光在大气和水中的传播详解实用教案

1、大气激光通信、探测大气激光通信、探测(tnc)等技术应用通常以大气为信等技术应用通常以大气为信道。道。大气大气(dq)分子：分子：10-8cm大气气溶胶：大气气溶胶：0.032000m，尘埃、烟粒、微水滴、有机，尘埃、烟粒、微水滴、有机(yuj)微生物微生物 微粒在大气中的悬浮成溶胶状态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大气气体分子及气溶胶的吸收和散射吸收和散射会引起的光束能量衰减；会引起的光束能量衰减；当光波功率足够大、持续时间极短时，当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应非线性效应也会影响光也会影响光束的特性。束的特性。空气空气折射率不均匀折射率不均匀会引起的光波的振

2、幅和相位起伏；会引起的光波的振幅和相位起伏；第1页/共20页第一页，共21页。1. 大气(dq)衰减吸收散射衰减设强度为设强度为I的单色光辐射，通过厚度为的单色光辐射，通过厚度为dl的大气的大气(dq)薄薄层。层。IIdldIIIdlII 为大气为大气(dq)衰减系数（衰减系数（km-1）假设大气厚度为假设大气厚度为L, 入射光强入射光强I0, 出射光强出射光强I1I0I1L100ILIdIdlI)exp(exp001LdlIITL第2页/共20页第二页，共21页。)exp(LT朗伯定律朗伯定律-光强随传输光强随传输(chun sh)距离的增加距离的增加呈指数规律衰减。呈指数规律衰减。aamm

3、kkkm和和m分别为分子分别为分子(fnz)的吸收和散射系数；的吸收和散射系数；ka和和a分别大气分别大气(dq)气溶胶的吸收和散射系数。气溶胶的吸收和散射系数。衰减系数常用单位为（衰减系数常用单位为（1/km）或（）或（dB/km） (dB/km)=4.343 (1/km) 第3页/共20页第三页，共21页。 大气大气(dq)(dq)分子的分子的吸收吸收 大气分子在光波大气分子在光波(gungb)(gungb)电场的作用下产生极化，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。阻力要消耗能量。入射光频率入

4、射光频率= =大气分子大气分子(fnz)(fnz)固有频率时，共振吸收，吸收出现极大值固有频率时，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电子运动紫外和可见光紫外和可见光分子内原子振动分子内原子振动近红外和中红外近红外和中红外分子绕其质量中心的转动分子绕其质量中心的转动远红外远红外第4页/共20页第四页，共21页。N2、O2分子分子(fnz)：可见光和红外区几乎不吸收，远红：可见光和红外区几乎不吸收，远红外和微波段很大的吸收。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

5、它等：吸收可见光和近红外，但因它们在大气中的含量们在大气中的含量(hnling)甚微，一般也不考虑其吸收作甚微，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。吸收作用。 H2O和和CO2分子：特别是分子：特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动分子在近红外区有宽广的振动-转动转动(zhun dng)及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收及纯振动结构，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分子，是晴天大气光学衰减的主要因素吸收分子主要吸收谱线中心波长(m)H2O0.72 0.

6、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 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6第5页/共20页第五页，共21页。 一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为为“大气窗口大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光目前常用的激光(jgung)(jgung)波长都处于这些窗口之内。波长都处于这些窗口之内。 第6页/共20页第六页，共21页。(2) 大气分

7、子大气分子(fnz)的散的散射射可见光和近红外波段，辐射可见光和近红外波段，辐射(fsh)波长波长分子线度分子线度d瑞利散射瑞利散射43/827. 0ANm m为瑞利散射系数为瑞利散射系数(xsh)；N为单位体积中的分子数；为单位体积中的分子数；A为分为分子的散射截面；子的散射截面； 为光波长。为光波长。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。第7页/共20页第七页，共21页。（3） 大气大气(dq)气溶胶的衰减气溶胶的衰减 气溶胶对光波气溶胶对光波(gungb)的衰减包括气溶胶的散射和吸收。的衰减包括气溶胶的散射和吸收。 粒度在粒度在 0.03 m

8、到到2000 m之间的固态和液态微之间的固态和液态微粒，这些粒，这些(zhxi)微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态 d，米氏散射米氏散射 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。及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈。第8页/共20页第八页，共21页。 晴朗晴朗(qnglng)、霾、雾大气的衰减、霾、雾大气的衰减在大气水平在大气水平(shupng)均匀条件下，只考虑气溶胶衰减，朗均匀条件下，只考虑气溶胶衰减，朗伯定律可改写为伯定律可改写为)exp(LTaqaAq值可通过

9、值可通过(tnggu)实验确定实验确定qaV)55. 0/()/29. 3(V（km）：能见度）：能见度)km6 (585. 0)(3 . 1)(6 . 13/1VVq当中等能见度能见度很大时对于近红外光，对于近红外光， 对于可见光对于可见光 /0.55 1，故有，故有 a =3.91/V (km)。第9页/共20页第九页，共21页。 雨和雪的衰减雨和雪的衰减(shui jin)(shui jin) 雨滴间隙要大得多，故能见度较雾高，光波容雨滴间隙要大得多，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

10、的衰减系数比雾小减小对直射光束的衰减。结果雨的衰减系数比雾小两个两个(lin )(lin )数量级以上。数量级以上。 激光在雪中的、衰减激光在雪中的、衰减(shui jin)(shui jin)系数与降雪强度有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较好的对应关系。不同波长的激光在雪中的衰减(shui (shui jin)jin)差别不大，但就同样的含水量而言，雪的衰减差别不大，但就同样的含水量而言，雪的衰减(shui (shui jin)jin)比雨的大，比雾的小。比雨的大，比雾的小。 第10页/共20页第十页，共21页。2. 大气湍流(tunli)效应 通常大气通常大气(

11、dq)(dq)是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式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。分为层流运动和湍流运动。湍流运动：无规则的漩涡湍流运动：无规则的漩涡(xun (xun w)w)流动，质点的运动轨迹很复杂，流动，质点的运动轨迹很复杂，既有横向运动，也有纵向运动，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空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。平均值随机起伏。 层流运动：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。和流向均为定值，层与层之间

12、在运动过程中不发生混合。第11页/共20页第十一页，共21页。(1) (1) 大气大气(dq)(dq)闪闪烁烁光束强度在时间和空间上随机起伏光束强度在时间和空间上随机起伏(qf)(qf)，光强忽，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。大忽小，即所谓光束强度闪烁。 一般地，波长一般地，波长(bchng)(bchng)短，闪烁强，波长短，闪烁强，波长(bchng)(bchng)长，长，闪烁小。闪烁小。(2) (2) 光束的弯曲和漂移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

13、可由数赫到数十赫），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），此现象称为此现象称为光束漂移光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，。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。主要受制主要受制于大气折射率的起伏。于大气折射率的起伏。第12页/共20页第十二页，共21页。(3) (3) 空间相位空间相位(xingwi)(xingwi)起起伏伏 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

14、也因湍流影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响而随机(su j)(su j)起伏，即与接收孔径相当的那一部分波前起伏，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相对于接收面的倾斜产生随机(su j)(su j)起伏。起伏。 第13页/共20页第十三页，共21页。2.3 光波(gungb)在水中的传播第14页/共20页第十四页，共21页。 在水中传播的各种波中，在水中传播的各种波中， 纵波的衰减最小。声纳技纵波的衰减最小。声纳技术被广泛采用术被广泛采用(ciyng)(ciyng)。 电磁波的衰减严重，无线电波和微波在水下几乎无法电磁波的衰减严重，无线电波和

15、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。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单色平行光束在水中传播的衰减(shui jin)规律也近似服从指规律也近似服从指数规律数规律 lePP0 是包括散射和吸收在内的衰减系数。与水质是包括散射和吸收在内的衰减系数。与水质(shu zh)(shu zh)传播传播光束的波长有关。光束的波长有关。衰减长度衰减长度L0表示水下传播光束衰减的大小表示水下传播光束衰减的大小L0=1/ (m)第15页/共20页第十五页，共21页。106104102100相相对对吸吸收收0.1 0.3 0.5 0.7 1.0

16、3.0 5.0 10紫外紫外 可见可见 红外红外波长波长( m) 蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口水下窗口”。0.49 m和和0.69 m波长光波的衰减长度分别为波长光波的衰减长度分别为11 m和和2 m。这说。这说明明(shumng)蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。水质不同，其衰减水质不同，其衰减(shui jin)特性差异很大。特性差异很大。第16页/共20页第十六页，共21页。lePP0PPPPL00ln1ln1光脉冲的作用距离光脉冲的作用距离(jl)方程为方程为P0：光发射功率P：探测器的最小可探测功率L

17、：光脉冲(michng)在水下所能传输的最远距离。P0=106W，P=10-14W= 0.49 m，L=500 m= 0.69 m，L=80 m第17页/共20页第十七页，共21页。前向散射前向散射(snsh)(snsh)与后向散射与后向散射(snsh)(snsh) 光在传输方向上的散射称为光在传输方向上的散射称为(chn wi)(chn wi)前向散射，而前向散射，而在相反方向的散射称为在相反方向的散射称为(chn wi)(chn wi)后向散射。后向散射。 前向散射使光束传输前向散射使光束传输(chun sh)(chun sh)距离明显增大，传输距离明显增大，传输(chun (chun s

18、h)sh)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。背景比度下降。光源单程光束多程光束接收平面光束截面第18页/共20页第十八页，共21页。 后向散射较前向散射强烈得多。使接收器产生后向散射较前向散射强烈得多。使接收器产生(chnshng)(chnshng)饱和，因此在水下测距、电视、摄影饱和，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。等应用中，主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下措施如下(rxi)(rxi)：适当地选择滤光片和检偏器，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以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。和有规则偏振的目标反射。 尽可能的分开发射光源和接收器。尽可能的分开发射光源和接收器。采用如图所示的距离选通技术。采用如图所示的距离选通技术。光脉冲光发射光接收目标关光接收关后向散射光光发射光接收关光发射光接收开第19页/