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一、激光大气衰减基础：激光大气衰减包括大气气体分子对激光的吸收和散射、气溶胶粒子的吸收和散射，激光信号通过均匀大大气介质之后，其电磁辐射强度满足:比尔-郎伯-布格定律：;:为波数，I()为信号传输l距离之后的电磁辐射强度，代表消光系数，为进入介质前的光辐射能量。
透过率函数：;其中，也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，既包括了大气分子的吸收（）和散射()系数，也包括了气溶胶的吸收和散射()系数：在实际的大气信道中，随着高度(z)的变化（假设大气具有分层均匀特性），即可以表示为，,当信号光以天顶角入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：（，）其中，其他的消光系数表如附图所示：大气分子吸收效应的从测量：二、大气光学湍流：1、大气湍流模型的描述：均匀各向同性湍流、非均匀各向同性湍流均匀各向同性湍流(是一种理想化的大气湍流模型，在复杂地形区和高空，对流层以上的区域，满足该理论条件的大气湍流区域有限，特别是近年来对大气湍流间歇性现象的发现，更证明了Kolmogorov模型应用的局限性。
目前工程中常需要借助大量的实验观测数据对该模型进行修正。
)查理森级串模型：湍流可以视作由气体流动形成的差别较大的涡旋，大涡旋不稳定，其从外界获取能量后，通过分裂等一系列复杂的运动将能量传递给次级涡旋，最后再最小的涡旋中通过气体黏性损耗。
在一定的区域内，涡旋级串达到某种平衡状态，形成局部均匀各向同性湍流，具有普适性的统计规律。
为了确定气体湍流的统计规律，基于不同的假设条件，提出了许多统计模型，其中使用最广泛的为柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型： 柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型：模型假设：（1） 当雷诺数足够大时，存在具有各向同性结构的高波数区，在该区里，气体运动的统计特征只决定于流体的黏性系数 和能量耗散率 。
（雷诺数：雷诺数的定义为：L 为气体运动的尺度，v 为流体速度， 为分子）基于上述假设，建立起了湍流长度( 、 )、速度、时间的尺度，其中， 、 分别为湍流的内尺度和外尺度；;（2） 当雷诺数足够大时，扰动统计特征只依赖于扰动能量的耗散率 ，此惯性区域的尺度 满足:柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov ）模型的特征参数：随机场的空间统计特性通常用结构函数等相关函数关系描述，包括风速结构率函数、折射率结构函数等，由于在湍流效应的研究中，主要考虑大气折射率起伏对光传输的影响，故又称为大气光湍流。
第19 卷第1 期2007 年3 月光散射学报THE JOUR NAL OF L IGHT SCATTERIN GVol119 No11March1 2007文章编号:100425929 (2007) 0120043206大气对激光传输的影响ΞΞΞ刘波涛(海军工程大学兵器工程学院, 湖北武汉430033)摘要: 本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。
并建立了大气传输系统的传递函数模型。
最后通过LOWTRAN 模拟软件包对本文所得的模型进行评估。
关键词: 大气传输特性; 大气湍流; 大气消光中图法分类号: TN92911 文献标识码: AThe Attenuation of Laser in the AtmosphereL IU Bo2tao( N av a l U niversit y o f E ngineering , Enginee r ing Instit ution of Weapon ,Hubei Prov . , W u han 430033 , China)Abstract : The attenuation of laser through the atmosphere is analyzed. Atmosphere absorption and scattering are described by radiation propagation theory. We analyze air extinction and air on flow on emphasis which are the most important factors to the absorption of radiation propa2 gation. The atmospheric t ransfer function model is constructed. At last , we evaluate this func2 tion model with the help of LOW TRA N software.Key words : Atmospheric propagation characteristic ; A ir on flow ; Air extinction1 大气的结构与对激光的影响随着光电成像技术的发展,远程摄像应用越来越广泛。
射频调制激光信号抗大气湍流和水中散射能力的研究摘要：随着现代军事技术的发展，激光通信系统作为一种新型通信方式被广泛研究和应用。
然而，在大气湍流和水中散射的影响下，激光信号的传输质量会受到很大限制。
因此，本文通过理论研究和实验验证，探究射频调制激光信号抗大气湍流和水中散射的能力。
首先，介绍射频调制技术的基本原理和特点，然后分析大气湍流和水中散射对激光信号传输的影响机理。
接着，通过搭建射频调制激光通信系统，对其在大气湍流和水中散射条件下的传输性能进行实验验证。
结果表明，在湍流强度较弱的情况下，射频调制激光信号的传输距离更远、信号质量更优，而在水中散射条件下，射频调制激光信号的穿透深度比单频激光信号更深，且信噪比更高。
因此，本文的研究对于提高激光通信系统的抗干扰性和稳定性具有一定的参考意义。
关键词：射频调制，激光信号，大气湍流，水中散射，传输性能中文论文正文：一、引言激光通信作为一种具有广阔应用前景的新型通信技术，已经引起了国内外学者的广泛关注。
激光通信系统具有传输速度快、带宽大、抗干扰性强等优点，但是在实际应用过程中，大气湍流和水中散射会对激光信号的传输质量造成重要影响，从而限制了其应用范围。
因此，如何提高激光通信系统的抗干扰性和稳定性成为研究的热点之一。
射频调制技术是一种常用的抗干扰技术，其主要原理是将激光信号和射频信号混合，形成具有高频调制的激光信号，从而在一定程度上抑制大气湍流和水中散射对信号的影响。
本文将通过理论分析和实验验证，探究射频调制激光信号抗大气湍流和水中散射的能力，为激光通信系统的优化设计提供参考。
二、射频调制技术的基础知识射频调制技术是一种将射频电信号和光信号相结合的技术，可以用于激光通信、光纤传输、雷达等领域。
其原理是将射频电信号与光信号进行混合，通过调制光信号的频率和强度，实现信息的传输。
射频调制技术的基本过程如下图所示：图1 射频调制技术的基本原理其中，LO为本地振荡信号，RF为射频信号，PD为光电探测器，M为光改变器。
大气湍流效应对激光传输影响的仿真研究郭惠超;孙华燕;吴健华【摘要】针对大气湍流效应对半导体激光光束远场光束质量的影响进行仿真研究。
首先理论分析泽尼克多项式产生的相位屏及指数高斯光束通过湍流大气传输后的光斑畸变情况；然后利用M atlab软件对相位屏及单束、多束半导体激光光束通过相位屏后的光斑光强分布进行仿真，并采用不均匀度指标对远场光束质量进行评价；最后指出多光束并合方法是抑制大气湍流效应影响的有效方法，对构建激光主动照明成像系统具有指导意义。
%This paper mainly simulates the irradiance distribution changes of laser beam through the atmosphere .First ,it uses Zernike polynomial to produce a random phase screen and analyzes the spot changes through atmospheric transmission ,then uses Matlab software to simulate the random phase screen and the spot changes through the atmosphere transmission ,and analyzes the spot by uni-formity ,finally gets the conclusion that the multi beam combining is a useful method to improve the effectiveness of laser atmosphere transmission ,and it is significant to construct the laser light image system .【期刊名称】《装备学院学报》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】4页(P116-119)【关键词】激光传输;大气湍流;泽尼克多项式;相位屏【作者】郭惠超;孙华燕;吴健华【作者单位】装备学院光电装备系，北京 101416;装备学院光电装备系，北京101416;92853部队【正文语种】中文【中图分类】TN241大气湍流是大气的一种重要运动形式,它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换强度。
作业1 三、简答题：1、简述激光产生的条件、激光器的组成及各组成部分的作用。
[答]：必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数。
充分条件：起振——阈值条件：激光在谐振腔内的增益要大于损耗。
稳定振荡条件——增益饱和效应（形成稳定激光） 。
组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。
作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。
泵浦源（激励源） ：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。
谐振腔：(1) 使激光具有极好的方向性( 沿轴线) (2) 增强光放大作用( 延长了工作物质 ) (3) 使激光具有极好的单色性( 选频 )2、简述光子的基本特性。
[答]：光是一种以光速运动的光子流，光子和其它基本粒子一样，具有能量、动 量和质量。
它的粒子属性（能量、动量、质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等）之间的关系满足：（1）E=hv= ω（2）m=22c hv c E =，光子具有运动质量，但静止质量为零； （3）k P =； （4）、光子具有两种可能的独立偏振态，对应于光波场的两个独立偏振方向；（5）、光子具有自旋，并且自旋量子数为整数，是玻色子。
作业2判断题中的第5小题：在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个λ/4波片，波片的轴向如何设置最好？若旋转λ/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？答：在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个?/4波片，波片的轴向取向为快慢轴与晶体的主轴x 成45°角时最好，从而使 E x′ 和 E y′ 两个分量之间产生π/2 的固定相位差。
若旋转λ/4波片，它所提供的直流偏置，得到直流偏值随偏振改变而改变。
三 简答题1、何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。
答：对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。
光波几乎无法通过。
根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。
光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素主要有:大气分子的吸收,大气分子散射 ,大气气溶胶的衰减。
3.1 大气湍流机理的研究湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。
湍流运动的动力学性质是由雷诺数 (Re)来衡量的，它是一个无量纲数，其定义为：Re=ρvL μ=v L ∨ （3.1）式中L 为流动的特征长度；v 为流动的特征速度；ρ为流体的密度；μ为流体的粘性系数：∨=μv 为运动粘性系数。
当由雷诺数表征的粘性流体的流动超过某一临界值时，它就从层流状态转变成一种更不规则的状态，即部分流体的速度在平均流动速度附近波动，而这些波动具有连续功率谱。
通常以涡流或涡旋形式将这些波动概念化，这些涡旋造成了流体的移动或其它特性的混合。
就大气来说，风速的湍流波动引起大气参量的混合，如温度、气溶胶或水汽。
这里成为焦点的参数是折射率，即光学湍流。
折射率的变化表现为两种形式：由于地面温度的影响，大气中温度随高度会有梯度出现，于是折射率也出现一个梯度；随位置和时间作迅速的变化，变化的频谱可达数百赫兹，变化的空间尺度可能小到毫米量级，变化的强度与天气状况和地面状况有一定的相关关系。
柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)理论即湍流的局部均匀各向同性理论(也称2/3定律)。
它是建立在下面三个假设的基础上：1) 湍流涡旋运动的随机特征是各向同性的；2) 在局部均匀各向同性区域中，流体运动仅仅由内摩擦力和惯性力决定；3) 在大雷诺数(Re)时，存在称为惯性范围的尺度区间，在此范围内，内摩擦力的影响是不重要的，因而可以略去，运动图像由惯性力决定。
其表达式为：D r （r ）=C v 2r 23⁄ l 0<r<L 0 (3.2)式中，纵向速度分量是平行于连接两个观察点的矢量r 。
常数C v 2被称作速度结构常数，它是Kolmogorov 定义的，C v 2表达式如下：C v 2=αε23⁄=2ε23⁄ （3.3）上式中ε为单位体积内起伏的能量耗散率。
当湍流出现时，首先是与流动整体特征尺度相当的巨大涡旋，它的尺度记作L 0，它相当于气流离地面的高度，L 0成为湍流的外尺度。
当湍流的运动的速度越来越大时，大的湍流涡旋呈现不稳定性而分裂成较小的涡旋，并将能量传递给它们，相应的内雷诺数变小，这个过程不断持续，Richardson 称之为湍流的级串性质。
这时湍流涡旋的尺度越来越小，当内雷诺数降到某一数值时，流体粘性影响将成为运动的本质因素，动能全部转化为热能而无法再分裂为更小的涡旋。
这一因素决定了涡旋的最小特征尺度l 0，我们称它为湍流的内尺度。
内尺度的范围从接近表面的几毫米到在对流层和同温层内的几厘米或更多。
由上式可知，l 0随运动粘性系数的增加而增加，而运动粘性系数则随高度的增加而增加。
能量损耗速率的倒数相关表明，强湍流的内尺度小，而弱湍流的内尺度大。
外尺度L被认为是：①最大尺度，此时局部均匀性和各向同性较好，②能源的尺度大小，③流动的大致范围，一般习惯用2／3功率定律的限度来确定外尺度。
L0的代表值从几十米到几百米。
在靠近表面处，L按照L=0.4h而随地面以上高度换算，这在大气或行星边界层可以产生几百米数量级的数值，即此区域(一般在最初的1000米内)内摩擦力和热同表面互换处于支配地位。
在自由大气中，外标尺一般为几十米数量级，但在很大的强层中一般数值达到几百米。
L0也可以按ε12⁄换算，所以外尺度随湍流强度增加。
因此，惯性范围在湍流两端扩大，l0减少而L增加。
对于速度波动，内标尺往往等于Kolmogorov微尺度，给定为：l0=(∨3ε⁄)14⁄（3.4）上式中∨=μv为运动粘性系数，量纲为m2T−13.2 湍流中的温度场由于大气中的湍流运动，使得所有与流动气体有关的各种性质，例如温度、折射率、气溶胶质粒分布等，都发生湍流掺混作用，对于光学工作者来说，特别关心折射率在湍流场中的特性，由于大气中折射率是温度的函数，因此，折射率场的特性与温度场的特性密切的联系在一起，在对地球大气的实际考察表明，在大气中，分子间直接混合运动仅在地表1cm之内和105km之外才是重要的，在介于其间的高度范围内，如果某一气团与周围空气没有热量交换，则当它上升或者下降时其温度就可以看作是在进行绝热变化，但是其压强则迅速的与环境空气压强保持相等。
气团的位温是指气团从它原有的压强和温度开始，绝热膨胀或者压缩到标准压强P0所具有的温度，大气中的位温θ与实际温度T的关系，可以由绝热方程和流体静力学方程得到，如果考虑一个不太大的高度范围，则可以表示为：θ=T+Γd h（3.5）上式中h是观察点的高度，Γd为温度的绝热递减率，在标准干洁大气状态下，Γd= 0.0098℃/m，由于大气中的水分含量，实际测的的垂直递减率通常为0.006℃/m~0.007℃/m。
在湍流大气中，可以把湍流运动中的位温场看作是空间r中的随机标量场，它具有的基本特征是：D θ(r 1，r 2)=〈[θ(r 1)−θ(r 2)]2〉 （3.6） 当|r 1− r 2|≪L 0时，具有各向同性的性质：D θ(r 1，r 2)=D θ(r ) （3.7） 根据结构函数的一般性质，有：D θ(0)=D (0)́=0 （3.8） 这样，将D θ(r ) 在0点作泰勒展开，可以得到D θ(r )在r 很小的时候所具有的形式，如下：D θ(r )=12D θ(0)r 2 （3.9）温度不均匀量在热传导的影响下扩散，在初始的大漩涡中，温度梯度较小，但由于湍流运动，具有不同温度的微气团可能集中，使得局部梯度显著增加，分子热传导开始具有显著的影响，它促使温度拉平而减少不均匀量。
3.3 大气折射率结构常数C n 2分析激光通过湍流大气传输的随机场分析一般采用统计分析方法，通过结构函数、概率分布、频谱特征等参数展开。
当光波在湍流大气中传播时，湍流大气的温度起伏引起折射率起伏，从而引起光束漂移、大气闪烁、相位起伏、散射等一系列湍流效应。
根据柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)局地均匀各项同性的湍流理论，定义空间任意两点间的折射率结构函数为：D n (r ，r ‘)=[n (r )−n (r ’)]2̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅=C n2r 23⁄ （3.10） 上式中，C n 2为折射率结构常数，它是描述湍流强弱的最重要的物理量，大气折射率结构函数C n 2的常见测量方法有以下几种：1) 温度脉动法根据干净大气中可见光波段内折射率和温度之间的关系可得：C n 2=[77.6×10−6T ̅2(1+7.52×10−3λ−2)P ̅]2C T 2 （3.11）式中，C T 2为温度结构常数，λ为光波波长，P 为大气压，T 为热力学温度，直接探测空中两点固定点之间的温度差，然后利用上式计算出C T 2，于是可得出C n 22) 闪烁法（Tatarskii 大气传输理论）利用Tatarskii 的光在湍流大气中的传输理论，当平面波穿过大气一段距离后，将引起光波振幅起伏，即为闪烁。
其对数强度方差σL 2的一般表达式为：σRytovL 2=1.23C n 2k 76⁄L 116⁄ （3.12）上式中，K 为光波的波数，L 为传输的距离，由此公式可以得到C T 2的值。
3) 到达角起伏法通过测量到达角起伏方差得到的。
平行光通过湍流戒指的到达角起伏方差为：σα2=2.91ρ−13⁄∫C n 2(z )L0dz （3.13） 这里，ρ为望远镜的直径，积分沿光路进行，L 为光程。
由此公式可以得到C T 2的值。
大气折射率结构常数与海拔高度的关系是：随着海拔高度的增加，大气密度的下降，大气湍流的强度也随着减弱。
表示公式如下：C n 2(h )=2.72×10−16[3v ̅2(h 10⁄)2exp (−h )+exp (−h 1.5⁄)](m −23⁄) （3.14） 这里v ̅2是单位为（m/s ）2的平均速度，离开地面高度h 的单位是km ，h 的范围为5～20km 。
3.4 大气相干长度的分析大气相干长度：激光在湍流大气中传输到距离发射端Z 处时，光束横截面上相位的相干距离。
它表示光波通过湍流传播的衍射极限。
它是表征波结构函数的唯一参量，与大气湍流的外尺度有关，湍流外尺度较小，大气相干长度较大，对于平面波，相干长度表达式为：ρ0=(1.46C n 2k 2L )−35⁄ （3.15）3.5 Fresnel 尺度的分析Fresnel 尺度与湍流尺度l 相近的衍射光斑尺度大小为l Fresnel =λL l ⁄。
√Lλ被称作Fresnel 尺度。
结合空间相干长度可界定湍流的强弱，当相干长度大于Fresnel 尺度即当ρ0>l Fresnel 时，传播条件就是弱起伏条件，随着通信距离增加，Fresnel 尺度呈非线性增加，而空间相干长度呈非线性递减，当满足ρ0<l Fresnel 时为强湍流，Fresnel 尺度的湍涡对传输激光束的散射是非相干散射，其Fresnel 尺度的接受面积内包含有多个不相干的光斑，ρ0=l Fresnel 的界定点所对应的传输距离为饱和距离L s 。
3.6 Rytov 指数Rytov 指数主要用于作为起伏条件的衡量参数，其对应于弱起伏条件下平面波的归一化光强起伏方差，用σRytov2表示。
σRytov2(z)=1.23C n2k 76z116（3.16）激光大气传输过程中会受到大气湍流影响，这种影响主要由大气分子团折射率随机变化所引起，并形成了光束漂移、像点抖动、光束扩展、光束强度起伏、相位起伏等现象。
大气湍流对激光束的影响程度及产生的效应与激光束的直径D及湍流的尺度L有关：1)当D≪L时，激光光束直径远小于湍流尺度，湍流的主要影响是使光束产生随机偏转，发生光束漂移；2)当D≈L时，湍流的主要作用是使光束截面发生随机偏转，形成到达角起伏，产生像点抖动；3)当D≫L时，激光光束截面内包含许多的漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，使光束的强度和相位在空间和时间上出现随机变化，光束面积不断扩大，从而产生光束扩展、大气闪烁、相位起伏等现象。
不同的效应对不同光学系统的影响各不相同，在一定条件下，湍流效应将严重阻碍系统的正常设计性能的发挥，光波在湍流大气中的传输的理论与大气湍流的机理密切相关，由于大气湍流理论至今尚不十分清楚，加之随机光波场的数学处理和想干性变化规律非常负责，因此，激光大气传输湍流效应研究领域中仍有许多问题尚待进一步的研究。
