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(cè)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(shí)間極短）λ'=λ/n1.大氣衰減傳輸光輻射強(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化以入射光的頻率作受迫振動(dòng)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(yùn)動(dòng)形態(tài)決定極性分子的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)組成分子的原子振動(dòng)分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)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(huì)向其他方向傳播散射在可見光和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)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(zhǎng)（cm）

波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。可見光比紅外光散射強(qiáng)烈，藍(lán)光又比紅光散射強(qiáng)烈。在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因?yàn)樗{(lán)光散射最強(qiáng)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(jī)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(yáng)塵當(dāng)光的波長(zhǎng)相當(dāng)于或小于散射粒子尺寸時(shí)，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(duì)數(shù)得可見(－q)是lna~ln直線的斜率，q值可通過實(shí)驗(yàn)確定。對(duì)于可見光，/0.551，故有a=3.91/V(km)。

對(duì)于近紅外光，據(jù)氣象對(duì)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(qiáng)，這會(huì)顯著地減小對(duì)直射光束的衰減。結(jié)果雨的衰減系數(shù)比霧小兩個(gè)數(shù)量級(jí)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(jì)算。一些實(shí)驗(yàn)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(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(shí)，液體或氣體的有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)就會(huì)失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)，這一比值就是表示流體運(yùn)動(dòng)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(jí)距離上運(yùn)動(dòng)速度的變化量（m/s）；為流體粘滯系數(shù)（kg/ms）。Re是一個(gè)無量綱的數(shù)。當(dāng)Re

小于臨界值Recr（由實(shí)驗(yàn)測(cè)定）時(shí)，流體處于穩(wěn)定的層流運(yùn)動(dòng)，而大于Recr時(shí)為湍流運(yùn)動(dòng)。由于氣體的粘滯系數(shù)

較小，所以氣體的運(yùn)動(dòng)多半為湍流運(yùn)動(dòng)。大氣湍流氣團(tuán)的線尺度l有一個(gè)上限L0和下限l0，即L0<l<l0，L0和l0分別稱為湍流氣團(tuán)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(chǎng)中傳輸時(shí)的效應(yīng)。大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計(jì)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(diǎn)之間的距離；Ci為相應(yīng)場(chǎng)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(jì)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(qiáng)度，即

弱湍流Cn=810-9m-1/3

中等湍流Cn=410-8m-1/3強(qiáng)湍流

Cn=510-7m-1/3⑴大氣閃爍光束強(qiáng)度在時(shí)間和空間上隨機(jī)起伏，光強(qiáng)忽大忽小，即所謂光束強(qiáng)度閃爍。大氣閃爍的幅度特性由接收平面上某點(diǎn)光強(qiáng)I的對(duì)數(shù)強(qiáng)度方差來表征在弱湍流且湍流強(qiáng)度均勻的條件下：波長(zhǎng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，閃爍小。當(dāng)湍流強(qiáng)度增強(qiáng)到一定程度或傳輸距離增大到一定限度時(shí)，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(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(huì)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(jì)