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激光的吸收和散射、氣溶膠粒子的吸收和散射,激光信號通過均勻大大氣介質(zhì)之后，其電磁輻射強度滿足：比爾-郎伯-布格定律：Iv,l=今？?夕?（?尸?M為波數(shù)，1（丫）為信號傳輸l距離之后的電磁輻射強度，k（M弋表消光系數(shù)，？?:？?為進入介質(zhì)前的光輻射能量。透過率函數(shù)：其中，T=kl也被稱作光學(xué)厚度，是一種無量綱的物理量；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)信號光以天頂角？入射到大氣介質(zhì)中時，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，對流層以上的區(qū)域，滿足該理論條件的大氣湍流區(qū)域有限，特別是近年來對大氣湍流間歇性現(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驗觀測數(shù)據(jù)對該模型進行修正。）查理森級串模型：Tv,l?湍流可以視作由氣體流動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，通過分裂等一系列復(fù)雜的運動將能量傳遞給次級渦旋，最后再最小的渦旋中通過氣體黏性損耗。在一定的區(qū)域內(nèi)，渦旋級串達到某種平衡狀態(tài)，形成局部均勻各向同性湍流，具有普適性的統(tǒng)計規(guī)律。為了確定氣體湍流的統(tǒng)計規(guī)律，基于不同的假設(shè)條件，提出了許多統(tǒng)計模型，其中使用最廣泛的為柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov)模型：柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov)模型：模型假設(shè)：(1)當(dāng)雷諾數(shù)足夠大時，存在具有各向同性結(jié)構(gòu)的高波數(shù)區(qū)，在該區(qū)里，氣體運動的統(tǒng)計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為氣體運動的尺度，v為流體速度，？為分子)基于上述假設(shè)，建立

4、起了湍流長度(？?、？?)、速度、時間的尺度，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，擾動統(tǒng)計特征只依賴于擾動能量的耗散率 j 此慣性區(qū)域的尺度l滿足：?柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov)模型的特征參數(shù):隨機場的空間統(tǒng)計特性通常用結(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光傳輸?shù)挠绊?，故又稱為大氣光湍流。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弱，具有一定的時空分布特征。在實際大氣中，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。在國內(nèi)外大量測量數(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算，不適用于邊界大氣層。通過改進形成了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；大氣相干長度：大氣相干長度是

6、另一種綜合了大氣湍流結(jié)構(gòu)率、激光波長、傳輸距離等因素的傳輸特征參量，也稱為弗里德常數(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、光束擴展、光強閃爍、光束到達角起伏幾種，由于湍流具有隨機性，導(dǎo)致其產(chǎn)生的傳輸效應(yīng)也是隨機的，只能用統(tǒng)計的方式對其進行研究分析。光斑漂移：?)?當(dāng)光束直徑R遠遠小于湍流的外尺寸L時，大氣湍流的主要作用是時激光光束的傳播路徑發(fā)生整體隨機偏移，從而導(dǎo)致接收端光斑中心位置的隨機變化，此時會增加跟蹤捕獲難度，對光束質(zhì)量影響

7、較小。光斑漂移與波長無關(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立，則質(zhì)心總的漂移方差可表示為：對于平面波或者準(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，光斑漂移量可表示成:?=2.03?1/3?對于發(fā)射口徑為D的匯聚光束：1?21?=6.08?3?（?K1-z/L）?0到達角起伏（原像抖動）：當(dāng)光束直徑R同L相當(dāng)時，將會造成光束截面發(fā)生隨機偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生到達角起伏，也大改變

8、）。設(shè)相距r的兩條光線的相位差為？S,到達角環(huán)口到達角起伏方差?用波數(shù)k和相位結(jié)構(gòu)函數(shù)？?可表示為:?a=-?-?多?,=?=?（?是一個由傳輸距離了湍流強度所決定的函數(shù)，可以更具具體的湍流參數(shù)和傳輸距離計算出），在考慮實際傳輸?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，財天頂角，平面波到達角起伏可表示為:稱為原像抖動，即截面不同的部位具有不同的相移。（此時光束的整體強度不會發(fā)生太光束擴展和光強起伏:當(dāng)光束直徑遠遠大于湍流外徑時，由于光束截面內(nèi)部將出現(xiàn)許多相互獨立的小湍流，其對穿過各自的激光信號將產(chǎn)生獨立的衍射和偏轉(zhuǎn)作用，使光強度和相位在時間上出現(xiàn)隨機分布，光束面積也會隨

9、之增大。光強閃爍（起伏）：光強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)測其大小，經(jīng)典雷托夫（Rytov）光強起伏理論認為：在Kolmogorov局地均勻、各向同性的弱湍流前提下，光強起伏的對數(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，湍流強度越大，傳輸距離越長，起伏變化就越復(fù)雜。光束擴展：光束擴展指的是由湍流效應(yīng)引起的光斑半徑或面積的變化，可以分為短期擴展和長期擴展。短期擴展是指在一個足夠端的時間內(nèi)，觀察到的光束由極小旋渦造成的展寬的光斑。長期擴展：長期擴展指的是在一個相對

10、較長的時間內(nèi)，通過不同時刻的短期擴展疊加起來形成的長期擴展效應(yīng)，可見，觀察曝光時間不同，光束擴展的大小也有差別，其中長期擴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？對應(yīng)的波數(shù)，？?為發(fā)端光束直徑，？?為大氣相干長度，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：激光通信過程中，會受到宇宙中大量自然光源的干擾，主要包括星光、太陽光、月亮背景光、地球背景光幾種，通過實際測量建模仿真分析，其對激光通信的影響大體

11、可以概括如下：星光背景光對激光通信的影響：GEO-LEO:通過仿真， 由于跟蹤子系統(tǒng)視場比通信子系統(tǒng)視場大， 星光背景光進入相對頻繁， 大約占總通信時間的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，較大功率背景光進入視場的時間非常短，且功率遠低于信號光能量，所以星光背景光對通信子系統(tǒng)內(nèi)的影響可忽略不計。GEO-GEO:仿真中，由于GEOffi星的瞄準(zhǔn)視場較小，一天中僅有47s的時間星光背景光進入視場，最大背景光功率僅為1.84X10-13W通信子系統(tǒng)中沒有星光進入，所

12、以在GEO也不需要考慮星光背景光的影響。LEO-LEO:通過仿真分析，異軌道LEO-LEO1路，星光背景光在瞄準(zhǔn)視場中出現(xiàn)的時間最大站總時間的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?。對通信子系統(tǒng)而言，由于接收視場小，幾乎不會有星光背景光進入。綜上所述，星光背景光出現(xiàn)在通信視場的概率較小，通常情況下可以忽略不計，出現(xiàn)在瞄準(zhǔn)視場紅的概率相對較大，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，對性噪比影響不大。 （終端收到的星間信標(biāo)光和信號光的功率大約在10-810-10?）

13、太陽北京噪聲分析：太陽是激光通信鏈路中最強的背景光源，瞄準(zhǔn)視場中每個CCD妾收到的太陽背景光功率大約在10-610-17?左右， 通信系統(tǒng)中ATP接收到的太陽背景光功率大約在10-4?,遠遠大約信號光功率，將會使信號光完全淹沒在背景光信號中，出現(xiàn)凌日中斷現(xiàn)象，甚至損壞設(shè)備。太陽凌日仿真分析：星間激光鏈路凌日次數(shù)最長凌日時間/s平均凌日時間/s總凌日時間/sGEO-LEO前問鏈路0000方向鏈路44939154GEO-GEO312699259LEO-LEO同軌道176467異軌道1797120仿真時間：1年由仿真時間可以看出：(1)GEO-LE堂路不會出現(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)時間較長；LEO-LEO出現(xiàn)凌日次數(shù)最多但出現(xiàn)時間最短。(2)相對而言，一年中凌日導(dǎo)致鏈路阻塞的時間相對于總時間可忽略不計，但為了保護設(shè)備安全，需要進行準(zhǔn)確預(yù)測，并采取相應(yīng)的保護措施。月球北京噪聲分析:背景光功率：終端每個CCDW景光功率APDT景光功率ARTEMIS1.31X10-12W3.31X10-10WSPOT-45.26X10-12W3.31x10-10W對鏈路的影響情況星間激光鏈路次數(shù)最長時間/s平均時間/s總時間/sGEO-LEO前問鏈路66035208方向鏈路815470566GEO-GEO4145109437LEO-LEO同軌道6595357異軌道1997126仿

15、真時間：1年綜上可得，月球背景光出現(xiàn)時會造成總的性噪比下降，但其出現(xiàn)的時間較小，對總通信性能的影響可忽略不計。地球背景噪聲分析：星間鏈路中，只有GEO-LEOT向鏈路中的GEC線會對向地球（LEO-地面鏈路也一樣）。主要來源于地球?qū)μ栞椛涞姆瓷浜偷厍虻淖园l(fā)輻射，地球?qū)μ柕妮椛渲饕獊碓从?.295項，由于地球自身的吸收作用，存在1.38項、187項、2.7m、4.3項4個較強的吸收譜區(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重（不會對目前的通信造成干擾），因此，地球背景光干擾主要來源于地球大氣對太陽光在強吸收區(qū)外的反射。通過對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)視場中每個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)，英此會造成信噪比顯著下降。（2）衛(wèi)星光通信視場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€性效應(yīng)：高能激光在大氣中傳輸?shù)倪^程中主要非線性效應(yīng)包括：熱暈效應(yīng)、大氣擊穿、自聚焦效應(yīng)等，因此需要對通信激光傳輸?shù)墓β蔬M行限制。熱暈效應(yīng)：高能激光在大氣中傳輸?shù)倪^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性相互作用造成的光束偏轉(zhuǎn)、擴展、畸變現(xiàn)象稱作非線性熱畸變效應(yīng)，也稱作熱暈。（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~最嚴重的非線性效應(yīng)之一）1、穩(wěn)態(tài)熱畸變效應(yīng)指在對流、熱傳導(dǎo)、等熱交換作用下激光同介質(zhì)之間的非線性作用達到穩(wěn)定狀態(tài)，其形成機理如圖所示風(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)為大氣透過率，p為激光功率，？?,？?表歸一化光強分布（可分為高斯光束、圓形光束等）假設(shè)熱暈效應(yīng)較弱，近場光強分布變化不大，可近似的

18、用均勻介質(zhì)傳輸中的光強分布通過適當(dāng)修飾后代替上上式中的相位分布，此時高斯光束相位畸變可表示為:?2?-五?=-二?？?)?erf?（通過）12?21+節(jié)?？0-為（級數(shù)分解）（利用互補誤差函數(shù)對x方向上的光強度進行修正）?%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)強弱的參數(shù)）42?1(?(?9=?0?(?D為光束直徑，對于高斯光束D取22?,圓形光束取D=2?般認為，相位畸變達到2?時光束傳輸就會受到顯著的影響，并由此可計算得到此時所對應(yīng)得到的畸變參數(shù):此時高斯光束：？?=22圓形光束：？?=28由此可以根據(jù)？?計算公式，估計出引起現(xiàn)明顯熱暈效應(yīng)時的

19、光信號功率閾值。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)可以簡化為42?9=?效/?其中募=8.34X10-10?3/?當(dāng)激光波長入=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寸會產(chǎn)生明顯的非線性效應(yīng)。通過該公式進行近似推算，假設(shè)大氣在近地100Km勺區(qū)域為均勻吸收，則即便高斯光束，光功率也需要達到400w是才會產(chǎn)生顯著的非線性效應(yīng)，而一般的激光器的功率基本維持在40dbm左右，所以可以暫時不考慮其非線性的影響。2、瞬態(tài)熱畸變效應(yīng)-g擰rnk|上工不114I-III股 F

20、收*,咕艇裁書仃TID匕41M凰inf71山I知lfl_l4f2JqIQ-II)MLH1I3LOIITKIO7-JO1嘯TI陽i*wH.哥4沖rrnJI1).|tJ1f一一-二-1小J*iisjuifi-nr-41,IQ3才.1心.M話.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

21、0sJn+trt1ri如I”3知 ,RftIO11-NJ*1MNi1L*H1+LWHW111*L*d1II-ULP1J加,同SOUM*Ii2M1DK11IW-IQ*-i-r|li1力 *皿I.MWlEESEUHII*.H，*1MW“HQh塘01KltfbUJIQ+3川,Lfll,1*i*KiDin*IXXg-IKJ11U.JDLrKJqiJJtUlr：11.，!0-HMh91n,*1*1|mw-nJ卡wmaiIBM101L11M7一電度23，1度外jPi我喂可mitti豺./!乙/km* 6緡.tdt“丁-MH1!布”堵盾235二與,P,內(nèi)速1.tt)氣余校吸收4Ur氣濃Gin射0a/W氣源皎

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24、ODMIO*4Ti-442-10Kl.OUalOf4訃ID、1.ONI044.)?xlOskl.ODxIO*1UHW1.00-10*411MlO21-24itnwioJ.IQxIO,1.00 x10A124x10/UIt.a) )xio4113x101(0 x10*j.12x1030-15Iia) )xio1.25xIO1)ra) )io121xIO-M-40|0*|x.19N10*41(x104j7.97!0-40-45|1(10*4.(XK10391xIO4550LQDK10X07x10*I.U)x|0n1.99x10*SO-TOCLCDMID。13.12MIO11COMioB5.06IO

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