大气对光衰减
大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射导致光束能量损失，工程上常称大气衰减。
一、大气吸收
1、分子吸收与大气窗口
对于可见光和红外光来说，分子散射的作用是很小的，但分子的吸收对任一光频段的辐射都是不可忽略的。
对于弱吸收，可以把它看作折射率的虚部来计算，但是对于强吸收，在分子吸收谱线附近，吸收随波长的变化而剧烈的变化。
气体分子的大量的吸收谱线组成了谱线群，当谱线十分密集时，可以对光辐射产生连续的吸收，仅在几个波长区中不存在吸收和吸收较弱，形成所谓的“大气窗口”。
最重要的吸收窗口有可见光波段，3-5μm波段和8-12μm波段。
图1大气辐射和吸收光谱
图1中表明了主要吸收气体的吸收线(或吸收带)所在位置。
大气对激光吸收的主要特点是:激光穿过整层大气时，由于NZ，0:和03等分子的吸收，波长小于0.3μm的紫外光几乎都全部被大气吸收;由于水分子有强的吸收光谱，大于20μm的红外光几乎全部被大气吸收。
表1为气体分子的主要吸收谱线。
表1 可见光和近红外区的主要吸收谱线
从表1可以看出，在可见光区域（0.4-0.76μm）内，只有少量分子存在较弱的吸收线，整个可见光区内激光有较高的透射率;在红外区域(0.8-20μm)内，吸收是由于分子振动和转动吸收光谱振动产生.的，吸收特性较为复杂;红外光波段大气窗口在lμm附近，3-5μm和8-12μm，而这也正是无线激光通信的主要传输波段，至于分子对红外波段的吸收应该从微观角度分析。
2、分子吸收对谱线的加宽
2.1分子吸收对谱线加宽原理
2.1.1自然加宽
每个分子辐射能级都有自然寿命，可用阻尼振子模型分析。
自然加宽线型函数为
洛仑兹(Lorentz)线型，其表达式为
2.1.2多普勒加宽
气体分子总是处于无规律的热运动中，‘由于多普勒频移会造成谱线的加宽。
从分
子热运动的麦克斯韦分布率得到多普勒加宽的线性函数公式为
2.1.3碰撞加宽
在一定压强下，气体分子因互相碰撞引起寿命缩短和吸光谱线的加宽，称为碰撞加宽。
碰撞加宽的线型函数为洛仑兹线型，其表达式为
2.2大气散射
由于照射光振荡电磁波的作用，大气中的气溶胶粒子和大气分子等散射体产生极化而感应出振荡的电磁多极子，这些散射体电磁多极子产生的电磁振荡，并向各个方向辐射出电磁波，形成光散射。
与此同时，气溶胶等散射体除使照射光的部分能量散射外，往往还吸收部分照射光能并将其转换为热能等，即散射的吸收效应。
由于大气中存在着各种气体分子和微粒，如尘埃，烟雾等，刮风、下雨、下雪等气象变化使部分光能量被吸收而转变成其他形式的能量(如热能等)，部分光能量被散射而偏离原来的方向(即辐射能在空间的重新分配)，所以散射是引起光衰减的很重要的原因，它分为大气分子引起的散射和大气微粒引起的散射。
2.2.1大气分子引起的反射
由大气分子引起的散射造成的光信号能量的衰减是确定信号畸变的主要原因。
当光波在大气中传输的时候，大气分子使光波的传输方向改变导致光在各个方向的散射。
在通信窗口，波长总远大于大气分子的线度，根据散射理论，此时的散射为瑞利散射。
其体积系数为
由上式可知，分子瑞利散射系数与波长四次方成反比，即波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
2.2.2大气微粒引起的散射
当激光波长与粒子的尺寸相比拟时，产生米氏散射。
由于气溶胶粒子的直径一般在几十微米左右，因此米氏散射理论实际就是对气溶胶粒子散射的一种很好的近似。
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，其系数；σn为。
大气吸收损耗
大气吸收损耗是指大气对电磁波的吸收作用导致的信号衰减。
这种衰减主要发生在无线电通信、卫星通信和光学通信等领域。
大气吸收损耗的主要原因是大气中的气体分子、水汽和氧气等对电磁波的吸收。
对于不同频率的电磁波，大气吸收损耗的表现也有所不同。
例如，在无线电通信和卫星通信中，大气吸收损耗主要集中在60GHz附近的氧气吸收谱线；而在红外区域和亚毫米波频段，大气压力造成的氮气衰减以及潮湿天气中过多水汽吸收等因素也会导致较大的损耗。
此外，光纤通信中的光吸收损耗也是一个重要问题。
光纤中的光吸收损耗主要由材料本身的性质和光波的频率决定。
在光纤中，石英光纤的损耗较小，但红外光在光纤中的损耗较大，这是因为红外光的频率较低，不易被光纤材料吸收。
光在大气中的传播及应用
光在大气中传播及应用大气激光通信、探测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吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；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。
1.大气衰减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（如热能等）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）。
吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。
（1）大气分子吸收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阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。
分子的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。
大气中N2、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。
因此，在可见光和近红外区，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He，Ar，Xe，O3，Ne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。
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，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，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。
表1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，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”。
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。
大气对地基激光通信系统的信号衰减分析
Ｓ ＨＡＯ Ｊ ｎｆｎ ，Ｓ ｏ ｇ ｕ — ｇ ＨＩＬ ｎ ｅ
（ａ ｅ ａｏａ ｒ ａｅ ｔ ａｔｎｗｔ ｔｅ ｈｎｃｕ ｓｔｔｏ ｐｉ ， ｉ ｃａｉ ｎ ｈｓｓ Ｓ ｔ ＫｙＬｂｒｔｙｏ ｓｒｎｅ ｃｏ ｉ Ｍａ ５ＣａｇｈｎＩ ｔｕｅｆＯ ｔｓＦｎ Ｍｅｈｎ ｓａｄＰｙｉ ， ｔｅ ｏ ｆＬ Ｉ ｒ ｉ ｈ ｔ ｎｉ ｃ ｅ ｃ ｃ Ｃｉｅｅ ｃｄｍ Ｓｉ ｃｓＣ ｈｇｈｎ ３０３ Ｃ ｉ ） ｈｎｓ ａｅ ｙｏ ｃ ｎｅ， ｈｎｃｕ １０３ ， ｈ ａ Ａ ｆ ｅ ｎ
第２ 卷 第 １期 ８ ０
Ｖｏ ．８ Ｎｏ １ １ ２ ．０
文章编号 ：０ ７ １８ （０ １１－ ０ １０ １ ０— １０２ １）０ ０ ０ － ５
大气对地基激光通信 系统的信号衰减分析
邵 俊峰 ， 施
龙
（ 中国科 学院 长春 光学精 密机械 与物理研 究所 激光 与物质相 互作 用国家重点 实验 室 吉林 长春 １０ ３ ） ３ ０ ３
摘
要 ：激光通信具有频 带宽、速度快 、稳定可靠、不 受外界 电磁干扰 以及保 密性强等优 点 。地基激光通信
系统受大 气信道的影响严重 ，有 必要 对大气信道 的特性进行研 究和 总结。本 文从 大气的组成及特性入手 ，分 析 了对流层 大气对地基无线激光通信 系统的衰减特性 ，定量给 出 了大气衰减的理论公式 ，针对理论公式参数 不 易获得的 问题给 出了以能见度 为参数 的大气衰减的经验公式 。
ｓ ｕ ｃ ｎ ｅｔ ｒｓ ｃ ｒｔ ｒｐｅ ｙ ｏ ｒ ｅ ａ ｄ ｂ ｔｅ ｅ ｕ ｙ ｐ ｏ ｒ ．Ｔｅｒ ｓｒａ Ｏ ｓ ｓｅ ｉ ａ ｌ ｎ ｕ ｎ ｅ ｙ ｔ ｅ ａｍｏ ｐ ｅｉ ｉ ｎ ｌｃ ａ ｎ ｌ ｉ ｔ ｒｅ ｔｉｌＦＳ ｙ ｔｍ ｓ ｂ ｄｙ ｉｆ ｅ ｃ ｄ ｂ ｈ ｔ ｓ ｈ ｒｃ ｓｇ ａ ｈ ｎ ｅ ， ｌ
大气散射模型原理
大气散射模型原理
大气散射模型是用来描述自然景物表面反射光线在大气中逐渐衰减的数学模型。
其原理可以简述为：当光线通过大气时，会被大气中的分子和颗粒物所散射。
这些散射事件会使得光线逐渐衰减、扩散和变色，最终到达人眼的光线成为不同颜色、亮度和方向的杂散光，使得物体在视觉上看起来更加模糊和暗淡。
在大气散射模型中，一般将大气分为多个不同的层，每一层具有不同的光学参数，如散射系数、吸收系数、逐渐变化的折射率等。
这些参数决定了光线在大气中的传播和衰减方式，从而影响景物的视觉品质。
通过对这些参数的建模和计算，可以得到不同大气条件下光线传播的特性，以及不同特定条件下景物的表面颜色、亮度和对比度等视觉特征，为计算机图形学和计算机视觉领域提供了重要的理论基础。
太阳紫外辐射在大气中衰减的探讨
Ｃ （） Ｔ Ｓ ／Ｃ （ ＯＡ） ．８ ：１５ 川。 但 是 ， 目 前 大 部 分 理 论 模 式 的 研 究 结 果 ， 包 括 ＮＣＡＲ ＣＣＭ ２和 Ｅ ＣＭ Ｗ ＦＧＣＭ 等 给 出 的 比值 却 只 有 １ ． 右 。 这 样 ， 从 上 述 的 ３个 观 测 实 ０左
２ ０ － ７ ９收 到，２ ０ －０ —１ 到 再改稿 ０ ０ ０ —１ ０ ２ ６ ６收 国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ４ ７ ０ ｌ 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 项 目 ＫＺＣＸ２ ２ ４和 ＬＡＰ ０１５ ３ ， 光化 辐射 ；紫 外 辐射； 云； 光化 学 反应
１ 引言
由于 云 与 辐 射 以 及 它 们 之 间 的相 互 作 用 在 天 气 和 气 候 变 化 等 方 面 的 重 要 性 ， 使 得 它
成 为 大 气 科 学 领 域 的 重 要 研 究 课 题 之 一 。 而 云 对 太 阳短 波 辐 射 的 “ 常 吸 收 ” 异 以及 由此 而
２ ０ － ２项 目 共 同 资 助 ０２ ０
维普资讯
４期
白建辉 等： 太 阳紫 外辐射 在 大气 中衰减 的 探讨
验 和 研 究 中 得 到 结 论 ： 云 、 或 者 说 云 及 其 云 以 下 的 大 气 对 太 阳短 波 辐 射 （ ．～ ４／ ０２ ｔ ｍ）
的 卫 星 观 测 资 料 和 ５个 地 面 辐 射 观 测 站 （Ａｌｓ ａ Ｃｏ ｏ ａ ｏ Ｗ ｉｓｏ ｓ ， ａ ｋ ， ｌｒｄ ， ｎ ｃ ｎ ｉ Ａｍｅ ｉｏ ｎ ｒ ｎ ｃ Ｓ ｍｏ ａ Ｔａ ｍａ ｉ） 的 观 测 资 料 后 发 现 Ｃ （ ） Ｔ ａ ｎ ， ｓ ｎａ Ｓ ／Ｃ （ ＯＡ） １ ６ Ｒａ ｎ ｔａ ＝ ． ； ４ ｍａ ａｈ ｎ等 对
2.2光在大气和水中的传播详解
(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。
一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。
(2) 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）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。主要受制于大气折射率的起伏。
λ= 0.49 m，L=500 m
λ= 0.69 m，L=80 m
前向散射与后向散射 光在传输方向上的散射称为前向散射，而在相反 方向的散射称为后向散射。 前向散射使光束传输距离明显增大，传输距离越远，前 向散射光的贡献就越大。这种效应对水下照明有利，但对水 下光束扫描和水下摄影不利，它会使扫描分辨率和目标背景 比度下降。 接
1. 大气衰减
衰减
吸收
散射
设强度为I的单色光辐射，通过厚度为dl的大气薄层。
dI I’ I dl I I
为大气衰减系数（km-1）
I
I
假设大气厚度为L, 入射光强I0, 出射光强I1
dl
I1
I0
L dI dl 0 I
I0 L
I1
L I1 T exp dl exp( L) 0 I0
光接收
关
后向散射光
光接收 关 光发射 光接收 关 光发射 光接收 开
2. 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。
大气对光衰减
大气分子及悬浮微粒对光束的吸收与散射导致光束能量损失，工程上常称大气衰减。
一、大气吸收1、分子吸收与大气窗口对于可见光和红外光来说，分子散射的作用是很小的，但分子的吸收对任一光频段的辐射都是不可忽略的。
对于弱吸收，可以把它看作折射率的虚部来计算，但是对于强吸收，在分子吸收谱线附近，吸收随波长的变化而剧烈的变化。
气体分子的大量的吸收谱线组成了谱线群，当谱线十分密集时，可以对光辐射产生连续的吸收，仅在几个波长区中不存在吸收和吸收较弱，形成所谓的“大气窗口”。
最重要的吸收窗口有可见光波段，3-5μm波段和8-12μm波段。
图1大气辐射和吸收光谱图1中表明了主要吸收气体的吸收线(或吸收带)所在位置。
大气对激光吸收的主要特点是:激光穿过整层大气时，由于NZ，0:和03等分子的吸收，波长小于0.3μm的紫外光几乎都全部被大气吸收;由于水分子有强的吸收光谱，大于20μm的红外光几乎全部被大气吸收。
表1为气体分子的主要吸收谱线。
表1 可见光和近红外区的主要吸收谱线从表1可以看出，在可见光区域（0.4-0.76μm）内，只有少量分子存在较弱的吸收线，整个可见光区内激光有较高的透射率;在红外区域(0.8-20μm)内，吸收是由于分子振动和转动吸收光谱振动产生.的，吸收特性较为复杂;红外光波段大气窗口在lμm附近，3-5μm和8-12μm，而这也正是无线激光通信的主要传输波段，至于分子对红外波段的吸收应该从微观角度分析。
2、分子吸收对谱线的加宽2.1分子吸收对谱线加宽原理2.1.1自然加宽每个分子辐射能级都有自然寿命，可用阻尼振子模型分析。
自然加宽线型函数为洛仑兹(Lorentz)线型，其表达式为2.1.2多普勒加宽气体分子总是处于无规律的热运动中，‘由于多普勒频移会造成谱线的加宽。
从分子热运动的麦克斯韦分布率得到多普勒加宽的线性函数公式为2.1.3碰撞加宽在一定压强下，气体分子因互相碰撞引起寿命缩短和吸光谱线的加宽，称为碰撞加宽。
第八讲-光在大气和水中的传播、激光损伤
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A / A0 )]2 4 2
(2.1-10)
2 式中， 2 可通过理论计算求得，而 I 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 1.23Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 2 12.8Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6 I2 4 2 2 6 / 7 11 / 6 0.496Cn (2 ) L 2 1.28Cn (2 ) 6 / 7 L11 / 6
10.4
9.6
2、 大气分子散射， m
(1)散射的基本概念
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。
3
4
(2.1-6)
式中
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）。
m 0.827 N A /
3
4
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： • 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。
(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10-4 m量级的，在可见光（0.4-
光在大气中的传播
从表不难看出，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，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”。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。
二. 大气衰减
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
如热能等
部分能量被散射而偏离原来的传向
如辐射能量空间 重新分配
吸收和散射的总效果使传输光辐射 强度的衰减。
设强度为I的单色光辐射，通过厚度为dl的大 气薄层。不考虑非线性效应，光强衰减量dI正比 与I及dl，
即dI/I=(I-I)/I=dl 积分后得大气透过率：
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。
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
I2 [ln(I / I 0 )]2 4[ln(A/ A0 )]2 4 2
2 2 式中， 可通过理论计算求得，而 I 则可由
实际测量得到。
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。 ⑴ 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。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态 决定。
吸收 分子 H2 O CO2 O2
主要吸收谱线中心波长(m)
大气对激光的散射
6
考虑最一般情况，一个电荷沿一直线作振幅很小的的上下加速运动，在与 运动轴成 角方位的电场就沿着与 视线垂直的方向，并在包含加速度 与视线的平面内。设距离为 r，那 么在 t 时刻电场的大小为
E（t ) qa(t r / c) sin 4 0c 2 r
（ 12）
其中 a( t-r/c ) 是 ( t-r/c ) 时刻的加速度，叫做推迟 加速度。
d [dPs ( )] I（ （ s ） ）ns P i ( ) dx d
（4）
4
（ 式中，I（ 是散射的辐射强度； 是比例系数，它是散射角 和波长的函数； ） s ） ns 是散射粒子浓度；Pi ( )dx 是入射到厚度为 dx 的元体积上的某一波长激光的 光束功率。将上式改写为
图 1 两类散射模型的强度分布
其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射电磁波的作用下产生电偶极子或多极 子振荡，并以此为中心向四周发出与入射波频率相同的子波，即散射波。散射 波的能量分布同入射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。
2
对一波长为 λ 的单色激光光束，在不均匀媒介内传播距离X后，由于纯散 射作用，将使光束沿 x 方向衰减为
图 2 电荷产生的电场
假设电荷按非相对论性的任何方式作加速运动，由此我们计算加速电荷所 辐射的总能量。
q 2 a '2 sin 2 S 0cE 16 2 o c3r 2
2
（ 13）
S 是能流密度，就是在 方向每平方米所辐射的功率。注意到它与距离平方成 反比，要求出向所有方向辐射的总能量，则必须对上式所有方向积分。
13
参考文献： 《激光雷达技术》上册，戴永江 《费曼物理学讲义》第一卷，郑永令等 《大气散射》地理国情监测云平台网站