光电子技术2.1光波在大气中的传播.ppt

1、 大气闪烁 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（光束直径远大于湍流尺度）。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： 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： 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： 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： 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： (平面波) L为传播距离，D为光束发射口径 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。 漂移的频率一般不超过20Hz，漂移的统计分布服从正态分布。 时间常数 由激光发射直径 和横向风速 决定 取光束直径D为80mm，不同条件下光束漂移标准方差： 取光束直径D为80mm，不同条件下光束漂移标准方差： 3、光束扩展 光束扩展与光束漂移密切相关，大气湍流会导致光束的短曝光光斑扩展，而一定时间内光束漂移的累积效应会形成更大的弥散光斑，称为长曝光光斑。 4、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。 等相位波前通过湍流大气介质时，由于介质折射率起伏导致相位起伏，主要有波阵面上各点相位差的随机起伏，称为空间相位起伏；以及波阵面的随机倾斜，称为到达角起伏。 原始高斯光束 传播路径上光束剖面 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。 * 2.1 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。 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： 若在 传输距离L上β为常数，则有： 式中，I0和I分别为通