第四章 光在湍流大气中的传输时光强起伏分析
光在超声速湍流边界层中的传输
场传 输时所受 到 的影 响 ， 以直 观 地分 析流场 的一 些 特征 ， 如 气动 实 验 中利 用 阴影 法 、 可 例 纹影 法 和 全息 照 相
技术 分析流场 的 密度分 布 、 湍流 脉 动 、 波和边 界 层等 ． 文采用 纯数 值 计算 方 式 得 到光 穿越 流 场后 的光 强 激 本 和相 位分布 ， 由此分 析 了高超 声 速平板 湍 流边界 层对 光传 输 的影 响 ， 并 以及流 场所呈 现 的部分特 征 ．
之 处 在 于 这 里采 用 一 阶 迎 风 格 式 得 到 界 面 中 对 流 通 骨 ．
２ 三 线 性 插 值
光 传输 的计 算和 流场 的求 解 对 网 格要 求 是 不 同 的 ， Ｆ 用 ｎ’ 求解光 场采 用 的是均匀 网格 ， 需根 据 光斑 尺 度及 光 的波 长确 且 定 网格 分 布密度 ， 而流 场计 算则 需要 在 近壁 区或 流场 密 度 变化 剧烈 的区域 布置 较细 的 网格 ， 此采 用 两套 不 同 的 网格 分 别计 为
３ｔ ＋ ＋
熹【 （
】 ，
２ １一 － （ ） １ ３ｋ ３ｏ ｃ
，
（ ２ ）
（） ３ （） ４
＋
ｆ
＝
ｍａ （ ｌ ＯＦ ） ｘ ａ ｃ ｏ， ２ ’
其涡ｎ√（一 ） 湍能成取 中量 ＝丢 誊 ，动生项 誊 而
［ 稿 日期 ］ ０４ １ １ －［ 回 日期 ］２０ —０ —２ 收 ２０ １ ５ 修 ０５ ５ ０ ［ 金 项 目 ］国 防 科 技 预 研基 金 资 助 项 目 基 ［ 者 简 介 ］陈 勇 （９５一）四 川资 中 ， 士生 。 作 １７ ， 博 土要 从 事 湍 流 模 式 理 论 、 流 计 算 及 气 动 光 学 效应 等 研究 湍
第04讲 大气中的光传输
电子能量：构成分子的原子的电子运动， 分子具有电子能量。
Ee Ev Er
目标识别与成像制导
振动跃迁和转动跃迁
转动能级 10-3——10-4 eV，远红外、微波 振动能级 10-1——10-2 eV，近红外 振动+转动，同振动能级 电子能级跃迁 1 eV，紫外、可见光
目标识别与成像制导
目标识别与成像制导振动跃迁和转动跃迁转动能级103104ev远红外微波振动能级101102ev近红外电子能级跃迁1ev紫外可见光目标识别与成像制导振动跃迁和转动跃迁目标识别与成像制导大气分子对红外光谱的吸收coo的主要吸收带100000001000020000目标识别与成像制导谱线增宽发射中的能量损耗造成的振子振动的阻尼自然增宽吸收分子之间以及吸收与不吸收分子之间相互碰撞产生扰动碰撞增宽各种分子和原子之间的热运动速度差异造成的多普勒效应多谱勒增宽在高层大气中碰撞增宽和多普勒增宽共同起作用在低层大气中20km以下由于气压效应碰撞增宽起主导作用目标识别与成像制导谱线增宽吸收谱线的洛兹线型是大气中红外辐射传输的理论基础吸收系数吸收系数是归一化的理想单色光的波数二分之一极大值处谱线的半宽是气压的函数也是温度的函数谱线的形状因子101327300101标准气压和标准温度随分子类型在范围变动的取值范围约为目标识别与成像制导谱线增宽与洛仑兹廓线相比多普勒廓线在中心区要强得多在ktmc多普勒谱线半宽与绝对温度的平方根成正比目标识别与成像制导对于一个给定的波数和气体成分它对透射比的贡献系由条谱线的吸收系数产生
j 1 N
单色透过率：T exp
目标识别与成像制导
吸收系数的计算
平均波数的谱透射比
在红外辐射传输计算中，在小的谱区间内定义辐射参数具有很大 优越性，普朗克函数的变化就可以忽略不计。
光在湍流大气中的传播综述
谢谢！
3. 3 激光束的扩展
湍流大气中传播的激光光斑在时刻漂移着， 如果我们长时间观测（或观察光斑的长曝 光照片），因光斑漂移引起的累加效果会 形成比瞬时光斑（短曝光光斑）大得多的 弥散斑，这通常称为长时扩展. 而湍流大气 的影响也会使激光束的瞬时光斑扩大，通 常称为短时扩展.
四 结论
大气中的湍流对激光束的影响占突出地位, 重点介绍瑞流作用下的激光的三种物理现 象即强度起伏(大气闪烁),光束漂移和扩展。 实现激光在大气中的更好应用，这些问题 是急需解决的
2.2 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。大气闪烁就是由湍流 漩涡引起的
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
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
2.4 湍流大气中的光传播现象
当光在湍流大气中传播时，大气湍流造成的折射率的起 伏导致激光波阵面的畸变，破坏了光的相干性. 而相干性 的退化将严重削弱光的光学质量，引起光线的随机漂移、 光能量在湍流大气中的传播光束截面上的重新分布（畸 变、展宽、破碎等）、光实际传播路径长度的起伏、一 定接收面积上光强起伏等.
光在湍流大气中的传播
三. 激光在大气端流中的传播
激光是20 世纪最伟大的发明之一. 激光的高相 干度、高亮度、强方向性是普通光源无法比拟 的优点，它在各个学科与技术领域的应用无所 不在、与日俱增. 但当激光在大气中长距离传 播时，由于大气的影响，相干度、亮度会下降， 光束会发散、抖动，当然还有许多物理上的性 质要改变，激光的优点被大大消蚀. 因此， 要 充分发挥激光的优势，必须了解大气湍流对激 光的影响.
光束漂移在接收平面上光束中心的投射点即光斑位臵以某个统计平均位臵为中心发生快大气中传播时大气湍流造成的折射率的起伏导致激光波阵面的畸变破坏了光的相干性
光在湍流大气中的传播
姓 名：
XX
专业班级：2015级 xxxx
一.前言
大气湍流引起的折射率随机起伏 将导致激光束光场的随机变化， 它会严重限制不同光学工程系统 的使用性能，甚至决定光学工程 系统的技术可行性。因此，研究 光在大气传输湍流效应具有重要 的理论和应用意义。
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。
在弱湍流且湍流强度均匀的条件下：
2 1.23Cn (2 )6/7 L11/6 2 6/7 11/6 12.8 C (2 ) L n 2 2 I 4 2 6/7 11/6 0.496Cn (2 ) L 2 6/7 11/6 1.28 C (2 ) L n
谢谢！
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
光的波动性与光谱初中物理重要知识点归纳
光的波动性与光谱初中物理重要知识点归纳光是我们日常生活中非常常见的一种自然现象，它有许多特性和应用。
了解光的波动性和光谱是初中物理中的重要知识点之一。
下面，将对光的波动性和光谱进行归纳和分析。
1. 光的波动性光既具有粒子性，又具有波动性。
光的波动性主要体现在它的传播和干涉现象中。
1.1 光的传播光的传播是通过波动进行的。
光是一种电磁波，传播时会产生电场和磁场的变化。
光的传播速度是光速，即约为3×10^8米/秒。
1.2 光的干涉干涉是光的一种波动性现象。
当两束光波相遇时，会发生相长和相消干涉。
相长干涉使光强增强，相消干涉则使光强减弱。
2. 光谱光谱是将光分解成不同波长的成分的过程，分为连续光谱、线状光谱和吸收光谱。
2.1 连续光谱连续光谱是由各种不同波长的光组成的。
当白炽灯等物体被加热时，会发出包含所有波长的连续光谱。
2.2 线状光谱线状光谱是由具有特定波长的光组成的。
例如，氢光谱是指由氢气激发产生的光谱，它只包含具有特定波长的线状光谱。
2.3 吸收光谱吸收光谱是光经过物质后被吸收或部分吸收的光谱。
物质的吸收光谱可以帮助我们了解物质的成分和特性，如分子结构等。
3. 光的色散和折射光的色散和折射也是与光的波动性和光谱密切相关的重要知识点。
3.1 光的色散光在通过介质时，不同波长的光会因折射率的不同而偏折角度不同，导致光的色散现象。
例如，将白光通过一个三棱镜时，可以看到从紫色到红色的连续光谱。
3.2 光的折射光在从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
根据斯涅尔定律，入射角、出射角和介质的折射率之间存在一个关系。
4. 光的应用光的波动性和光谱在许多领域都有重要的应用。
4.1 光学仪器许多光学仪器，如显微镜、望远镜、光谱仪等，都是基于光的波动性和光谱原理设计和制造的。
它们帮助我们观察微小物体、观测远处的星系，以及分析物质的组成和特征。
4.2 光通信光通信是一种利用光传输信息的技术。
由于光的波动性和传输速度快的特性，光通信已经成为现代通信领域的主要手段之一。
大气湍流中的激光传输
n( p,T , ) 1 77.6(1 7.52 103 2 )( p / T ) 106
折射率结构常数Cn2: 描述折射率湍流强度的系数
强湍流 弱湍流 中等湍流
Cn2>2.5x10-13 Cn2<6.4x10-17 2.5x10-13>Cn2>6.4x10-17
近地面的大气湍流状态会随着地面状况和天气而有所变化。
大气湍流的成因
·
▶热力原因：地面的太阳加热使暖空气热泡 上升，形成湍涡。
▶动力原因：地面对气流的摩擦拖 曳力产生风切变，常常演变为湍流。
光波在大气中传播所呈现的一切性质的改变来源于空气折射率的影响，且 由于湍流介质的随机性和复杂性，我们都必须研究大气湍流折射率的问题。 在光学波段范围内，对流层（高度<17km）中大气的空气折射率可用下式 描述：
大气湍流中的激光传输
xXXXXXXXXX
背景和意义
由于激光特有的高强度、高单色性、高相干性、高方向性等 诸多特性，因此在激光通信中有着容量更大、波束更窄、增益 更高、抗干扰性更强和保密性更好等优点。 近年来，激光的近地应用，如激光通讯、激光测距、激光制导、 激光雷达等，已得到了很好的发展。
但大气湍流引起的折射率随机起伏导致激光束光场的随机变 化，严重限制了不同近地激光工程系统的使用性能。
4径或面积的变化。湍流大气中传 播的激光光斑在时刻漂移着，如果 我们长时间观测（或观察光斑的长 曝光照片），因光斑漂移引起的累 加效果会形成比瞬时光斑（短曝光 光斑）大得多的弥散斑，这通常称 为长时扩展。而湍流大气的影响也 会使激光束的瞬时光斑扩大，通常 称为短时扩展。
谢谢大家！
大气湍流对激光传输的影响
2
相位起伏和到达角起伏
2.2光在大气和水中的传播详解
红外
吸 收
102
1000 .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。
水质不同，其衰减特性差异很大。
P P0e l
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
P P0e 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
104 紫外 可见
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 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。
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。
光发射 光接收
光接收 光发射 光接收 光发射 光接收
光脉冲
目标
关 后向散射光
关
关
开
(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。
光在大气和水中的传播概要课件
水的清澈度和有机物含量也会影响光 的吸收。清澈的水体透射能力较强， 而含有较多有机物的水体透射能力较 弱。
吸收特性
水对紫外线的吸收较强，而对红光和 红外线的吸收较弱。因此，随着深度 的增加，水体对不同波长光的透射能 力逐渐降低。
Hale Waihona Puke 水对光的散射散射机制
水分子和悬浮颗粒对光的散射作 用导致光在水中传播时发生散射。 散射强度与波长、颗粒大小和形
大气散射
由于大气中存在各种 微小颗粒和气体分子， 光在传播过程中可能 会发生散射，导致天 空呈蓝色或白色。
大气吸收
大气中的某些气体分 子会吸收特定波长的 光，导致光的能量减少。
大气中的气溶胶
大气中的气溶胶颗粒 会对光的传播产生影 响，如云、雾和霾等。
光在大气中的传播
光的散射
光在传播过程中遇到大气中的微小颗粒，如空气分子、 水滴、尘埃等，会发生散射现象。
光的折射
光在传播过程中遇到不同介质时，其传播方向会发生改变， 这种现象称为折射。
当光线从一种介质传播到另一种介质时，由于介质对光的折 射率不同，光线的传播方向会发生偏转。这种现象在日常生 活中非常常见，例如当光线从空气进入水或其他透明介质时， 光线的方向会发生改变。
光的反射
光在传播过程中遇到光滑表面时，会按照一定的规律反射回去，这种现象称为光 的反射。
散射是指光线在遇到微小颗粒时，会向各个方向反射， 导致天空呈现蓝色或白色。这种现象在早晨和黄昏时尤 为明显，因为此时太阳光需要穿越的大气层更厚，散射 作用更强。
光的吸收
光在传播过程中会被大气中的某些成分所吸收，导致光的能量减弱。
大气中的某些气体分子，如二氧化碳和水蒸气，能够吸收特定波长的光线，导致这些波长的光 线在大气中传播时能量逐渐减弱。这种现象对于地球上的生命至关重要，因为它决定了哪些波 长的光线能够到达地球表面，从而影响生物的生存和演化。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述
光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。
经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征：
σI2=I2−I2
I2
（4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。
设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为：
pχΧ=
2πσ −χ−χ2
σχ
（4.2）
其振幅A=A0 expχ。
引入概率变换：
p A A=pχΧ=ln A dχ
dA ,dχ
dA
=1
A
（4.3）
则振幅的概率密度函数为：
p A A=
2πσA exp −1
2σχ2
ln A
A0
−χ
2
，A≥0（4.4）
闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。
4.2 光强闪烁的日变化
大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强
起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。
它的定义：
σln I2=ln I I0−ln I I02（4.5）
其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。
在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。
在这期间，视各地
的气候、地形等不同光强起伏值有曲折变化。
中午过后起伏值开始下降，傍晚降到几乎最小，在这期间也是视各地的情况不同，下降曲线有很大不同。
某些地区傍晚过后起伏值略有反弹。
总体特征是正午前后光强起伏最大，同出后及日落前1小时起伏较小，傍晚时分起伏最小。
晚上9：00—10：00左右有回升趋势。
这和大气湍流运动主要由闩光能量衰耗导致大气层温差扰动而引起的大气湍流理论结果是一致的。
根据大气湍流理论白天太阳升起后地面温度逐渐升高，地面温度与空气温度的差别不断地增大，到正午这种差别达到最大，因温度差异而产生的大气湍流运动也渐渐增强，正午前后最激烈，信道上折射率的随机变化范围增大且变化频率加快，从而光强起伏从同日出后逐渐增大，正午时最大，闪烁最激烈。
在日出和日落十分，地面温度和空气温度差不多，大气湍流运动减弱，光强起伏减小。
到了晚上，地面温度逐渐降低，地面温度低于空气温度又使湍流运动增强，起伏方差显现回升趋势。
4.3 不同天气情况下的光强闪烁
随天气的变化，光强起伏也相应的发生变化。
总体趋势是晴天的光强起伏比阴天、雨天大很多，差5—10倍左右，其中雨天的光强起伏方差最小，这是因为雨降低了地面的温度，削减了温度差异，同时雨滴还减少了空气中的不均匀成分。
这方面都有实验证明，在此不作重点介绍。
4.4 大气湍流闪烁引起的光强起伏谱分析
激光在湍流大气中的光强起伏一直是波在介质中传播研究的一个重要问题。
光强起伏的功率谱特征在一定程度上反映了湍流介质折射率场起伏的统计特性。
研究表明：对数光强的功率谱可以分为低频段和高频段两个区间。
在低频段的主要部分，功率谱呈常数；而在高频段的大部分范围，功率谱与频率呈直属变化关系，满足标度不变律。
根据Kolmogrov的湍流统计理论，在充分发展的局地各向同性湍流场中存在着一个惯性区，在此区间内，湍流速度场的结构函数呈现标度律：
D v r=C v2rζ（4.6）
标度指数ζ按Kolmogrov的量纲分析方法所得为2／3。
按照类似的假设认为作为保守被动混合物的湍流温度场的结构函数具有相同的标度律：
D T r=C T2rζ（4.7）
对于重要由温度场决定的折射率场的结构函数，也应具有相同的标度律：
D n r=C n2rζ（4.8）
对应的一维空间谱为：
V n K∝Kζ+1（4.9）对应的二维空间谱维：
Φn K∝Kζ+3（4.10）在弱起伏条件下，湍流介质中传播的波长为λ的平面波振幅的二维谱密度为：
F A K，0∝1−λ2K
4π2L sin4π2L
λ2K
Kζ+3（4.11）
据此可求得波的振幅的相关函数，其Fourier变换即为波振幅的起伏频谱。
经过一系列的数学推导并作一些物理假设，即可求得对数光强的功率谱。
在频率很高时功率谱满足标度律：
W ln I f∝f a0其中f→∞，a0=−ζ+2（4.12）这里标度指数a0应为-8/3。
4.5 大气湍流闪烁引起的光强起伏统计特征分析
当大气湍流满足局地均匀各向同性时，激光强度起伏的概率密度分布在弱起伏传播条件下服从对数正态分布，在强起伏传播条件下服从指数分布。
但实际大气中的湍流很难满足局地均匀各向同性的条件。
在弱起伏条件下，对数振幅起伏的相关函数和结构函数为：。