光在湍流大气中的传播综述
光在湍流大气中的传播
大 气 端 流
大气的随机运动造成了大气湍流，其主要起因是地球表 面对气流拖曳造成的风速剪切、太阳辐射对地球表面不 同位置加热的差异或地表热辐射导致的热对流、包含热 量释放的相变过程造成的温度和速度场的改变等。
2.1大气折射率和湍流的影响
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。空气的折射率由空气 的密度决定。空气主要的变化因素是水汽和二 氧化碳。对空气折射率的研究，目前通用的计 算空气折射率的公式是基于 Edlén 和 Ciddor 的结果.
3.1强度起伏(大气闪烁)
激光束通过有湍流的大气传输时,其强度、相 位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机 变化,当光束截面内包含许多瑞流涡旋,引起光 束强度起伏、相位起伏和光束扩展。
3. 2激光束的漂移
湍流大气中光斑的形变特征最为常见的是光斑漂 移. 顾名思义，漂移反映了光斑空间位臵的时间 变化. 光斑漂移对激光在大气中的工程应用，如 光学跟踪系统，具有重要的影响 .
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.
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
对球面波
一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度 增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不 再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪 烁的饱和效应。
光在大气中的传播及应用
光在大气中传播及应用大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。
光波在大气中传播时，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。
1.大气衰减激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。
吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。
（1）大气分子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。
所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。
分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。
极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。
相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。
因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。
大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。
因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。
大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，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，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。
表1中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。
根据大气的这种选择吸收特性，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。
大气湍流对光束传播的影响
大气湍流对光束传播的影响嘿，朋友们，咱们今天来聊聊一个可能听起来有点复杂，但其实特别有趣的话题，那就是大气湍流对光束传播的影响。
想象一下，咱们在晚上仰望星空，看到的那些闪烁的星星，有时亮，有时又暗，那可不是它们在调皮，而是大气在捣乱。
大气就像一条翻腾的河流，时不时地给光线加点“特效”，让光束在空中打了个旋儿。
是不是很有意思？大气湍流就像是一锅炖得正好的汤，表面上看起来平静无波，但底下可是一阵阵的翻滚。
风在吹，温度在变，这些都能影响光的传播。
咱们说的光，指的可不只是阳光哦，还有激光、灯光等等。
想想激光笔，那小小的点点，有时候打在墙上明晃晃的，有时候却像藏了起来，真让人郁闷。
实际上，这全都是因为大气的捣蛋。
想象一下，一束光从一个地方发出来，像一条小船在湍急的水流中行驶。
水流的波动，让这艘小船有时候稳稳当当，有时候却东倒西歪。
这种情况不仅在日常生活中能见到，在科学实验、通讯技术、甚至卫星信号传输中都能找到身影。
光线在大气中穿梭，受到的干扰可不少，真是让人心烦。
科学家们对此可是绞尽脑汁，希望能找到对策。
我们平常用的光纤通讯，虽然看起来很高大上，但实际上也受到了大气湍流的影响。
想象一下，光信号像一颗颗小小的水滴，顺着光纤快速流淌，却在大气中遇到了风浪，结果就像小孩子在海边捡贝壳，一波又一波，来不及反应，光线就散了，信息传递的速度一下子慢了下来。
真是让人心急如焚啊。
还有激光通信呢，原本想快速高效，结果被大气湍流搞得像慢动作重播。
这时候，科学家们得想出点新招儿，比如动态调节技术。
这就像打游戏，随时调整你的策略，才能不被对手牵着鼻子走。
光线在大气中的曲折传播，真是一场“斗智斗勇”的较量，谁也不想输，特别是那些研究人员。
咱们身边也有很多受大气影响的例子。
你们有没有注意到，晚上看星星的时候，那些星星有时候闪得厉害，有时候又稳定得像灯泡。
这就是大气湍流的“杰作”。
空气的不同层次、温度的变化，都会让星光在我们眼前翩翩起舞，真是美丽而又有些小调皮的现象。
空间光通信中的湍流抑制技术研究
空间光通信中的湍流抑制技术研究
自由空间光通信(Free Space Optics,FSO)是目前发展迅速的一种新型通信方式,在卫星通信、地面通信、军事方面都有广泛的应用。
折射率不稳定造成的大气湍流效应对自由空间光通信系统的性能有着严重的影响,是FSO系统中一个重要的问题。
本文主要针对空间光通信系统中的两种湍流抑制技术——自适应光学技术和部分相干光技术进行了研究,主要工作内容如下:1、对空间光通信系统中的大气湍流抑制方法进行了调研和综述,包括:孔径平均技术、分集技术、透镜改进技术、自适应光学技术、部分相干光技术等。
2、研究了激光在湍流大气中传输的基本理论,利用分步傅里叶方法和谱反演法对激光在大气中的传输进行了数值仿真。
研究了基于Fresnel缩放理论的实验室内长距离传输模拟方法。
3、完成了基于SPGD算法的非波前探测自适应光学大气湍流抑制实验,研究了非波前探测自适应光学技术对光纤耦合效率的提升作用。
实验结果表明,不同湍流强度下,校正后的光纤耦合效率能提升2.7～9dB不等,同时校正后的光纤耦合效率更集中。
4、研究了部分相干光技术。
对伪部分相干高斯谢尔模光束在湍流大气中的传输进行仿真分析。
仿真结果表明,部分相干光技术在长距离或强湍流情况下能有效降低闪烁系数,相干长度越小,湍流抑制能力越强。
当湍流强度Cn2=1×10-13m2/3,传输距离为2.5km时,相对于完全相干光,部分相干高斯谢尔模光束能将闪烁系数从2.8降低到2.2。
大气湍流中的激光传输
使用适应性强的接收器
要点一
总结词
使用适应性强的接收器可以捕获更多信号，降低噪声和干 扰。
要点二
详细描述
在湍流大气中，光束的形状和强度可能会快速变化。因此 ，使用适应性强的接收器非常重要。这种接收器能够快速 响应光束的变化，并捕获更多的信号能量。此外，接收器 还应具有较低的噪声和干扰水平，以提高信号检测的准确 性。通过结合适应性强的接收器和适当的信号处理技术， 可以进一步改善激光传输的性能，提高通信和探测系统的 可靠性。
激光遥感技术能够实现高分辨率、高精度的目标成像，为地理信 息获取、资源调查等领域提供支持。
穿透性强
激光的波长较短，能够穿透一定厚度的云层和植被，因此在气象预 报、森林防火等领域有广泛应用。
实时监测
激光遥感技术能够实现实时、动态的目标监测，为灾害预警、环境 保护等领域提供及时的信息支持。
THANK YOU
大气湍流的特性
总结词
大气湍流的特性包括随机性、非线性和尺度变化等。
详细描述
大气湍流的随机性表现在流场中各点的速度和方向都是随机的，无法预测下一个时刻的状态。非线性则是指湍流 中各种物理量之间的相互作用是非线性的，导致流场的复杂性和混沌性。此外，大气湍流还具有尺度变化的特性， 从小尺度到大气边界层，湍流的作用范围广泛。
04
大气湍流中激光传输的改善方 法
提高激光功率
总结词
提高激光功率可以增强信号强度，减少 因大气湍流引起的信号衰减。
VS
详细描述
通过使用更高功率的激光器，可以增加信 号的能量，从而提高在湍流大气中传输的 信号强度。这有助于克服湍流引起的光束 漂移和扩展，降低误码率，提高通信和探 测系统的性能。
优化光学系统设计
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。
大气光学知识点总结大全
大气光学知识点总结大全一、大气光学基础知识1. 光的传播特性光在地球大气中的传播受多种因素影响，包括折射、散射、吸收、色散等。
这些影响因素会导致光的传播方向、强度和频谱发生变化，对于光学系统的设计和应用都具有重要意义。
2. 大气介质地球大气是光学器件的一个重要参考介质，其密度、温度、湿度等参数对光学系统的性能有着重要影响。
了解大气介质的特性，对于光学系统的设计和定位至关重要。
3. 光的散射和吸收大气中的气体、气溶胶和云等对光的散射和吸收现象在大气光学中占据着重要位置。
它们会影响光的传播路径和范围，对于气象、环境、通信等方面都有重要意义。
4. 大气透明度大气透明度是指大气对可见光的透射率，它受大气中的气体、颗粒和水汽含量等因素的影响。
了解大气透明度对于天文观测、遥感探测等有着重要的意义。
5. 大气湍流大气湍流是指大气中由温度、密度、风速等不均匀性引起的湍流运动现象。
它会导致大气中的光场发生畸变，对光学系统的分辨率和性能都具有重要影响。
二、大气光学技术与应用1. 大气光学探测技术大气光学探测技术是指利用光学方法对大气进行观测和监测的技术。
包括大气透明度测量、大气散射与吸收特性研究、大气湍流分析等。
这些技术对于气象、环境监测等领域具有重要的应用价值。
2. 望远镜大气校正技术望远镜是天文观测和遥感探测中常用的光学设备，但由于大气的影响，其分辨率和成像质量会受到影响。
大气校正技术是指利用大气光学原理对望远镜成像进行补偿和校正的技术，使得成像质量更加清晰和准确。
3. 大气折射校正技术激光通信、光电远程探测等领域需要通过大气进行信息传输，但由于大气折射效应的影响，光信号会发生偏移和扩散。
大气折射校正技术是指利用大气光学原理对光信号进行校正和补偿的技术，使得光信号传输更加可靠和稳定。
4. 大气光学遥感技术大气光学遥感技术是利用光学方法对大气成分、温度、湿度等参数进行遥感探测的技术。
包括红外遥感、紫外遥感、光谱遥感等方法，对于环境、气象、气候等领域都有着重要的应用价值。
大气湍流——精选推荐
⼤⽓湍流⼤⽓湍流胡⾮⾃然界中的流体运动存在着⼆种不同的形式：⼀种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象，例如靠近燃烧着的⾹烟头附近细细的烟流；另⼀种则显得杂乱⽆章，看上去毫⽆规则，例如烟囱⾥冒出来的滚滚浓烟，这就是湍流，也叫紊流，在⽇⽂⽂献中被叫作“乱流,更容易顾名思义。
相对来说层流却是很少见的。
我们⽣活的地球被⼤⽓所包围，⼴义地讲，整个地球⼤⽓系统都可以看作是处在具有宽⼴尺度湍流运动的状态，因此湍流研究具有极为重要的科学意义和实际应⽤价值。
⼤⽓湍流以近地层⼤⽓表现最为突出，风速时强时弱，风向不停摆动，就是湍流运动的具体表现。
⼤⽓湍流造成流场中各部分之间强烈混合，它能使⼤⽓中的动量、热量、⽔汽、污染物等产⽣强烈混合和输送，能对建筑物、飞⾏器等产⽣作⽤和影响，还会使⼤⽓折射性质发⽣变化从⽽导⾄电磁波和声波被散射，湍流是⼀种开放的、三维的、⾮定常的、⾮线性的、并具有相⼲结构的耗散系统，集物理现象的多种难点于⼀⾝。
⾃从1883年Reynolds做了著名的实验以来，⼀百多年⾥⼀直是科学的前沿和挑战性问题之⼀。
历史上，包括von Karman、Kolmogorov、Landau和周培源在内的许多著名科学家对湍流的研究均未获得⼤的成功。
在跨越了两个世纪之后的今天，尽管⼈们对湍流发⽣机理和湍流运动规律的了解有了很⼤的进展，湍流研究在⼯程技术上的应⽤也取得了很⼤的成就，但是就其本质上来说，对湍流的认识还很不全⾯，还有很多基本的问题没有搞清楚。
例如：⽬前为⽌，科学家们还给不出湍流的严格科学定义，也没有找到对湍流的解析和定量描述⽅法；尽管知道了控制流体运动的Navier-Storkes⽅程，但是由于该⽅程是强⾮线性、⾼⾃由度的偏微分动⼒系统，因⽽对其解析求解⼏乎是不可能的；Reynolds平均⽅程则遇到“不封闭”困难；湍流模式理论同样也因为对物理机制缺乏理解⽽并不很成功。
总之，湍流仍然是摆在全世界科技⼯作者⾯前的难题。
第二章 光在湍流大气中传输的理论概述
2.1 大气折射率在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下：n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n1（r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。
2. 2 大气湍流描述自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。
例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。
自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。
湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。
长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。
2. 3 折射率湍流模型在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。
一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。
光在大气中的传播
从表不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为 强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择 吸收特性，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。
二. 大气衰减
激光辐射在大气中传播时：
部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量
如热能等
部分能量被散射而偏离原来的传向
如辐射能量空间 重新分配
吸收和散射的总效果使传输光辐射 强度的衰减。
设强度为I的单色光辐射，通过厚度为dl的大 气薄层。不考虑非线性效应，光强衰减量dI正比 与I及dl，
即dI/I=(I-I)/I=dl 积分后得大气透过率：
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。
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。
对大气衰减的研究可归结为对上述四个基 本衰减参数的研究。 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。所以为了克服大气 分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸 收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态 决定。
吸收 分子 H2 O CO2 O2
主要吸收谱线中心波长(m)
大气湍流中光传播的数值模拟
大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2， 郭立新1 吴振森1（1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ）摘 要 光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。
文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。
进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。
研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。
关键词 大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟； 大气结构常数；中图分类号 TP391 文献标识码 A1 引言大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。
因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。
通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。
目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。
早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。
在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。
然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。
由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。
大气湍流对空间相干光通信的影响研究
导师 简 介 ： 柯 熙政（ １ ９ ６ ２ 一） ， 男， 教授 ， 博士生导师 ， 主 要 从 事 自 由空 间 光 通 信 方 面 的研 究 。Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｘ ｚ ｋ ｅ ＠２ ６ ３ ． ｎ ｅ ｔ
０ ８０ ６０１ —１
５ ２ ， ０ ８ ０ ６ ０ １ （ ２ ０ １ ５ ）
Ａ ｂｓ ｔ ｒ ａｃｔ Ｔｈｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃｉ ｅ ｎｃ ｙ ｏｆ ｏ ｐｔ ｉ ｃａ ｌ ｈｅ ｔ ｅ ｒ ｏｄ ｙｎｅ ｄｅ ｔ ｅ ｃｔ ｉ ｏｎ ｉ ｓ ｎｏ ｔ ｏ ｎｌ ｙ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅｄ ｔ ０ ｔ ｈｅ ａ ｔ ｍ ｏｓ ｐｈｅｒ ｉ ｃ ｔ ｕｒ ｂｕｌ ｅ ｎｃ ｅ． ｂｕｔ ａ ｌ ｓ ｏ
收 端 一 般 采 用 外 差 探 测 方 式 。
大气 湍 流效 应 严 重 影 响 了空 间相 干 光 通 信 的可 靠性 和稳定 性 ， 降低 了外 差 探测 系 统 的检 测灵 敏 度 ， 增 加 了接 收信 号 的误 码 率 。文 献 【 ８ 】 研究 了 Ａ ｉ ｒ ｙ ＋ Ｇａ ｕ ｓ ｓ 分 布模 型 的外 差 效率 ， 给 出 了获得 最 大外差 效 率 时
ｈｅ ｔ ｅ ｒ ｏｄｙ ｎｅ ｅ ｆ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎｃ ｙ ｉ ｓ ｍｉ ｎｉ ｍ ｕｍ ， ａ ｎｄ ｗｉ ｌ ｌ ｎｏｔ ｃｈ ｎ ｇｅ ａ ａ Ｊ ０ｎｇ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｄ ｅ ｔ ｅｃ ｔ ｏｒ ｒ ａ ｄｉ ｕｓ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｙ ｉ ｓ ｍａ ｘｉ ｍ ｕｍ ．
第四章 光在湍流大气中的传输时光强起伏分析
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−I2I2（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−χ2σχ（4.2）其振幅A=A0 expχ。
引入概率变换：p A A=pχΧ=ln A dχdA ,dχdA=1A（4.3）则振幅的概率密度函数为：p A A=2πσA exp −12σχ2ln AA0−χ2，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”。
光电子技术2.1光波在大气中的传播
I
dl
I'
大气衰减图示
传输距离L后的大气透过率（%）用T表示，应为：
I L dl T exp 0 I0
若在 传输距离L上β为常数，则有：
I T exp L I0
式中，I0和I分别为通过距离L前后的光强。
此式即为描述大气衰减的朗伯定律。
dB / km 4.343 1 / km
1、大气分子的吸收， km
（1）吸收的概念：
吸收电磁辐射是物质的普通性质，是指电磁辐射与物体 作用后，转化为物体的内能。根据吸收的强弱和随波长的变 化，吸收分为两种： ①一般吸收: 在电磁辐射的整个波段内都有吸收，且吸 收率随波长的变化几乎不变的吸收。 ②选择吸收: 在一些波段上吸收很大，而一些波段上吸 收很少，即吸收率随波长的变化有急剧变化的吸收。 任何物质对电磁辐射的吸收都由这两种吸收组成，如石 英在可见光范围内为一般吸收，在红外波段为选择吸收。
激光的大气湍流效应，实际上是指激光辐射在折射率 起伏场中传输时的效应。 湍流理论表明，大气速度、温度、折射率的统计特 性服从“2/3次方定律”
Di(r ) (i1 i2 )2 C i2r 2 / 3
(2.1-9)
通常用折射率结构常数的数值大小表征湍流强度
2 Cn 2.5 1013 强湍流： 2 弱湍流： Cn 6.4 1017 2 中等强度湍流： 2.5 1013 Cn 6.4 1017
Re Δvl /
(2.1-8)
式中， 为流体密度（kg/m3）；l为某一特征线度(m) vl为在l量级距离上运动速度的变化量(m/s)， 为流体 粘滞系数(kg/ms)。雷诺数Re是一个无量纲的数。
大气光学;海洋大气;光学湍流
大气光学;海洋大气;光学湍流1.引言1.1 概述概述：大气光学、海洋大气和光学湍流是自然界中与光传播和光学观测相关的重要现象。
大气光学研究的目的在于了解大气对光的传播和传感器观测的影响，从而提高光学设备的性能和准确度。
海洋大气研究的目标是揭示海洋和大气界面上光的传输过程，从而促进海洋环境监测和海洋资源开发利用。
而光学湍流研究则关注光在大气中传播时因空气湍流引起的波前畸变问题，其研究对于激光通信、天文观测等领域具有重要意义。
本文将深入探讨大气光学、海洋大气和光学湍流这三个领域的基本概念、影响因素以及与观测和通信的关系。
首先，我们将介绍大气光学的基本概念，包括大气中的散射、吸收和辐射等现象，以及大气光学的主要影响因素，如大气湍流、气溶胶和云等。
接着，我们将探讨海洋大气的特点和影响因素，包括海洋表面对光的反射、折射和散射等过程，以及海洋中的气泡、藻类和悬浮颗粒等因素对海洋光学的影响。
最后，我们将重点讨论光学湍流的定义、特征以及对观测和通信的影响，包括湍流引起的波前畸变和相位失真等问题。
通过对大气光学、海洋大气和光学湍流的综合研究，我们可以更好地理解和模拟光在自然界中的传播和退化过程，为光学设备的设计和应用提供理论支持和技术指导。
同时，这些研究也有助于提高大气环境和海洋生态的监测能力，推动相关领域的发展和应用创新。
在结论部分，我们将对大气光学、海洋大气和光学湍流的关联性进行总结，并展望大气光学和海洋光学研究的意义和未来发展方向。
希望通过本文的介绍和分析，读者能够更全面地了解和认识这些重要的光学现象，为相关领域的科研和应用提供有益的参考和启示。
1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为三个主要部分：大气光学、海洋大气和光学湍流。
每个部分将重点介绍相关的基本概念、特征和影响因素，并探讨它们对观测和通信的影响。
在第二部分，我们将深入研究大气光学。
首先，我们将介绍大气光学的基本概念，包括大气层的组成和结构，以及大气中的光传播机制。
大气湍流对激光通信的影响及对策研究
大气湍流对激光通信的影响及对策研究作者：孙孚等来源：《电子技术与软件工程》2015年第24期摘要分析了大气湍流对自由空间激光传输和激光通信的影响，提出了几种应对大气湍流效应的有效方法。
【关键词】大气湍流效应激光传输激光通信自由空间激光通信依靠激光在大气中的无线传输实现信息的传递。
自由空间的大气信道是随机多变的，它对激光传输的影响主要表现为两个方面，即大气衰减效应和大气湍流效应。
大气衰减效应是指因大气对激光的散射与吸收作用而导致的激光能量衰减；而大气湍流效应则是指大气的折射率因大气的湍流运动而发生随机起伏，进而导致激光的相位及强度在空间和时间上都呈现为随机起伏的变化。
大气衰减效应对自由空间激光通信的影响一般来说是比较容易解决的。
而大气湍流效应则不然，由于它的强度和发生几率都是随机的，因而它对自由空间激光通信的影响很大而且难以克服，所以必须予以高度重视。
1 大气湍流对激光传输的影响对于实际的大气而言，由于它始终处于随机的湍流运动状态之中，因此它的折射率也始终随空间和时间无规则地变化着。
而折射率的这种无规则变化将使在大气中传输的激光参量随机而变，进而严重影响光束的质量。
其表现为：光束弯曲漂移、光强闪烁、光束展宽等，这些影响被统称为大气的湍流效应。
1.1 光强闪烁大气折射率随机细小的变化将引起光束截面内强度的随机变化，简称光强闪烁。
事实上，当光束穿过大气湍流漩涡时，折射率的随机起伏将引起光波的波前畸变，致使接收端的相位随机改变。
当激光束的直径R大于湍流直径r时，光束内就将会包含多个湍流漩涡，而每个湍流漩涡又各自对激光光束形成独立的衍射和散射，从而导致光束截面内强度在空间和时间上的随面起伏，忽强忽弱，这就是所谓的光强闪烁。
1.2 光束弯曲与漂移大气中传输的激光束，当其直径R小于湍流漩涡的直径r时，激光束便被包含在这个湍流漩涡内，此时湍流的影响主要是使光束的整体产生随机偏折。
体现在接收端，就是在接收端面上，光束的中心将围绕某个统计平均位置随机快速地跳动，此即光束漂移，在数值上可以用漂移量来表示。
大气湍流光强闪烁效应的抑制技术研究
2006
Fernandez等 人证实了相干 检测—分集技 术可以有效地 补偿大气湍流 的影响
2014
刘洋等人对弱 湍流信道无线 光通信分集接 收合并技术进 行研究分集接 收合并技术具 有较好的抗大 气信道衰落能 力[6]
2015
柯熙政对强湍 流信道无线光 通信分集接收 技术进行研究 ，分集接收能 在很大程度上 改善大气激光 通信的性能[7]
有前景的就是自适应光学补偿技术、部分相干光传输技术以及分集接收
技术。因此，我们从这三个方面讨论
[2] Kaur P, Jain V K, Kar S. Effect of atmospheric conditions and aperture averaging on capacity of free space optical links[J]. Optical & Quantum Electronics, 2013, 46(9):1139-1148.
大气闪烁效应的抑制技术
大气闪烁抑 制技术
采用部分 相干光传 输技术
采用分集 接收技术
采用自适 应光学补 偿技术
1. 部分相干光传输技术
从图中可以看到，在弱湍流条件 下，传输相同距离时，随着大气 折射率结构常数的增大，部分相 干光的光强起伏方差也随之增大 且大气折射率结构常数越大，光 强起伏方差随传输距离增加的速 度越快，这是由于随着大气折射 率的增大，湍流引起的接收光强 度随时间和空间位置的随机变化 增强而导致的。
在强湍流环境下，仿真得到光强起伏方差随传输距离的变化曲线
从图中可以看出，与弱湍流下得出 的结论类似，在强湍流条件下，光 束的光强起伏方差随着传输距离的 增加而增大。传输相同距离时，部 分相干光的光强起伏方差明显小于 完全相干光，并且随着相干长度的 减小，即相干性下降，部分相干光 的光强起伏方差也在减小。由此可 见，强湍流条件下，部分相干光受 湍流影响小于完全相干光。
大气吸收与湍流基础的总结
一、激光大气衰减基础：激光大气衰减包括大气气体分子对激光的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射，激光信号通过均匀大大气介质之后，其电磁辐射强度满足:比尔-郎伯-布格定律：I(ν,l)=I0(ν)e−k(ν)l;ν:为波数，I(ν)为信号传输l距离之后的电磁辐射强度，k(ν)代表消光系数，I0(ν)为进入介质前的光辐射能量。
透过率函数：T(ν,l)=I(ν)=e−k(ν)l;I0(ν)其中，τ=kl也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，k(ν)既包括了大气分子的吸收（k ma(ν)）和散射(k ms(ν))系数，也包括了气溶胶的吸收(k aa(ν))和散射((k as(ν)))系数：k(ν)=k ma(ν)+k ms(ν)+k aa(ν)+k as(ν)在实际的大气信道中，k(ν)随着高度(z)的变化（假设大气具有分层均匀特性），即可以表示为k(ν，z),当信号光以天顶角θ入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：zτ（ν，z）=∫sec(θ)k(ν,z)dz其中，其他的消光系数表如附图所示：大气分子吸收效应的从测量：二、大气光学湍流：1、大气湍流模型的描述：均匀各向同性湍流、非均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流(是一种理想化的大气湍流模型，在复杂地形区和高空，对流层以上的区域，满足该理论条件的大气湍流区域有限，特别是近年来对大气湍流间歇性现象的发现，更证明了Kolmogorov模型应用的局限性。
目前工程中常需要借助大量的实验观测数据对该模型进行修正。
)查理森级串模型：湍流可以视作由气体流动形成的差别较大的涡旋，大涡旋不稳定，其从外界获取能量后，通过分裂等一系列复杂的运动将能量传递给次级涡旋，最后再最小的涡旋中通过气体黏性损耗。
在一定的区域内，涡旋级串达到某种平衡状态，形成局部均匀各向同性湍流，具有普适性的统计规律。
为了确定气体湍流的统计规律，基于不同的假设条件，提出了许多统计模型，其中使用最广泛的为柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型： 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型：模型假设：（1） 当雷诺数足够大时，存在具有各向同性结构的高波数区，在该区里，气体运动的统计特征只决定于流体的黏性系数ν和能量耗散率ε。
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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.
3.1强度起伏(大气闪烁)
激光束通过有湍流的大气传输时,其强度、相 位和传输方向会受到扰动而出现相应的随机 变化,当光束截面内包含许多瑞流涡旋,引起光 束强度起伏、相位起伏和光束扩展。
3. 2激光束的漂移
湍流大气中光斑的形变特征最为常见的是光斑漂 移. 顾名思义，漂移反映了光斑空间位置的时间 变化. 光斑漂移对激光在大气中的工程应用，如 光学跟踪系统，具有重要的影响 .
实际测量得ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
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
2.3光束的弯曲和漂移
光束漂移 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）
光束弯曲
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。
光束弯曲漂移现象亦称天文折射，主要受制于大 气折射率的起伏。弯曲表现为光束统计位置的慢变化， 漂移则是光束围绕其平均位置的快速跳动。
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。
二. 大气端流
大气层中空气密度规则起伏称为大气湍流。 湍流对光束传输的影的影响称为湍流效应。 如在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形 成空气对流。
大 气 端 流
大气的随机运动造成了大气湍流，其主要起因是地球表 面对气流拖曳造成的风速剪切、太阳辐射对地球表面不 同位置加热的差异或地表热辐射导致的热对流、包含热 量释放的相变过程造成的温度和速度场的改变等。
2.1大气折射率和湍流的影响
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。空气的折射率由空气 的密度决定。空气主要的变化因素是水汽和二 氧化碳。对空气折射率的研究，目前通用的计 算空气折射率的公式是基于 Edlén 和 Ciddor 的结果.
(l0 L L0 ) ( L L0 ) (l0 L L0 ) ( L L0 )
对平面波
对球面波
一般地，波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。当湍流强度 增强到一定程度或传输距离增大到一定限度时，闪烁方差就不 再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪 烁的饱和效应。