搜索
海洋大气环境下激光传输模型反演研究一、研究背景及现状（一）研究背景近年来，随着激光器和激光技术的迅猛发展，激光在各个领域的应用越来越广泛。工业领域、医学领域、军事领域等都随处可见激光的身影。激光在自由大气空间的传输特性一直以来都是人们研究的热点。激光测距，激光通信，激光雷达、激光武器等应用都离不开大气对激光的影响。但是，大气对激光传输的各种影响成为了制约其发展前景与规模的阻碍。主要包括：由于大气气体分子散射与吸收造成的辐射能量损失的大气衰减；大气中悬浮的气溶胶粒子和各种降水粒子（如：霾、云、雾、雨、雪、沙尘、烟尘等）对光波的吸收和散射效应引起的衰减；由于大气折射率随大气温度、气压和湿度等的随机起伏造成的光束强度的起伏（闪烁）、光束的扩展和漂移等大气湍流效应，使得光束质量变差；以及光在大气中传输的非线性效应等。对这些传输特性的研究，搞清楚影响激光传输的空间环境因素、及各种因素所产生的影响，是研究激光传输效应及其规律和确定激光系统参数的重要基础。因此，对激光在大气中各种效应进行系统的研究对进一步提升激光的应用价值有重要意义。上述激光大气传输效应都是传输模型中需要事先考虑的因素。但是，可以通过进一步分析各种效应在海洋大气环境条件下的影响权重，对激光传输模型简化处理，保留权重较大因子，剔除权重较小的因子。相比于陆地大气，海洋大气的相对湿度、气溶胶类型、折射率起伏功率谱形式等都有所区别。因此，无法直接应用激光在陆地大气环境条件下的传输模型。同时，目前的传输模型大都是单一影响因素，例如气溶胶的指数衰减模型、大气湍流的光强闪烁模型、光斑漂移模型等。实际情况中，激光大气传输后的光强功率密度分布是受到各种效应影响的综合结果。（二）研究现状随着激光在通信、测距、军事领域的潜在应用前景越来越巨大，激光在自由大气空间的传输特性也成了众多学者研究的热点。学者们对激光大气传输特性进行了理论上的各种探讨和实验上的观测，以及数值模拟方法的探究。理论研究在上个世纪70年代已基本成熟，激光在大气中会受到分子，气溶胶的吸收、散射以及大气湍流、热晕等的影响。关于大气湍流的研究，目前已有较为完整的理论模型。1839年,实验中第一次观察到了层流转变为瑞流的现象，1883年，O.Reynor在圆管水流实验中研究了层流在何种条件下转化为湍流。1895年，雷诺将瞬时风速处理做平均高风速和端流的脉动速度两部分相叠加,给出了描述瑞流运动的方程沮,并提出了端流粘性力，也就是雷诺应力的理论。1925年，普朗持又在雷诺的理论基础上提出了混合长度的概念，用于说明边界层中高度和风速间的相关关系，很多实验证明了这个结果的正确性。1915年,Taylor提出了大气端流微结构的统计理论。1920年，李查逊得到了大气湍流和大气温度分布的相关关系。1941年,Kolmogorov给出了局部各项同性理论。之后，学者们提出了各种湍流的折射率起伏功率密度谱。从局部各向同性的Kolmogorov谱，到考虑大、小尺度湍流起伏的vonKarman谱，以及Hill依据单点温度测量结果并依据一些理论考虑提出的一个普适谱模型Hill谱和Frehlich谱，Andrews修正谱。近年来，出现一种用于描述海上环境大气折射率变化特性的功率谱解析模型，数学形式与Andrews谱类似，这与本课题研究内容较为接近。湍流中的折射率起伏功率密度谱是对湍流大气中激光传输特性进行理论研究和数值模拟的模型基础。基于折射率起伏功率密度谱，学者们得到了光强起伏模型、激光束漂移扩展模型等，并利用多层相位屏模拟的数值模拟方法或者实验，计算了激光经过湍流传输后的光场分布，对模型进行了验证。例如，王红星，吴晓军，宋博基于海上大气折射率起伏功率谱模型，推导得出了该环境大气湍流中水平路径光束漂移的理论表达式，并且在烟台地区近海面环境下开展了多次激光传输实验，分别采集到了不同时间段和不同距离的准直高斯光束漂移实测数据，在弱起伏条件下，将理论预测值与实际测量值进行比较，验证了模型了适用性；陈栋，朱文越等人在局地均匀、各向同性Kolmogolov湍流谱以及Rytov近似假设的条件下，依据近海地区大气湍流的季度和日变化特征，分析了海面大气湍流对海军光电装备性能的影响；MingLi和MiloradCvijetic分析了海洋大气环境条件下的湍流对自由空间光通信系统的性能的影响，并从四个方面对比了海洋大气与陆地大气环境下的光通道：大气透过率、折射率结构常数、折射率功率谱密度、光强起伏方差；钱仙妹、朱文越等人采用多层相位屏的模拟方法，针对地空激光大气的长距离斜程传输进行了大量数值模拟，通过变化天顶角，光束初始半径和激光波长等传输条件，定量分析了光束的有效半径，相对真空扩展倍数，光斑质心漂移均方根和环围能量的平均功率密度等统计参量在不同传输条件下受湍流的影响程度和变化规律，并且提出了一种激光湍流大气传输数值模拟中计算参量的选取方法。关于大气衰减效应的研究，大多数情况下光电工程中的能量衰减都属于大气分子吸收和大气分子和气溶胶粒子的单次散射导致的能量损失。这种情况下对应辐射传输方程最简单的形式，即Beer定律。在实际限定条件下，如1.06激光在海洋大气环境条件下传输，大气分子的吸收以及瑞利散射基本可忽略不计，能量衰减主要是由于海洋型气溶胶粒子的吸收与散射。对于气溶胶的吸收与散射，GustavMie首先得出了球形粒子的散射系统的电磁场解析解，即MIE散射理论。它是在Maxwell方程组基础上，通过将入射光场与散射光场的球谐函数展开，得到气溶胶粒子的散射效率因子与吸收效率因子、将其乘以粒子截面积与粒子数密度，最后求出气溶胶粒子的散射系数与吸收系数，两者相加便是衰减系数。刘西川、高太长等人在大气气溶胶类型、谱分布的基础上，利用MIE散射理论计算了气溶胶在可见光与近红外波段的散射和衰减特性，并讨论了气溶胶对可见光与近红外波段的激光传输衰减的影响。由于激光大气传输中，在气溶胶粒子数密度较大的情况下、多次散射不可忽略，仅使用Beer定律会对激光能量衰减的计算带来一定误差。王红霞等人对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型，计算分析了1.06和10.6两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较，结果表明了当能见度较低、气溶胶单次散射率较高时，单次散射计算误差较大。当计算非球形粒子时，MIE散射理论不再适用。赵文娟基于理论方法重点开展了入射激光波束与典型大气气溶胶粒子、任意形状的气溶胶粒子及凝聚型粒子的相互作用研究，分析了各类气溶胶粒子在平面波及高斯波入射条件下的吸收、散射及衰减效应；将气溶胶衰减特性的研究应用于不同环境模式的激光传输衰减并给出了传输衰减特性在实验室粒子浓度测量中的应用。综上所述，对于大气湍流，目前已有各种形式的折射率起伏功率密度谱、光强起伏方差模型、激光束漂移扩展模型等理论解析模型，以及多层相位屏模拟的数值计算模型和实验中得到的经验模型；对于大气气溶胶、目前既有针对球形粒子的MIE散射理论解析模型和其他针对非球形粒子的理论模型、单次散射对应的Beer定律模型，以及多次散射对应的蒙特卡罗数值计算模型。除此之外，为了考虑实际激光大气传输中的综合效应，学者们发展了基于“定标率”的代数模型，可以对实际大气传输进行定量估计。如，H.Breaux的代数模型，该模型可以计算高能连续激光在不同条件下水平传输到目标处的峰值激光功率密度。上述模型，基本都是为了解决某些特定条件下激光大气传输问题而建立的。因此，学者们基本达成了一个共识：寻求一个解决光波在随机介质中传播的各种问题的普适理论与方法的希望渺茫。于是人们便将精力集中于各种具体问题，寻找各自的解决办法。二、海洋大气环境下激光传输的影响因素（一）激光折射这里的激光折射可分为两种：一种是将大气当做一种与真空略有差异的静止的介质，各种成分的含量、密度以及对于折射率的空间分布稳定，不考虑局部的起伏问题，折射率略大于单位值1并随地面的高度而存在梯度变化，高度越高，越接近单位值，激光在该介质中传播，产生大气蒙气差；另一种是考虑大气湍流，大气折射率存在随机起伏，引起光在大气中传播的随机折射，造成光强起伏，光斑漂移等现象。第一种激光光折射效应主要会造成：光线的传播方向发生改变、光程延长、色散效应。在天文气象应用方面和空间通信方面会造成较大影响。对于水平地面上的激光工程应用影响可忽略不计。第二种激光折射效应即湍流大气对光传输的影响。大气湍流一般指大气风速起伏对应的动力湍流，但对光学性质起影响作用的是因大气密度起伏引起的大气折射率起伏所对应的光学湍流。但大气密度起伏主要由温度起伏决定。（二）激光散射激光在大气中的散射主要可分为大气分子对激光的散射和大气气溶胶粒子对激光的散射。大气分子对激光的散射：由于大气分子的尺度远小于紫外到红外波段内的光波长，只有低阶的电极子的辐射起主要作用，实际上，通常就是电偶极子的辐射起作用。这种散射可以当做瑞利散射进行处理。由瑞利散射理论可知，大气分子总的散射截面为：2324222412scanCNn(1)又因为折射率约为单位值1，上式可简化为：32423213scaCnN(2)其中N为分子体积的倒数，即分子数密度。分子的体散射系数为散射截面与分子数密度的乘积：3243213scascaNCnN(3)从上述结果可知：瑞利散射最显著的一个特点是散射强度和波长的四次方成反比，散射光的强度随波长的变短而急剧增大。大气气溶胶粒子对激光的散射：由于空气中微粒的尺度远大于空气分子，接近于从紫外到红外整个光谱区间的光波波长，上面的瑞利散射理论不再适用，使得它们对光波的绝大部分散射问题必须在波动光学的框架内解决。这时应采用MIE散射理论，它的核心思想是将入射的平面波转化为矢量球谐函数，并通过求解球形边界下的麦克斯韦方程组，将内场与散射场以矢量球谐函数的形式表示出来。通过有关资料显示气溶胶粒子吸收特性与粒径间的关系为:（1）粒径远小于波长时，粒子表现为体吸收，散射强度随着粒径增加而迅速增大；（2）粒径与波长相当时，吸收强度和散射强度达到极大值；（3）粒径远远大于波长时，粒子表现为面吸收，且吸收强度与散射强度随粒径成反比。假设气溶胶粒子为球形粒子时，采用MIE散射理论具体计算气溶胶的散射系数过程如下。对于具有一定尺度分布的球形气溶胶粒子，总的衰减，散射和吸收系数为：𝜇𝑖=𝑁∫𝜎𝑖(𝑟)𝑛(𝑟)𝑑𝑟，(𝑖=𝑡，𝑠，𝑎)∞0(4)上式中，N为气溶胶粒子数密度，n(r)是气溶胶粒子尺度分布概率密度函数，𝜎𝑡，𝜎𝑠和𝜎𝑎分别为单个粒子的消光、散射和吸收截面。其值可以根据MIE散射理论求出。根据MIE理论，消光、散射、吸收截面如下定义：𝜎𝑡=2𝜋𝑘2∑(2𝑛+1)𝑅𝑒{𝑎𝑛+𝑏𝑛}∞1(5)𝜎𝑠=2𝜋𝑘2∑(2𝑛+1)(|𝑎𝑛|2+|𝑏𝑛|2)∞1(6)𝜎𝑎=𝜎𝑡−𝜎𝑠(7)其中，𝑎𝑛和𝑏𝑛为MIE系数，是一个与微粒尺度参数2/r以及复折射率（m=𝑚1−i𝑚2）有关的函数，k为2/。粒子的不对称因子表示前后散射的不对称程度，计算公式如下：𝑔=4𝛼2𝑄𝑠[∑𝑛(𝑛+2)(𝑛+1)(𝑎𝑛𝑎𝑛+1∗+𝑏𝑛𝑏𝑛+1∗)∞1+∑2𝑛+1𝑛(𝑛+1)𝑅𝑒{𝑎𝑛𝑏𝑛∗}∞1](8)g=∫𝑛(𝑟)𝜎𝑡(𝑟)𝑔(𝑟)𝑑𝑟∞0/∫𝑛(𝑟)𝜎𝑡(𝑟)𝑑𝑟∞0(9)其中，𝑄𝑠为散射效率因子（𝑄𝑠=𝜎𝑠/𝜋𝑟2）。单次散射效率因子即反照率为ω=𝑄𝑠/𝑄𝑡。综上所述，当已知气溶胶粒子的尺度分布函数，粒径参数、复折射率等，可通过球形近似，利用MIE散射理论计算得到气溶胶粒子的散射、吸收、衰减系数。（三）激光吸收激光在大气中的吸收主要可分为大气分子对激光的吸收和大气气溶胶粒子对激光的吸收。