光電子技術(shù)第3課

光電子技術(shù)第三課王煒路TelQ：67148453Email：wlwang@光視效能單色光視效率

基爾霍夫輻射定律普朗克公式斯忒藩-玻爾茲曼定律上節(jié)復(fù)習(xí)單色輻射出射度單色吸收比第二章光輻射的傳播2.1光波在大氣中的傳播大氣激光通信、探測等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。影響光束的特性大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射

光束能量衰減

空氣折射率不均勻光波的振幅和相位起伏非線性效應(yīng)（光波功率大、持續(xù)時間極短）λ'=λ/n1.大氣衰減傳輸光輻射強度的衰減吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ㄈ鐭崮艿龋┥⑸涠x原來的傳播方向dI/I=(I-I)/I=-dl

大氣透過率朗伯定律光強隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減為大氣衰減系數(shù)（1/km）

吸收散射km和m分別為分子的吸收和散射系數(shù)；ka和a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（分貝dB/km）。二者之間的換算關(guān)系為(dB/km)=4.343(1/km)⑴大氣分子的吸收大氣分子在光波電場的作用下產(chǎn)生極化以入射光的頻率作受迫振動克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量大氣分子的吸收分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運動形態(tài)決定極性分子的內(nèi)部運動分子內(nèi)電子運動組成分子的原子振動分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動組成紫外和可見光近紅外和中紅外遠(yuǎn)紅外分子的吸收特性強烈的依賴于光波的頻率

N2、O2分子（約90%）

遠(yuǎn)紅外和微波He，Ar，Xe，O3，Ne含量甚微

可見光H2O和CO2分子可見光和近紅外區(qū)分子結(jié)構(gòu)不同，吸收特性不同⑵大氣分子散射密度起伏

破壞了大氣的光學(xué)均勻性一部分光輻射光會向其他方向傳播散射在可見光和近紅外波段，輻射波長總是遠(yuǎn)大于分子的線度，這一條件下的散射為瑞利散射。m為瑞利散射系數(shù)（cm-l）；N為單位體積中的分子數(shù)（cm-1）；A為分子的散射截面（cm2）；為光波長（cm）

波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強烈。可見光比紅外光散射強烈，藍(lán)光又比紅光散射強烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因為藍(lán)光散射最強烈，故明朗的天空呈現(xiàn)藍(lán)色。⑶大氣氣溶膠的衰減大氣中有大量的粒度在0.03m到2000m之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致是塵埃、煙粒、微水滴、鹽粒以及有機微生物等。由于這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)，所以通常又稱為大氣氣溶膠。二氧化硫氮氧化物可吸入顆粒物PM2.5也就是直徑小于2.5微米的污染物顆粒

霧霾汽車尾氣燒煤廢氣工業(yè)廢氣揚塵當(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時，即產(chǎn)生米氏散射①晴朗、霾、霧大氣的衰減根據(jù)朗伯定律，在大氣水平均勻條件下，考慮氣溶膠衰減，式改寫為為水平傳輸距離。a可寫成兩邊取對數(shù)得可見(－q)是lna~ln直線的斜率，q值可通過實驗確定。對于可見光，/0.551，故有a=3.91/V(km)。

對于近紅外光，據(jù)氣象對能見度V（km）的定義可得②雨和雪的衰減霧粒子和雨滴尺寸有很大差別。雨滴間隙要大得多故能見度較霧高，光波容易通過。加之雨滴的前向散射效應(yīng)強，這會顯著地減小對直射光束的衰減。結(jié)果雨的衰減系數(shù)比霧小兩個數(shù)量級以上。

由于雪的物理描述難度較大，又缺乏雪的折射率資料，目前還很難做出定量計算。一些實驗研究表明，激光在雪中的衰減與在雨中相似，衰減系數(shù)與降雪強度有較好的對應(yīng)關(guān)系。不同波長的激光在雪中的衰減差別不大，但就同樣的含水量而言，雪的衰減比雨的大，比霧的小。2.大氣湍流效應(yīng)在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力與此容積邊界上所受的粘滯力之比超過某一臨界值時，液體或氣體的有規(guī)則的層流運動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運動，這一比值就是表示流體運動狀態(tài)特征的雷諾數(shù)Re：式中，

為流體密度（kg/m3）；l為某一特征線度（m）vl為在l量級距離上運動速度的變化量（m/s）；為流體粘滯系數(shù)（kg/ms）。Re是一個無量綱的數(shù)。當(dāng)Re

小于臨界值Recr（由實驗測定）時，流體處于穩(wěn)定的層流運動，而大于Recr時為湍流運動。由于氣體的粘滯系數(shù)

較小，所以氣體的運動多半為湍流運動。大氣湍流氣團的線尺度l有一個上限L0和下限l0，即L0<l<l0，L0和l0分別稱為湍流氣團的外尺度和內(nèi)尺度。激光的大氣湍流效應(yīng)是指激光輻射在折射率起伏場中傳輸時的效應(yīng)。大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計特性服從“2/3次方定律”i分別代表速度（v）、溫度（T）和折射率（n）；r為考察點之間的距離；Ci為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)常數(shù)，單位是m-1/3。大氣湍流折射率的統(tǒng)計特性直接影響激光束的傳輸特性，通常用折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ci的數(shù)值大小表征湍流強度，即

弱湍流Cn=810-9m-1/3

中等湍流Cn=410-8m-1/3強湍流

Cn=510-7m-1/3⑴大氣閃爍光束強度在時間和空間上隨機起伏，光強忽大忽小，即所謂光束強度閃爍。大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點光強I的對數(shù)強度方差來表征在弱湍流且湍流強度均勻的條件下：波長短，閃爍強，波長長，閃爍小。當(dāng)湍流強度增強到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時，閃爍方差就不再按上述規(guī)律繼續(xù)增大，卻略有減小而呈現(xiàn)飽和，故稱之為閃爍的飽和效應(yīng)。⑵光束的彎曲和漂移接收平面上，光束中心的投射點（即光斑位置）以某個統(tǒng)計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機性跳動（其頻率可由數(shù)赫到數(shù)十赫），此現(xiàn)象稱為光束漂移。若將光束視為一體，經(jīng)過若干分鐘會發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦稱為光束彎曲。光束彎曲漂移現(xiàn)象亦稱天文折射，主要受制于大氣折射率的起伏。彎曲表現(xiàn)為光束統(tǒng)計