大氣吸收與湍流基礎(chǔ)總結(jié)

一、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：Iν,lν:為波數(shù)，I(ν)為信號傳輸l距離之后的電磁輻射強度，k(ν)代表消光系數(shù)，I0透過率函數(shù)：Tν,l其中，τ=kl也被稱作光學厚度，是一種無量綱的物理量；其中，k(ν)既包括了大氣分子的吸收（kma(ν)）和散射(kms(ν))系數(shù)，也包括了氣溶膠的k在實際的大氣信道中，kν隨著高度(z)的變化（假設(shè)大氣具有分層均勻特性），即可以表示為kν，zτ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、大氣光學湍流：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：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)定，其從外界獲取能量后，通過分裂等一系列復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：L0Ll當雷諾數(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)ν和能量耗散率ε。（雷諾數(shù)：雷諾數(shù)的定義為：ReL為氣體運動的尺度，v為流體速度，η為分子）基于上述假設(shè)，建立起了湍流長度(l0、Ll0=當雷諾數(shù)足夠大時，擾動統(tǒng)計特征只依賴于擾動能量的耗散率ε，此慣性區(qū)域的尺度l滿足:l柯爾莫哥洛夫(Kolmogorov）模型的特征參數(shù)：α光束擴展和光強起伏：當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：δ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:aaθκ0為外尺度L0對應(yīng)的波數(shù)，a0為發(fā)端光束直徑，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1.57×10-12W左右；星光背景光進入通信子系統(tǒng)的概率大約為4×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GEO衛(wèi)星的瞄準視場較小，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1.84×10-13LEO-LEO:通過仿真分析，異軌道LEO-LEO鏈路，星光背景光在瞄準視場中出現(xiàn)的時間最大站總時間的7.4%,最大背景光功率為4.75×10-13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10-12~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，瞄準視場中每個CCD接收到的太陽背景光功率大約在10-6~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前向鏈路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：GEO-LEO鏈路不會出現(xiàn)凌日中斷現(xiàn)象；GEO-GEO鏈路凌日次數(shù)最少但每次持續(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。相對而言，一年中凌日導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，需要進行準確預測，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CCD背景光功率APD背景光功率ARTEMIS1.31×103.31×10SPOT-45.26×103.31×10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前向鏈路66035208方向鏈路815470566GEO-GEO4145109437LEO-LEO同軌道6595357異軌道1997126仿真時間：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-LEO前向鏈路中的GEO天線會對向地球（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?.29~5μm，由于地球自身的吸收作用，存在1.38μm、187μm、2.7μm通過對SILEX和SPOT-4衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端參數(shù)：衛(wèi)星光通信系統(tǒng)標準視場中每個CCD可接受到的地面背景光功率為10-衛(wèi)星光通信視場中可接收到的地球背景光功率大約為10-四、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）穩(wěn)態(tài)熱畸變效應(yīng)指在對流、熱傳導、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速和光束掃描狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)熱暈VVVVV光強分布溫度分布折射率分布分布畸變光分布分布（1）準直光束ψρ0、T0為地面空氣密度和溫度，t(z)為大氣透過率，p為激光功率，假設(shè)熱暈效應(yīng)較弱，近場光強分布變化不大，可近似的用均勻介質(zhì)傳輸中的光強分布通過適當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：ψ=-（通過）(利用互補誤差函數(shù)對x方向上的光強度進行修正)?ψ?ND表示ND為光束直徑，對于高斯光束D取22a0一般認為，相位畸變達到2π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：NDG圓形光束：NDU由此可以根據(jù)ND計算公式