光在大氣和水中的傳播詳解實(shí)用教案

1、大氣激光通信、探測(cè)大氣激光通信、探測(cè)(tnc)等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。道。大氣大氣(dq)分子：分子：10-8cm大氣氣溶膠：大氣氣溶膠：0.032000m，塵埃、煙粒、微水滴、有機(jī)，塵埃、煙粒、微水滴、有機(jī)(yuj)微生物微生物 微粒在大氣中的懸浮成溶膠狀態(tài)微粒在大氣中的懸浮成溶膠狀態(tài)大氣氣體分子及氣溶膠的大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射吸收和散射會(huì)引起的光束能量衰減；會(huì)引起的光束能量衰減；當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時(shí)間極短時(shí)，當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時(shí)間極短時(shí)，非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)也會(huì)影響光也會(huì)影響光束的特性。束的特性?？諝饪諝庹凵渎什痪鶆蛘凵渎什痪鶆驎?huì)引起的光波的振

2、幅和相位起伏；會(huì)引起的光波的振幅和相位起伏；第1頁(yè)/共20頁(yè)第一頁(yè)，共21頁(yè)。1. 大氣(dq)衰減吸收散射衰減設(shè)強(qiáng)度為設(shè)強(qiáng)度為I的單色光輻射，通過(guò)厚度為的單色光輻射，通過(guò)厚度為dl的大氣的大氣(dq)薄薄層。層。IIdldIIIdlII 為大氣為大氣(dq)衰減系數(shù)（衰減系數(shù)（km-1）假設(shè)大氣厚度為假設(shè)大氣厚度為L(zhǎng), 入射光強(qiáng)入射光強(qiáng)I0, 出射光強(qiáng)出射光強(qiáng)I1I0I1L100ILIdIdlI)exp(exp001LdlIITL第2頁(yè)/共20頁(yè)第二頁(yè)，共21頁(yè)。)exp(LT朗伯定律朗伯定律-光強(qiáng)隨傳輸光強(qiáng)隨傳輸(chun sh)距離的增加距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。呈指數(shù)規(guī)律衰減。aamm

3、kkkm和和m分別為分子分別為分子(fnz)的吸收和散射系數(shù)；的吸收和散射系數(shù)；ka和和a分別大氣分別大氣(dq)氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。衰減系數(shù)常用單位為（衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（）或（dB/km） (dB/km)=4.343 (1/km) 第3頁(yè)/共20頁(yè)第三頁(yè)，共21頁(yè)。 大氣大氣(dq)(dq)分子的分子的吸收吸收 大氣分子在光波大氣分子在光波(gungb)(gungb)電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)，為了克服大氣分子內(nèi)部并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)，為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量。阻力要消耗能量。入射光頻率入

4、射光頻率= =大氣分子大氣分子(fnz)(fnz)固有頻率時(shí)，共振吸收，吸收出現(xiàn)極大值固有頻率時(shí)，共振吸收，吸收出現(xiàn)極大值分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定。分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決定。分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)紫外和可見(jiàn)光紫外和可見(jiàn)光分子內(nèi)原子振動(dòng)分子內(nèi)原子振動(dòng)近紅外和中紅外近紅外和中紅外分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外第4頁(yè)/共20頁(yè)第四頁(yè)，共21頁(yè)。N2、O2分子分子(fnz)：可見(jiàn)光和紅外區(qū)幾乎不吸收，遠(yuǎn)紅：可見(jiàn)光和紅外區(qū)幾乎不吸收，遠(yuǎn)紅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：吸收可見(jiàn)光和近紅外，但因

5、它等：吸收可見(jiàn)光和近紅外，但因它們?cè)诖髿庵械暮總冊(cè)诖髿庵械暮?hnling)甚微，一般也不考慮其吸收作甚微，一般也不考慮其吸收作用。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，才考慮它們用。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，才考慮它們吸收作用。吸收作用。 H2O和和CO2分子：特別是分子：特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)(zhun dng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此是可見(jiàn)光和近紅外區(qū)最重要的吸收及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此是可見(jiàn)光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素吸收分子主要吸收譜線中心波長(zhǎng)(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頁(yè)/共20頁(yè)第五頁(yè)，共21頁(yè)。 一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段稱一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段稱為為“大氣窗口大氣窗口”。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。目前常用的激光目前常用的激光(jgung)(jgung)波長(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)。波長(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)。 第6頁(yè)/共20頁(yè)第六頁(yè)，共21頁(yè)。(2) 大氣分

7、子大氣分子(fnz)的散的散射射可見(jiàn)光和近紅外波段，輻射可見(jiàn)光和近紅外波段，輻射(fsh)波長(zhǎng)波長(zhǎng)分子線度分子線度d瑞利散射瑞利散射43/827. 0ANm m為瑞利散射系數(shù)為瑞利散射系數(shù)(xsh)；N為單位體積中的分子數(shù)；為單位體積中的分子數(shù)；A為分為分子的散射截面；子的散射截面； 為光波長(zhǎng)。為光波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。第7頁(yè)/共20頁(yè)第七頁(yè)，共21頁(yè)。（3） 大氣大氣(dq)氣溶膠的衰減氣溶膠的衰減 氣溶膠對(duì)光波氣溶膠對(duì)光波(gungb)的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。的衰減包括氣溶膠的散射和吸收。 粒度在粒度在 0.03 m

8、到到2000 m之間的固態(tài)和液態(tài)微之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，這些粒，這些(zhxi)微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài) d，米氏散射米氏散射 米氏散射則主要依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以米氏散射則主要依賴于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長(zhǎng)的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈。及折射率特性，與波長(zhǎng)的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈。第8頁(yè)/共20頁(yè)第八頁(yè)，共21頁(yè)。 晴朗晴朗(qnglng)、霾、霧大氣的衰減、霾、霧大氣的衰減在大氣水平在大氣水平(shupng)均勻條件下，只考慮氣溶膠衰減，朗均勻條件下，只考慮氣溶膠衰減，朗伯定律可改寫(xiě)為伯定律可改寫(xiě)為)exp(LTaqaAq值可通過(guò)

9、值可通過(guò)(tnggu)實(shí)驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)確定qaV)55. 0/()/29. 3(V（km）：能見(jiàn)度）：能見(jiàn)度)km6 (585. 0)(3 . 1)(6 . 13/1VVq當(dāng)中等能見(jiàn)度能見(jiàn)度很大時(shí)對(duì)于近紅外光，對(duì)于近紅外光， 對(duì)于可見(jiàn)光對(duì)于可見(jiàn)光 /0.55 1，故有，故有 a =3.91/V (km)。第9頁(yè)/共20頁(yè)第九頁(yè)，共21頁(yè)。 雨和雪的衰減雨和雪的衰減(shui jin)(shui jin) 雨滴間隙要大得多，故能見(jiàn)度較霧高，光波容雨滴間隙要大得多，故能見(jiàn)度較霧高，光波容易通過(guò)。加之雨滴的前向散射效應(yīng)強(qiáng)，這會(huì)顯著地易通過(guò)。加之雨滴的前向散射效應(yīng)強(qiáng)，這會(huì)顯著地減小對(duì)直射光束的衰減。結(jié)果雨

10、的衰減系數(shù)比霧小減小對(duì)直射光束的衰減。結(jié)果雨的衰減系數(shù)比霧小兩個(gè)兩個(gè)(lin )(lin )數(shù)量級(jí)以上。數(shù)量級(jí)以上。 激光在雪中的、衰減激光在雪中的、衰減(shui jin)(shui jin)系數(shù)與降雪強(qiáng)度有系數(shù)與降雪強(qiáng)度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同波長(zhǎng)的激光在雪中的衰減較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同波長(zhǎng)的激光在雪中的衰減(shui (shui jin)jin)差別不大，但就同樣的含水量而言，雪的衰減差別不大，但就同樣的含水量而言，雪的衰減(shui (shui jin)jin)比雨的大，比霧的小。比雨的大，比霧的小。 第10頁(yè)/共20頁(yè)第十頁(yè)，共21頁(yè)。2. 大氣湍流(tunli)效應(yīng) 通常大氣通常大氣(

11、dq)(dq)是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運(yùn)動(dòng)形式是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運(yùn)動(dòng)形式分為層流運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)。分為層流運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)。湍流運(yùn)動(dòng)：無(wú)規(guī)則的漩渦湍流運(yùn)動(dòng)：無(wú)規(guī)則的漩渦(xun (xun w)w)流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很復(fù)雜，流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動(dòng)，也有縱向運(yùn)動(dòng)，既有橫向運(yùn)動(dòng)，也有縱向運(yùn)動(dòng)，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。平均值隨機(jī)起伏。 層流運(yùn)動(dòng)：層流運(yùn)動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)則的穩(wěn)定流動(dòng)，在一個(gè)薄層的流速流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)則的穩(wěn)定流動(dòng)，在一個(gè)薄層的流速和流向均為定值，層與層之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生混合。和流向均為定值，層與層之間

12、在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生混合。第11頁(yè)/共20頁(yè)第十一頁(yè)，共21頁(yè)。(1) (1) 大氣大氣(dq)(dq)閃閃爍爍光束強(qiáng)度在時(shí)間和空間上隨機(jī)起伏光束強(qiáng)度在時(shí)間和空間上隨機(jī)起伏(qf)(qf)，光強(qiáng)忽，光強(qiáng)忽大忽小，即所謂光束強(qiáng)度閃爍。大忽小，即所謂光束強(qiáng)度閃爍。 一般地，波長(zhǎng)一般地，波長(zhǎng)(bchng)(bchng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)(bchng)(bchng)長(zhǎng)，長(zhǎng)，閃爍小。閃爍小。(2) (2) 光束的彎曲和漂移光束的彎曲和漂移在接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）以某個(gè)統(tǒng)計(jì)平均在接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）以某個(gè)統(tǒng)計(jì)平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動(dòng)（其頻率

13、可由數(shù)赫到數(shù)十赫），位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動(dòng)（其頻率可由數(shù)赫到數(shù)十赫），此現(xiàn)象稱為此現(xiàn)象稱為光束漂移光束漂移。若將光束視為一體，經(jīng)過(guò)若干分鐘會(huì)發(fā)現(xiàn)，。若將光束視為一體，經(jīng)過(guò)若干分鐘會(huì)發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為光束彎曲光束彎曲。主要受制主要受制于大氣折射率的起伏。于大氣折射率的起伏。第12頁(yè)/共20頁(yè)第十二頁(yè)，共21頁(yè)。(3) (3) 空間相位空間相位(xingwi)(xingwi)起起伏伏 在透鏡的焦平面上接收，就會(huì)發(fā)現(xiàn)像點(diǎn)抖動(dòng)。這可解釋為在在透鏡的焦平面上接收，就會(huì)發(fā)現(xiàn)像點(diǎn)抖動(dòng)。這可解釋為在光束產(chǎn)生漂移的同時(shí)，光束在接收面上的到達(dá)角

14、也因湍流影光束產(chǎn)生漂移的同時(shí)，光束在接收面上的到達(dá)角也因湍流影響而隨機(jī)響而隨機(jī)(su j)(su j)起伏，即與接收孔徑相當(dāng)?shù)哪且徊糠植ㄇ捌鸱磁c接收孔徑相當(dāng)?shù)哪且徊糠植ㄇ跋鄬?duì)于接收面的傾斜產(chǎn)生隨機(jī)相對(duì)于接收面的傾斜產(chǎn)生隨機(jī)(su j)(su j)起伏。起伏。 第13頁(yè)/共20頁(yè)第十三頁(yè)，共21頁(yè)。2.3 光波(gungb)在水中的傳播第14頁(yè)/共20頁(yè)第十四頁(yè)，共21頁(yè)。 在水中傳播的各種波中，在水中傳播的各種波中， 縱波的衰減最小。聲納技縱波的衰減最小。聲納技術(shù)被廣泛采用術(shù)被廣泛采用(ciyng)(ciyng)。 電磁波的衰減嚴(yán)重，無(wú)線電波和微波在水下幾乎無(wú)法電磁波的衰減嚴(yán)重，無(wú)線電波和

15、微波在水下幾乎無(wú)法應(yīng)用。光波相對(duì)無(wú)線電波和微波而言，其衰減較小。應(yīng)用。光波相對(duì)無(wú)線電波和微波而言，其衰減較小。單色平行光束在水中傳播的衰減單色平行光束在水中傳播的衰減(shui jin)規(guī)律也近似服從指規(guī)律也近似服從指數(shù)規(guī)律數(shù)規(guī)律 lePP0 是包括散射和吸收在內(nèi)的衰減系數(shù)。與水質(zhì)是包括散射和吸收在內(nèi)的衰減系數(shù)。與水質(zhì)(shu zh)(shu zh)傳播傳播光束的波長(zhǎng)有關(guān)。光束的波長(zhǎng)有關(guān)。衰減長(zhǎng)度衰減長(zhǎng)度L0表示水下傳播光束衰減的大小表示水下傳播光束衰減的大小L0=1/ (m)第15頁(yè)/共20頁(yè)第十五頁(yè)，共21頁(yè)。106104102100相相對(duì)對(duì)吸吸收收0.1 0.3 0.5 0.7 1.0

16、3.0 5.0 10紫外紫外 可見(jiàn)可見(jiàn) 紅外紅外波長(zhǎng)波長(zhǎng)( m) 藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱該波段為藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱該波段為“水下窗口水下窗口”。0.49 m和和0.69 m波長(zhǎng)光波的衰減長(zhǎng)度分別為波長(zhǎng)光波的衰減長(zhǎng)度分別為11 m和和2 m。這說(shuō)。這說(shuō)明明(shumng)藍(lán)光比紅光在水中的傳輸性能要好得多。藍(lán)光比紅光在水中的傳輸性能要好得多。水質(zhì)不同，其衰減水質(zhì)不同，其衰減(shui jin)特性差異很大。特性差異很大。第16頁(yè)/共20頁(yè)第十六頁(yè)，共21頁(yè)。lePP0PPPPL00ln1ln1光脈沖的作用距離光脈沖的作用距離(jl)方程為方程為P0：光發(fā)射功率P：探測(cè)器的最小可探測(cè)功率L

17、：光脈沖(michng)在水下所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。P0=106W，P=10-14W= 0.49 m，L=500 m= 0.69 m，L=80 m第17頁(yè)/共20頁(yè)第十七頁(yè)，共21頁(yè)。前向散射前向散射(snsh)(snsh)與后向散射與后向散射(snsh)(snsh) 光在傳輸方向上的散射稱為光在傳輸方向上的散射稱為(chn wi)(chn wi)前向散射，而前向散射，而在相反方向的散射稱為在相反方向的散射稱為(chn wi)(chn wi)后向散射。后向散射。 前向散射使光束傳輸前向散射使光束傳輸(chun sh)(chun sh)距離明顯增大，傳輸距離明顯增大，傳輸(chun (chun s

18、h)sh)距離越遠(yuǎn)，前向散射光的貢獻(xiàn)就越大。這種效應(yīng)對(duì)水下照明有距離越遠(yuǎn)，前向散射光的貢獻(xiàn)就越大。這種效應(yīng)對(duì)水下照明有利，但對(duì)水下光束掃描和水下攝影不利，它會(huì)使掃描分辨率和目標(biāo)利，但對(duì)水下光束掃描和水下攝影不利，它會(huì)使掃描分辨率和目標(biāo)背景比度下降。背景比度下降。光源單程光束多程光束接收平面光束截面第18頁(yè)/共20頁(yè)第十八頁(yè)，共21頁(yè)。 后向散射較前向散射強(qiáng)烈得多。使接收器產(chǎn)生后向散射較前向散射強(qiáng)烈得多。使接收器產(chǎn)生(chnshng)(chnshng)飽和，因此在水下測(cè)距、電視、攝影飽和，因此在水下測(cè)距、電視、攝影等應(yīng)用中，主要是設(shè)法克服這種后向散射的影響。等應(yīng)用中，主要是設(shè)法克服這種后向散射的影響。措施如下措施如下(rxi)(rxi)：適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無(wú)規(guī)則偏振的后向散射以分辨無(wú)規(guī)則偏振的后向散射和有規(guī)則偏振的目標(biāo)反射。和有規(guī)則偏振的目標(biāo)反射。 盡可能的分開(kāi)發(fā)射光源和接收器。盡可能的分開(kāi)發(fā)射光源和接收器。采用如圖所示的距離選通技術(shù)。采用如圖所示的距離選通技術(shù)。光脈沖光發(fā)射光接收目標(biāo)關(guān)光接收關(guān)后向散射光光發(fā)射光接收關(guān)光發(fā)射光接收開(kāi)第19頁(yè)/