光在大氣和水中的傳播詳解PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1光在大氣和水中的傳播詳解光在大氣和水中的傳播詳解大氣激光通信、探測(cè)等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道大氣激光通信、探測(cè)等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。大氣分子：大氣分子：10-8cm大氣氣溶膠：大氣氣溶膠：0.032000m，塵埃、煙粒、微水滴、有機(jī)微生物，塵埃、煙粒、微水滴、有機(jī)微生物 微粒在大氣中的懸浮成溶膠狀態(tài)微粒在大氣中的懸浮成溶膠狀態(tài)大氣氣體分子及氣溶膠的大氣氣體分子及氣溶膠的吸收和散射吸收和散射會(huì)引起的光束能量衰減；會(huì)引起的光束能量衰減；當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時(shí)間極短時(shí)，當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時(shí)間極短時(shí)，非線(xiàn)性效應(yīng)非線(xiàn)性效應(yīng)也會(huì)影也會(huì)影響光束的特性。響光束的特性?？諝饪諝庹凵渎什痪鶆蛘?/p>

2、射率不均勻會(huì)引起的光波的振幅和相位起伏；會(huì)引起的光波的振幅和相位起伏；第1頁(yè)/共20頁(yè)吸收散射衰減設(shè)強(qiáng)度為設(shè)強(qiáng)度為I的單色光輻射，通過(guò)厚度為的單色光輻射，通過(guò)厚度為dl的大氣薄層。的大氣薄層。IIdldIIIdlII 為大氣衰減系數(shù)（為大氣衰減系數(shù)（km-1）假設(shè)大氣厚度為假設(shè)大氣厚度為L(zhǎng), 入射光強(qiáng)入射光強(qiáng)I0, 出射光強(qiáng)出射光強(qiáng)I1I0I1L100ILIdIdlI)exp(exp001LdlIITL第2頁(yè)/共20頁(yè))exp(LT朗伯定律朗伯定律-光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)光強(qiáng)隨傳輸距離的增加呈指數(shù)規(guī)律衰減。律衰減。aammkkkm和和 m分別為分子的吸收和散射系數(shù)；分別為分子的吸收和散射

3、系數(shù)；ka和和 a分別大氣氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。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（衰減系數(shù)常用單位為（1/km）或（）或（dB/km） (dB/km)=4.343 (1/km) 第3頁(yè)/共20頁(yè) 大氣分子的吸收大氣分子的吸收 大氣分子在光波電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生大氣分子在光波電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化極化，并以，并以入射光的頻率作受迫振動(dòng)，為了克服大氣分子內(nèi)部入射光的頻率作受迫振動(dòng)，為了克服大氣分子內(nèi)部阻力要消耗能量。阻力要消耗能量。入射光頻率入射光頻率= =大氣分子大氣分子固有頻率固有頻率時(shí)，共振吸收，吸收出現(xiàn)極大值時(shí)，共振吸收，吸收出現(xiàn)極大值分子的固有吸收頻率由分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)形態(tài)決

4、定。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。分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)分子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)紫外和可見(jiàn)光紫外和可見(jiàn)光分子內(nèi)原子振動(dòng)分子內(nèi)原子振動(dòng)近紅外和中紅外近紅外和中紅外分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)分子繞其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動(dòng)遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外第4頁(yè)/共20頁(yè)N2、O2分子：可見(jiàn)光和紅外區(qū)幾乎不吸收，遠(yuǎn)紅分子：可見(jiàn)光和紅外區(qū)幾乎不吸收，遠(yuǎn)紅外和微波段很大的吸收。外和微波段很大的吸收。He，Ar，Xe，O3，Ne等：吸收可見(jiàn)光和近紅外，但因等：吸收可見(jiàn)光和近紅外，但因它們?cè)诖髿庵械暮可跷?，一般也不考慮其吸收作用。它們?cè)诖髿庵械暮可跷?，一般也不考慮其吸收作用。只是在高空處，其余衰減因素都已很弱，才考慮它們吸只是在高空處，其余

5、衰減因素都已很弱，才考慮它們吸收作用。收作用。 H2O和和CO2分子：特別是分子：特別是H2O分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)分子在近紅外區(qū)有寬廣的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此是可見(jiàn)光和近紅外區(qū)最重要的吸收轉(zhuǎn)動(dòng)及純振動(dòng)結(jié)構(gòu)，因此是可見(jiàn)光和近紅外區(qū)最重要的吸收分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素分子，是晴天大氣光學(xué)衰減的主要因素吸收分子主要吸收譜線(xiàn)中心波長(zhǎng)(m)H2O0.72 0.82 0.93 0.94 1.13 1.38 1.46 1.87 2.66 3.15 6.26 11.7 12.6 13.5 14.3CO21.4 1.6 2.05 4.3 5.2 9.4 10.4O24.7 9.6第5頁(yè)/共

6、20頁(yè) 一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段稱(chēng)為段稱(chēng)為“大氣窗口大氣窗口”。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)。在這些窗口之內(nèi)，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。弱吸收。目前常用的激光波長(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)目前常用的激光波長(zhǎng)都處于這些窗口之內(nèi)。 第6頁(yè)/共20頁(yè)(2) 大氣分子的散射大氣分子的散射可見(jiàn)光和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)可見(jiàn)光和近紅外波段，輻射波長(zhǎng)分子線(xiàn)度分子線(xiàn)度d瑞利散射瑞利散射43/827. 0ANm m為瑞利散射系數(shù)；為瑞利散射系數(shù)；N為單位體積中的分子數(shù)；為單位體積中的分子數(shù)；A為分子的散為分子的散射截面；射截面； 為光波長(zhǎng)。為光波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散

7、射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越弱；波長(zhǎng)越短，散射越強(qiáng)烈。第7頁(yè)/共20頁(yè)（3） 大氣氣溶膠的衰減大氣氣溶膠的衰減 氣溶膠對(duì)光波的衰減包括氣溶膠的氣溶膠對(duì)光波的衰減包括氣溶膠的散射和吸收散射和吸收。 粒度在粒度在 0.03 m到到2000 m之間的固態(tài)和液態(tài)微之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài)粒，這些微粒在大氣中的懸浮呈膠溶狀態(tài) d，米氏散射米氏散射 米氏散射則主要依賴(lài)于散射粒子的尺寸、密度分布以米氏散射則主要依賴(lài)于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，與波長(zhǎng)的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈。及折射率特性，與波長(zhǎng)的關(guān)系遠(yuǎn)不如瑞利散射強(qiáng)烈。第8頁(yè)/共20頁(yè) 晴朗、霾、

8、霧大氣的衰減晴朗、霾、霧大氣的衰減在大氣水平均勻條件下，只考慮氣溶膠衰減，朗伯在大氣水平均勻條件下，只考慮氣溶膠衰減，朗伯定律可改寫(xiě)為定律可改寫(xiě)為)exp(LTaqaAq值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定值可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定qaV)55. 0/()/29. 3(V（km）：能見(jiàn)度）：能見(jiàn)度)km6 (585. 0)(3 . 1)(6 . 13/1VVq當(dāng)中等能見(jiàn)度能見(jiàn)度很大時(shí)對(duì)于近紅外光，對(duì)于近紅外光， 對(duì)于可見(jiàn)光對(duì)于可見(jiàn)光 /0.55 1，故有，故有 a =3.91/V (km)。第9頁(yè)/共20頁(yè) 雨和雪的衰減雨和雪的衰減 雨滴間隙要大得多，故能見(jiàn)度較霧高，光雨滴間隙要大得多，故能見(jiàn)度較霧高，光波容易通過(guò)。加之雨

9、滴的前向散射效應(yīng)強(qiáng)，這波容易通過(guò)。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。減系數(shù)比霧小兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 激光在雪中的、衰減系數(shù)與降雪強(qiáng)度有較好的對(duì)應(yīng)激光在雪中的、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。樣的含水量而言，雪的衰減比雨的大，比霧的小。 第10頁(yè)/共20頁(yè) 通常大氣是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運(yùn)動(dòng)形式分通常大氣是一種均勻混合的單一氣態(tài)流體，其運(yùn)動(dòng)形式分為為層

10、流運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)。層流運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)。湍流運(yùn)動(dòng)：湍流運(yùn)動(dòng)：無(wú)規(guī)則的漩渦流動(dòng)無(wú)規(guī)則的漩渦流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很復(fù)雜，既，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡很復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動(dòng)，也有縱向運(yùn)動(dòng)，有橫向運(yùn)動(dòng)，也有縱向運(yùn)動(dòng)，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。一平均值隨機(jī)起伏。 層流運(yùn)動(dòng)：層流運(yùn)動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)則的穩(wěn)定流動(dòng)，在一個(gè)薄層的流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)則的穩(wěn)定流動(dòng)，在一個(gè)薄層的流速和流向均為定值，層與層之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生混流速和流向均為定值，層與層之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生混合。合。第11頁(yè)/共20頁(yè)(1) (1) 大氣閃爍大氣閃爍光束強(qiáng)度在時(shí)間和空間上隨機(jī)起伏，光強(qiáng)忽大忽小光束強(qiáng)度在時(shí)間

11、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。，即所謂光束強(qiáng)度閃爍。 一般地，波長(zhǎng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，閃爍小。一般地，波長(zhǎng)短，閃爍強(qiáng)，波長(zhǎng)長(zhǎng)，閃爍小。(2) (2) 光束的彎曲和漂移光束的彎曲和漂移在接收平面上，光束中心的投射點(diǎn)（即光斑位置）以某個(gè)統(tǒng)在接收平面上，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)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(chēng)為赫到數(shù)十赫），此現(xiàn)象稱(chēng)為光束漂移光束漂移。若將光束視為一體，。若將光束視為一體，經(jīng)過(guò)若干分鐘會(huì)發(fā)現(xiàn)，其平均方向明顯變化，這種慢漂移亦經(jīng)過(guò)若干分鐘會(huì)發(fā)現(xiàn)，其平均方向明

12、顯變化，這種慢漂移亦稱(chēng)為稱(chēng)為光束彎曲光束彎曲。主要受制于大氣折射率的起伏。主要受制于大氣折射率的起伏。第12頁(yè)/共20頁(yè)(3) (3) 空間相位起伏空間相位起伏 在透鏡的焦平面上接收，就會(huì)發(fā)現(xiàn)像點(diǎn)抖動(dòng)。這可解釋為在在透鏡的焦平面上接收，就會(huì)發(fā)現(xiàn)像點(diǎn)抖動(dòng)。這可解釋為在光束產(chǎn)生漂移的同時(shí)，光束在接收面上的到達(dá)角也因湍流影光束產(chǎn)生漂移的同時(shí)，光束在接收面上的到達(dá)角也因湍流影響而隨機(jī)起伏，即與接收孔徑相當(dāng)?shù)哪且徊糠植ㄇ跋鄬?duì)于接響而隨機(jī)起伏，即與接收孔徑相當(dāng)?shù)哪且徊糠植ㄇ跋鄬?duì)于接收面的傾斜產(chǎn)生隨機(jī)起伏。收面的傾斜產(chǎn)生隨機(jī)起伏。 第13頁(yè)/共20頁(yè)第14頁(yè)/共20頁(yè) 在水中傳播的各種波中，在水中傳播的各種

13、波中， 縱波的衰減最小。聲縱波的衰減最小。聲納技術(shù)被廣泛采用。納技術(shù)被廣泛采用。 電磁波的衰減嚴(yán)重，無(wú)線(xiàn)電波和微波在水下幾電磁波的衰減嚴(yán)重，無(wú)線(xiàn)電波和微波在水下幾乎無(wú)法應(yīng)用。光波相對(duì)無(wú)線(xiàn)電波和微波而言，其衰乎無(wú)法應(yīng)用。光波相對(duì)無(wú)線(xiàn)電波和微波而言，其衰減較小。減較小。單色平行光束在水中傳播的衰減規(guī)律也近似服從指數(shù)規(guī)律單色平行光束在水中傳播的衰減規(guī)律也近似服從指數(shù)規(guī)律 lePP0 是包括散射和吸收在內(nèi)的是包括散射和吸收在內(nèi)的衰減系數(shù)衰減系數(shù)。與水質(zhì)傳播光束的波長(zhǎng)。與水質(zhì)傳播光束的波長(zhǎng)有關(guān)。有關(guān)。衰減長(zhǎng)度衰減長(zhǎng)度L0表示水下傳播光束衰減的大小表示水下傳播光束衰減的大小L0=1/ (m)第15頁(yè)/共2

14、0頁(yè)106104102100相相對(duì)對(duì)吸吸收收0.1 0.3 0.5 0.7 1.0 3.0 5.0 10紫外紫外 可見(jiàn)可見(jiàn) 紅外紅外波長(zhǎng)波長(zhǎng)( m) 藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱(chēng)該波段為藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱(chēng)該波段為“水下窗口水下窗口”。0.49 m和和0.69 m波長(zhǎng)光波的衰減長(zhǎng)度分別為波長(zhǎng)光波的衰減長(zhǎng)度分別為11 m和和2 m。這說(shuō)明藍(lán)光比紅光在水中的傳輸性能要好得多。這說(shuō)明藍(lán)光比紅光在水中的傳輸性能要好得多。水質(zhì)不同，其衰減特性差異很大。水質(zhì)不同，其衰減特性差異很大。第16頁(yè)/共20頁(yè)lePP0PPPPL00ln1ln1光脈沖的作用距離方程為光脈沖的作用距離方程為P0：光發(fā)射功率：光發(fā)射功

15、率P：探測(cè)器的最小可探測(cè)功率：探測(cè)器的最小可探測(cè)功率L：光脈沖在水下所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。：光脈沖在水下所能傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。P0=106W，P=10-14W= 0.49 m，L=500 m= 0.69 m，L=80 m第17頁(yè)/共20頁(yè)前向散射與后向散射前向散射與后向散射 光在傳輸方向上的散射稱(chēng)為前向散射，而在相反光在傳輸方向上的散射稱(chēng)為前向散射，而在相反方向的散射稱(chēng)為后向散射。方向的散射稱(chēng)為后向散射。 前向散射使光束傳輸距離明顯增大，傳輸距離越遠(yuǎn)，前前向散射使光束傳輸距離明顯增大，傳輸距離越遠(yuǎn)，前向散射光的貢獻(xiàn)就越大。這種效應(yīng)對(duì)水下照明有利，但對(duì)向散射光的貢獻(xiàn)就越大。這種效應(yīng)對(duì)水下照明有利，但對(duì)水下光束掃描和水下攝影不利，它會(huì)使掃描分辨率和目標(biāo)水下光束掃描和水下攝影不利，它會(huì)使掃描分辨率和目標(biāo)背景比度下降。背景比度下降。光源單程光束多程光束接收平面光束截面第18頁(yè)/共20頁(yè) 后向散射較前向散射強(qiáng)烈得多。使接收器產(chǎn)后向散射較前向散射強(qiáng)烈得多。使接收器產(chǎn)生飽和，因此在水下測(cè)距、電視、攝影等應(yīng)用中生飽