

0.50.71.03.0

5.010紫外可见红外波长(m)表1自来水的衰减系数

衰减系数波长(m)自来水衰减系数(m-1)蒸馏水吸收系数(m-1)微粒散射系数(m-1)0.49000.52000.56500.60000.69430.0860.0990.1150.2430.5450.0370.0410.0600.1970.5140.0490.0680.0550.0460.032紫外和红外波段的光波在水中衰减很大，在水下无法使用；在可见光波段，蓝绿光（480±30nm）的衰减最小，穿透能力最强，故常称该波段为“水下窗口”。如图：例：490nm和694.3nm波长光波的衰减长度分别为11m

和2m。这说明蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。

作用距离的意义：若P0为光发射功率，P理解为光探测器的最小可探测功率，则L就是光脉