大氣吸收與湍流基礎(chǔ)總結(jié)

1、、激光大氣衰減基礎(chǔ)：激光大氣衰減包括大氣氣體分子對(duì)激光的吸收和散射、氣溶膠粒子的吸收和散射,激光信號(hào)通過(guò)均勻大大氣介質(zhì)之后，其電磁輻射強(qiáng)度滿(mǎn)足：比爾-郎伯-布格定律：Iv,l=今？?夕?（?尸?M為波數(shù)，1（丫）為信號(hào)傳輸l距離之后的電磁輻射強(qiáng)度，k（M弋表消光系數(shù)，？?:？?為進(jìn)入介質(zhì)前的光輻射能量。透過(guò)率函數(shù)：其中，T=kl也被稱(chēng)作光學(xué)厚度，是一種無(wú)量綱的物理量；其中，k（丫）既包括了大氣分子的吸收（？?？?）和散射（？?）系數(shù)，也包括了氣溶膠的吸收（？3?）和散射（?砌）系數(shù):kv=k?v+k?+k?v+k?）在實(shí)際的大氣信道中，kv隨著高度（z）的變化（假設(shè)大氣具有分層均勻特性），即可

2、以表示為k丫，z,當(dāng)信號(hào)光以天頂角？入射到大氣介質(zhì)中時(shí)，光學(xué)厚度可以表示為：?p（丫，z）=sec70）k（,z）dz0其中，其他的消光系數(shù)表如附圖所示：大氣分子吸收效應(yīng)的從測(cè)量：二、大氣光學(xué)湍流：1、大氣湍流模型的描述：均勻各向同性湍流、非均勻各向同性湍流均勻各向同性湍流（是一種理想化的大氣湍流模型，在復(fù)雜地形區(qū)和高空，對(duì)流層以上的區(qū)域，滿(mǎn)足該理論條件的大氣湍流區(qū)域有限，特別是近年來(lái)對(duì)大氣湍流間歇性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，更證明了Kolmogorov模型應(yīng)用的局限性。目前工程中常需要借助大量的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行修正。）查理森級(jí)串模型：Tv,l?湍流可以視作由氣體流動(dòng)形成的差別較大的渦旋，大渦旋不穩(wěn)

3、定，其從外界獲取能量后，通過(guò)分裂等一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)將能量傳遞給次級(jí)渦旋，最后再最小的渦旋中通過(guò)氣體黏性損耗。在一定的區(qū)域內(nèi)，渦旋級(jí)串達(dá)到某種平衡狀態(tài)，形成局部均勻各向同性湍流，具有普適性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為了確定氣體湍流的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，基于不同的假設(shè)條件，提出了許多統(tǒng)計(jì)模型，其中使用最廣泛的為柯?tīng)柲缏宸?Kolmogorov)模型：柯?tīng)柲缏宸?Kolmogorov)模型：模型假設(shè)：(1)當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，存在具有各向同性結(jié)構(gòu)的高波數(shù)區(qū)，在該區(qū)里，氣體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征只決定于流體的黏性系數(shù)環(huán)口能量耗散率0(雷諾數(shù)：雷諾數(shù)的定義為：?Re=一?L為氣體運(yùn)動(dòng)的尺度，v為流體速度，？為分子)基于上述假設(shè)，建立

4、起了湍流長(zhǎng)度(？?、？?)、速度、時(shí)間的尺度，其中，？?、?分別為湍流的內(nèi)尺度和外尺度；?=(?/?1/4;?(2)當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時(shí)，擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)特征只依賴(lài)于擾動(dòng)能量的耗散率 j 此慣性區(qū)域的尺度l滿(mǎn)足：?柯?tīng)柲缏宸?Kolmogorov)模型的特征參數(shù):隨機(jī)場(chǎng)的空間統(tǒng)計(jì)特性通常用結(jié)構(gòu)函數(shù)等相關(guān)函數(shù)關(guān)系描述，包括風(fēng)速結(jié)構(gòu)率函數(shù)?折射率25構(gòu)函數(shù)？?濤，由于在湍流效應(yīng)的研究中，主要考慮大氣折射率起伏對(duì)光傳輸?shù)挠绊懀视址Q(chēng)為大氣光湍流。大氣折折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的定義為：2?o?=?敬？?*rrY/I1I1?防折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，用于表征大氣湍流的強(qiáng)弱，具有一定的時(shí)空分布特征。在實(shí)際大氣中，折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)通常

5、隨著高度的增加而減小，并且再近地面，還隨著地理環(huán)境，溫度，光照等變化。在國(guó)內(nèi)外大量測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了多種？?的分布模式，其中較為常用的模型有Hufnagel模型、Hufnagel-Valley模型等；Hufnagel模型：?竹）=8.2x10-16?2（?/10）10?+2.7X10-16?幾5W為風(fēng)速因子，為520Km處風(fēng)速的均方根。120?2=一155適用于3-20km處的大氣層的湍流計(jì)算，不適用于邊界大氣層。通過(guò)改進(jìn)形成了Hufnagel-Valley模型：?10?h=8.2X10-16?2？夕+2.7*10-16?林+?付10A為近地面結(jié)構(gòu)折射率常量；大氣相干長(zhǎng)度：大氣相干長(zhǎng)度是

6、另一種綜合了大氣湍流結(jié)構(gòu)率、激光波長(zhǎng)、傳輸距離等因素的傳輸特征參量，也稱(chēng)為弗里德常數(shù)（Fried）。表征了大氣湍流中傳輸光束橫截面上空間相干特性的物理量，?=0.423?我？?？?3/50K=2布N?為天頂角；L為傳輸距離。激光大氣傳輸湍流效應(yīng)：激光大氣傳輸?shù)耐牧餍?yīng)主要包括光斑漂移、光束擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍、光束到達(dá)角起伏幾種，由于湍流具有隨機(jī)性，導(dǎo)致其產(chǎn)生的傳輸效應(yīng)也是隨機(jī)的，只能用統(tǒng)計(jì)的方式對(duì)其進(jìn)行研究分析。光斑漂移：?)?當(dāng)光束直徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于湍流的外尺寸L時(shí)，大氣湍流的主要作用是時(shí)激光光束的傳播路徑發(fā)生整體隨機(jī)偏移，從而導(dǎo)致接收端光斑中心位置的隨機(jī)變化，此時(shí)會(huì)增加跟蹤捕獲難度，對(duì)光束質(zhì)量影響

7、較小。光斑漂移與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且匯聚光束的漂移小于準(zhǔn)直光束。光斑漂移通常以質(zhì)心位置變化來(lái)描述，設(shè)質(zhì)心的位置適量表示為？?x,y）,假設(shè)光斑質(zhì)心在水平方向上的漂移和垂直方向上的漂移相互獨(dú)立，則質(zhì)心總的漂移方差可表示為：對(duì)于平面波或者準(zhǔn)直光束在Kolmogorov湍流中傳輸，則其漂移方差可表示為：?2?=6.08?1?2?000其中D為發(fā)散孔徑，L為傳輸距離。當(dāng)路徑上的大氣湍流均勻時(shí)，光斑漂移量可表示成:?=2.03?1/3?對(duì)于發(fā)射口徑為D的匯聚光束：1?21?=6.08?3?（?K1-z/L）?0到達(dá)角起伏（原像抖動(dòng)）：當(dāng)光束直徑R同L相當(dāng)時(shí)，將會(huì)造成光束截面發(fā)生隨機(jī)偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生到達(dá)角起伏，也大改變

8、）。設(shè)相距r的兩條光線(xiàn)的相位差為？S,到達(dá)角環(huán)口到達(dá)角起伏方差?用波數(shù)k和相位結(jié)構(gòu)函數(shù)？?可表示為:?a=-?-?多?,=?=?（?是一個(gè)由傳輸距離了湍流強(qiáng)度所決定的函數(shù)，可以更具具體的湍流參數(shù)和傳輸距離計(jì)算出），在考慮實(shí)際傳輸?shù)那闆r下，設(shè)H為接收器距離地面的高度，h0為激光器距離地面的高度，財(cái)天頂角，平面波到達(dá)角起伏可表示為:稱(chēng)為原像抖動(dòng)，即截面不同的部位具有不同的相移。（此時(shí)光束的整體強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生太光束擴(kuò)展和光強(qiáng)起伏:當(dāng)光束直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于湍流外徑時(shí)，由于光束截面內(nèi)部將出現(xiàn)許多相互獨(dú)立的小湍流，其對(duì)穿過(guò)各自的激光信號(hào)將產(chǎn)生獨(dú)立的衍射和偏轉(zhuǎn)作用，使光強(qiáng)度和相位在時(shí)間上出現(xiàn)隨機(jī)分布，光束面積也會(huì)隨

9、之增大。光強(qiáng)閃爍（起伏）：光強(qiáng)起伏的大小決定于沿途大氣折射率的變化，受空氣溫度、流速等因素的影響，為了預(yù)測(cè)其大小，經(jīng)典雷托夫（Rytov）光強(qiáng)起伏理論認(rèn)為：在Kolmogorov局地均勻、各向同性的弱湍流前提下，光強(qiáng)起伏的對(duì)數(shù)方差為：711?方？?？?其中A為波形常數(shù)（平面面波A=1.23,球面波A=0.496）,z為傳輸距離，k為波數(shù)，由公式可以看出，湍流強(qiáng)度越大，傳輸距離越長(zhǎng)，起伏變化就越復(fù)雜。光束擴(kuò)展：光束擴(kuò)展指的是由湍流效應(yīng)引起的光斑半徑或面積的變化，可以分為短期擴(kuò)展和長(zhǎng)期擴(kuò)展。短期擴(kuò)展是指在一個(gè)足夠端的時(shí)間內(nèi)，觀(guān)察到的光束由極小旋渦造成的展寬的光斑。長(zhǎng)期擴(kuò)展：長(zhǎng)期擴(kuò)展指的是在一個(gè)相對(duì)

10、較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)不同時(shí)刻的短期擴(kuò)展疊加起來(lái)形成的長(zhǎng)期擴(kuò)展效應(yīng)，可見(jiàn)，觀(guān)察曝光時(shí)間不同，光束擴(kuò)展的大小也有差別，其中長(zhǎng)期擴(kuò)展的光斑半徑方差可表示為：4?4?=+?(1-z/F)2+丁?(2?)2?f4?福+?(1-z/F)2+?0.246-,?3?為外尺度？對(duì)應(yīng)的波數(shù)，？?為發(fā)端光束直徑，？?為大氣相干長(zhǎng)度，F(xiàn)為波振面曲率半徑，z為傳輸距離;1.46?25(?)?0?2?,1(2?3?2.92?)?.0,?2?1(2?尸?三、衛(wèi)星光通信背景噪聲分析：激光通信過(guò)程中，會(huì)受到宇宙中大量自然光源的干擾，主要包括星光、太陽(yáng)光、月亮背景光、地球背景光幾種，通過(guò)實(shí)際測(cè)量建模仿真分析，其對(duì)激光通信的影響大體

11、可以概括如下：星光背景光對(duì)激光通信的影響：GEO-LEO:通過(guò)仿真， 由于跟蹤子系統(tǒng)視場(chǎng)比通信子系統(tǒng)視場(chǎng)大， 星光背景光進(jìn)入相對(duì)頻繁， 大約占總通信時(shí)間的8.26%,最大背景光功率大約在1.57X10-12W左右；星光背景光進(jìn)入通信子系統(tǒng)的概率大約為4X10-5,背景光功率大約為3.61X10-13W左右。由于星光功率較低，較大功率背景光進(jìn)入視場(chǎng)的時(shí)間非常短，且功率遠(yuǎn)低于信號(hào)光能量，所以星光背景光對(duì)通信子系統(tǒng)內(nèi)的影響可忽略不計(jì)。GEO-GEO:仿真中，由于GEOffi星的瞄準(zhǔn)視場(chǎng)較小，一天中僅有47s的時(shí)間星光背景光進(jìn)入視場(chǎng)，最大背景光功率僅為1.84X10-13W通信子系統(tǒng)中沒(méi)有星光進(jìn)入，所

12、以在GEO也不需要考慮星光背景光的影響。LEO-LEO:通過(guò)仿真分析，異軌道LEO-LEO1路，星光背景光在瞄準(zhǔn)視場(chǎng)中出現(xiàn)的時(shí)間最大站總時(shí)間的7.4%,最大背景光功率為4.75X10-13?0同軌道LEO-LEO,背景光出現(xiàn)的概率為9.1%最大背景光功率為5.87X10-12?。對(duì)通信子系統(tǒng)而言，由于接收視場(chǎng)小，幾乎不會(huì)有星光背景光進(jìn)入。綜上所述，星光背景光出現(xiàn)在通信視場(chǎng)的概率較小，通常情況下可以忽略不計(jì)，出現(xiàn)在瞄準(zhǔn)視場(chǎng)紅的概率相對(duì)較大，但星光的功率并不高，功率最大北京光功率大約為10-1210-13?的水平，對(duì)性噪比影響不大。 （終端收到的星間信標(biāo)光和信號(hào)光的功率大約在10-810-10?）

13、太陽(yáng)北京噪聲分析：太陽(yáng)是激光通信鏈路中最強(qiáng)的背景光源，瞄準(zhǔn)視場(chǎng)中每個(gè)CCD妾收到的太陽(yáng)背景光功率大約在10-610-17?左右， 通信系統(tǒng)中ATP接收到的太陽(yáng)背景光功率大約在10-4?,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大約信號(hào)光功率，將會(huì)使信號(hào)光完全淹沒(méi)在背景光信號(hào)中，出現(xiàn)凌日中斷現(xiàn)象，甚至損壞設(shè)備。太陽(yáng)凌日仿真分析：星間激光鏈路凌日次數(shù)最長(zhǎng)凌日時(shí)間/s平均凌日時(shí)間/s總凌日時(shí)間/sGEO-LEO前問(wèn)鏈路0000方向鏈路44939154GEO-GEO312699259LEO-LEO同軌道176467異軌道1797120仿真時(shí)間：1年由仿真時(shí)間可以看出：(1)GEO-LE堂路不會(huì)出現(xiàn)凌日中斷現(xiàn)象；GEO-GE曜路凌日次數(shù)最

14、少但每次持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；LEO-LEO出現(xiàn)凌日次數(shù)最多但出現(xiàn)時(shí)間最短。(2)相對(duì)而言，一年中凌日導(dǎo)致鏈路阻塞的時(shí)間相對(duì)于總時(shí)間可忽略不計(jì)，但為了保護(hù)設(shè)備安全，需要進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。月球北京噪聲分析:背景光功率：終端每個(gè)CCDW景光功率APDT景光功率ARTEMIS1.31X10-12W3.31X10-10WSPOT-45.26X10-12W3.31x10-10W對(duì)鏈路的影響情況星間激光鏈路次數(shù)最長(zhǎng)時(shí)間/s平均時(shí)間/s總時(shí)間/sGEO-LEO前問(wèn)鏈路66035208方向鏈路815470566GEO-GEO4145109437LEO-LEO同軌道6595357異軌道1997126仿

15、真時(shí)間：1年綜上可得，月球背景光出現(xiàn)時(shí)會(huì)造成總的性噪比下降，但其出現(xiàn)的時(shí)間較小，對(duì)總通信性能的影響可忽略不計(jì)。地球背景噪聲分析：星間鏈路中，只有GEO-LEOT向鏈路中的GEC線(xiàn)會(huì)對(duì)向地球（LEO-地面鏈路也一樣）。主要來(lái)源于地球?qū)μ?yáng)輻射的反射和地球的自發(fā)輻射，地球?qū)μ?yáng)的輻射主要來(lái)源于0.295項(xiàng)，由于地球自身的吸收作用，存在1.38項(xiàng)、187項(xiàng)、2.7m、4.3項(xiàng)4個(gè)較強(qiáng)的吸收譜區(qū)。一部分輻射被大氣吸收后使地球身產(chǎn)生自發(fā)輻射，主要集中在3-50叩且受到大氣吸收作用嚴(yán)重（不會(huì)對(duì)目前的通信造成干擾），因此，地球背景光干擾主要來(lái)源于地球大氣對(duì)太陽(yáng)光在強(qiáng)吸收區(qū)外的反射。通過(guò)對(duì)SILEX和SPOT

16、-4衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端參數(shù)：（1）衛(wèi)星光通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)視場(chǎng)中每個(gè)CCD!接受到的地面背景光功率為10-1210-11?與可接收到的信標(biāo)光功率相當(dāng)，英此會(huì)造成信噪比顯著下降。（2）衛(wèi)星光通信視場(chǎng)中可接收到的地球背景光功率大約為10-1010-9?,同樣與可接受到的信號(hào)光光功率相當(dāng)，造成ADP顯著的性噪比增高。四、激光大氣傳輸?shù)姆蔷€(xiàn)性效應(yīng)：高能激光在大氣中傳輸?shù)倪^(guò)程中主要非線(xiàn)性效應(yīng)包括：熱暈效應(yīng)、大氣擊穿、自聚焦效應(yīng)等，因此需要對(duì)通信激光傳輸?shù)墓β蔬M(jìn)行限制。熱暈效應(yīng)：高能激光在大氣中傳輸?shù)倪^(guò)程中，大氣分子和氣溶膠將吸收一定的激光能量，導(dǎo)致傳輸路徑上大氣溫度、密度的變化，改變大氣折射率，從而影響激光束的

17、傳輸特性，這種高能激光和大氣的非線(xiàn)性相互作用造成的光束偏轉(zhuǎn)、擴(kuò)展、畸變現(xiàn)象稱(chēng)作非線(xiàn)性熱畸變效應(yīng)，也稱(chēng)作熱暈。（由于大氣的連續(xù)吸收和氣溶膠吸收總是存在，因此熱暈是高能激光在大氣中傳輸?shù)念~最嚴(yán)重的非線(xiàn)性效應(yīng)之一）1、穩(wěn)態(tài)熱畸變效應(yīng)指在對(duì)流、熱傳導(dǎo)、等熱交換作用下激光同介質(zhì)之間的非線(xiàn)性作用達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其形成機(jī)理如圖所示風(fēng)速和光束掃描狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)熱暈畸變光分布折射率分布溫度分布光強(qiáng)分布(1)準(zhǔn)直光束?(?(?Q?=?，?o?o?-oo?、？彷地面空氣密度和溫度，t(z)為大氣透過(guò)率，p為激光功率，？?,？?表歸一化光強(qiáng)分布（可分為高斯光束、圓形光束等）假設(shè)熱暈效應(yīng)較弱，近場(chǎng)光強(qiáng)分布變化不大，可近似的

18、用均勻介質(zhì)傳輸中的光強(qiáng)分布通過(guò)適當(dāng)修飾后代替上上式中的相位分布，此時(shí)高斯光束相位畸變可表示為:?2?-五?=-二?？?)?erf?（通過(guò)）12?21+節(jié)?？0-為（級(jí)數(shù)分解）（利用互補(bǔ)誤差函數(shù)對(duì)x方向上的光強(qiáng)度進(jìn)行修正）?%a最大相位畸變值:?=?3/示布拉德利赫爾曼熱畸變參數(shù):1r?2?一（是表征熱暈效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)）42?1(?(?9=?0?(?D為光束直徑，對(duì)于高斯光束D取22?,圓形光束取D=2?般認(rèn)為，相位畸變達(dá)到2?時(shí)光束傳輸就會(huì)受到顯著的影響，并由此可計(jì)算得到此時(shí)所對(duì)應(yīng)得到的畸變參數(shù):此時(shí)高斯光束：？?=22圓形光束：？?=28由此可以根據(jù)？?計(jì)算公式，估計(jì)出引起現(xiàn)明顯熱暈效應(yīng)時(shí)的

19、光信號(hào)功率閾值。在水平均勻大氣中，大氣衰減足夠?。?？初？1）的情況下，熱畸變參數(shù)可以簡(jiǎn)化為42?9=?效/?其中募=8.34X10-10?3/?當(dāng)激光波長(zhǎng)入=1.315叩，D=0.6m,距離L=1km,在典型的地面氣候?=2?=3.5X10-5?1的條件下，高斯光束和圓形光束分別在40KW和50KW寸會(huì)產(chǎn)生明顯的非線(xiàn)性效應(yīng)。通過(guò)該公式進(jìn)行近似推算，假設(shè)大氣在近地100Km勺區(qū)域?yàn)榫鶆蛭眨瑒t即便高斯光束，光功率也需要達(dá)到400w是才會(huì)產(chǎn)生顯著的非線(xiàn)性效應(yīng)，而一般的激光器的功率基本維持在40dbm左右，所以可以暫時(shí)不考慮其非線(xiàn)性的影響。2、瞬態(tài)熱畸變效應(yīng)-g擰rnk|上工不114I-III股 F

20、收*,咕艇裁書(shū)仃TID匕41M凰inf71山I知lfl_l4f2JqIQ-II)MLH1I3LOIITKIO7-JO1嘯TI陽(yáng)i*wH.哥4沖rrnJI1).|tJ1f一一-二-1小J*iisjuifi-nr-41,IQ3才.1心.M話(huà).1J7rHiM.44鞠MID1flDrlQ-1；|-J.IC4“0/小17月岫PIII41hHHH-I：iIo11IU1.11H1HlX(D*I.UK11f,fT-4i_LITxHJT下9，r=Ha1|Q-4Q|Xlb-L卜TL17Ml。rmJU-ill?J。4XJ-DaIQ/%也卜刑tiivKnu,ggK14,hLI.印IXKWJ|j科TU11沖,加HJ-1

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