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。
② 雨和雪的衰减 雨滴间隙要大得多，故能见度较雾高，光 波容易通过。加之雨滴的前向散射效应强，这 会显著地减小对直射光束的衰减。结果雨的衰 减系数比雾小两个数量级以上。
激光在雪中的、衰减系数与降雪强度有较好的对应 关系。不同波长的激光在雪中的衰减差别不大，但就同 样的含水量而言，雪的衰减比雨的大，比雾的小。
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，为了克服大气分子内部 阻力要消耗能量。 入射光频率=大气分子固有频率时，共振吸收，吸收出现极大值 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。 分子内电子运动 分子内原子振动 分子绕其质量中心的转动 紫外和可见光
近红外和中红外
多程光束 收 平 面
光源
单程光束
光束截面
Байду номын сангаас
后向散射较前向散射强烈得多。使接收器产生 饱和，因此在水下测距、电视、摄影等应用中， 主要是设法克服这种后向散射的影响。
目标
光发射
光脉冲
措施如下： ⑴适当地选择滤光片和检偏器， 以分辨无规则偏振的后向散射 和有规则偏振的目标反射。 ⑵尽可能的分开发射光源和接收器。 ⑶采用如图所示的距离选通技术。
P P0 e l
是包括散射和吸收在内的衰减系数。与水质传播光束的波长
有关。
衰减长度L0表示水下传播光束衰减的大小 L0=1/ (m)
106 相 对 吸 收 104 紫外 可见 红外 102 100 0.1 0.3 0.5 0.7 1.0 3.0 5.0 10
波长(m)
蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口”。 0.49 m和0.69 m波长光波的衰减长度分别为11 m和2 m 。这说明蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。
远红外
N2、O2分子：可见光和红外区几乎不吸收，远红外 和微波段很大的吸收。 He，Ar，Xe，O3，Ne等：吸收可见光和近红外，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
吸收分子 H2O CO2 O2 主要吸收谱线中心波长(m) 0.72 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 14.3 1.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4 4.7 9.6
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。
a (3.29/V ) ( / 0.55) q
q值可通过实验确定 V（km）：能见度
对于可见光/0.551，故有a=3.91/V (km)。
1.6 q 对于近红外光， 1.3 0.585 1/ 3 V (能见度很大时) (中等能见度) (当V 6km)
水质不同，其衰减特性差异很大。
P P0 e l
光脉冲的作用距离方程为
1 P 1 P0 L ln ln P0 P
P0：光发射功率
P：探测器的最小可探测功率 L：光脉冲在水下所能传输的最远距离。
P0=106W，P=10-14W
2.2 光波在大气中 的传播
大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。
大气分子：10-8cm
大气气溶胶：0.03~2000μm，尘埃、烟粒、微水滴、有机微生物 微粒在大气中的悬浮成溶胶状态
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。
(2) 大气分子的散射 可见光和近红外波段，辐射波长λ>>分子线度d 瑞利散射
m 0.827 N A /
3
4
m为瑞利散射系数；N为单位体积中的分子数；A为分子的散 射截面；为光波长。
波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
（3） 大气气溶胶的衰减
粒度在 0.03 m到2000 m之间的固态和液态微 粒，这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态
气溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收。 λ ≤ d，米氏散射
米氏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，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。
① 晴朗、霾、雾大气的衰减 在大气水平均匀条件下，只考虑气溶胶衰减，朗伯定 律可改写为
T exp( a L)
a Aq
T exp(L)
朗伯定律-------光强随传输距离的增加呈指数规律 衰减。
km m ka a
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。 衰减系数常用单位为（1/km）或（dB/km）
(dB/km)=4.343 (1/km)
(3) 空间相位起伏
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。
2.3 光波在水 中的传播
在水中传播的各种波中， 纵波的衰减最小。声 纳技术被广泛采用。 电磁波的衰减严重，无线电波和微波在水下几乎 无法应用。光波相对无线电波和微波而言，其衰减 较小。 单色平行光束在水中传播的衰减规律也近似服从指数规律