大气对激光的散射

大气散射现象
大气散射是重要而且普遍发生的现象，大部分进入我们眼睛的光都是散射光。

如果没有大气散射，则除太阳直接照射的地方外，都将是一片黑暗。

大气散射作用削弱了太阳的直接辐射，同时又使地面除接收到经过大气削弱的太阳直接辐射外，还接收到来自大气的散射辐射，大大增加了大气辐射问题的复杂性。

大气散射是大气光学和大气辐射学中的重要内容。

也是微波雷达、激光雷达等遥感探测手段的重要理论基础。

通常，根据光的散射的原因不同而将光的散射分为两类：一类是：廷德尔散射。

颗粒浑浊媒质（颗粒线度和光的波长差不多）的散射，散射光的强度和入射光的波长的关系不明显，散射光的波长和入射光的波长相同。

另一类是：分子散射。

光通过纯净媒质时，由于构成该媒质的分子密度涨落而被散射的现象。

分子散射的光强度和入射光的波长有关，但散射光的波长仍和入射光相同。

其原理是：光和粒子的相互作用，按粒子同入射波波长（λ）的相对大小不同，可以采用不同的处理方法：当粒子尺度比波长小得多时，可采用比较简单的瑞利散射公式；当粒子尺度与波长可相比拟时，要采用较复杂的米散射公式；当粒子尺度比波长大得多时，则用几何光学处理。

一般考虑
具有半径的均匀球状粒子的理想散射时，常采用无量纲尺度参数= 2πr/λ作为判别标准：当无量纲尺度参数<0.1时，可用瑞利散射；当无量纲尺度参数≥0.1时，需用米散射；当无量纲尺度参数>50时，可用几何光学。

同一粒子对不同波长而言，往往采用不同的散射处理方法，如直径1微米的云滴对可见光的散射是米散射；但对微波，却可作瑞利散射处理。

光在大气中传播及应用大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。

光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。

1.大气衰减激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。

吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。

（1）大气分子吸收大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。

所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。

分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。

极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。

相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。

因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。

大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。

因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。

大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。

只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。

H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。

表1中对某些特定的波长，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”。

在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。

目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。

大气激光后向散射特性的研究和应用的开题报告一、研究背景及意义近年来，大气激光后向散射技术（Atmospheric Laser Backscatter）在大气科学、环境监测和天气预报等领域得到广泛应用。

其原理是利用激光束向大气发送光信号，通过测量光信号的散射和吸收等特性，对大气中的物质成分、温度、湿度等参数进行探测和分析。

目前，大气激光后向散射技术已被应用于大气污染监测、云雾研究、气溶胶探测、飞行安全预警等领域。

其中，大气污染监测是其应用领域之一，其重要性在于能够实时监测大气中的有害物质，为环境管理和污染防治提供科学依据。

二、研究目的本研究旨在探究大气激光后向散射技术在大气污染监测和预警方面的应用，具体包括：1.研究大气激光后向散射技术的基本原理及测试方法。

2.探究大气污染物对激光散射信号的影响机理。

3.设计并搭建一套大气激光后向散射监测系统，进行现场测试和数据分析。

4.结合现有气象数据，对监测结果进行分析与研究。

三、研究内容本研究主要包括以下内容：1.研究大气激光后向散射技术的原理、特点和测试方法，深入理解其应用意义和局限性。

2.探究大气污染物对激光散射信号的影响机理，包括吸收、散射和光程差等因素，以期为今后的技术改进提供理论支持。

3.搭建一套大气激光后向散射监测系统，包括气象站、激光发射器、探测器等设备，并进行现场测试。

4.结合现有气象数据，对监测结果进行分析与研究，探究大气污染的时空分布规律，以期为环境管理和污染防治提供科学依据。

四、研究方法本研究采取以下方法：1.文献资料法：对国内外相关文献进行阅读和综述，深入了解大气激光后向散射技术的原理和应用。

2.实验考察法：自主设计并搭建一套大气激光后向散射监测系统，在不同环境条件下进行现场测试和数据采集。

3.数据分析法：结合气象数据，对监测得到的大气激光后向散射数据进行分析和建模，探究大气污染的时空分布规律。

五、预期结果通过本研究，预期得到以下结果：1.深入了解大气激光后向散射技术的基本原理，熟悉其测试方法及应用领域，对未来的研究和应用提供有力的理论支持。

激光雷达探测大气原理
一、激光发射
激光雷达通过发射激光束来探测大气。

激光器产生特定波长的光，经过调制后以脉冲形式发射出去。

根据不同的应用需求，可以选择不同波长的激光，如近红外、中红外、远红外等。

激光束的发射角度和频率可以根据需要进行调整。

二、粒子散射
当激光束在大气中传播时，会与大气中的粒子（如气溶胶、水滴、冰晶等）发生散射。

根据瑞利散射理论，散射光的强度与入射光的波长四次方成反比，因此选择适当的波长可以增强散射信号，提高探测的灵敏度。

散射粒子的尺寸和浓度分布决定了散射光的空间分布和强度，因此通过测量散射光的特性可以反演大气的参数。

三、回波探测
激光雷达通过接收散射光回波信号来探测大气参数。

回波信号的强度、波长和传播时间等参数可以通过光电探测器进行测量。

回波信号的强度与散射粒子的浓度和尺寸有关，波长和传播时间则与大气折射率和消光系数有关。

通过对回波信号的测量，可以获取大气的温度、湿度、气压、气溶胶浓度等信息。

四、数据处理与分析
激光雷达获取的回波信号需要进行数据处理和分析才能得到大气参数。

数据处理主要包括去除噪声干扰、提取有效信号、校正光学系统误差等步骤。

分析则涉及利用物理模型和算法对数据进行反演，得到大气的温度、湿度、气压、气溶胶等参数的空间分布和时间变化。

数据处理和分析的结果可以用于气象预报、空气质量监测、气候变化研究等领域。

综上所述，激光雷达通过激光发射、粒子散射、回波探测和数据处理与分析等步骤来探测大气参数。

这种技术具有高精度、高分辨率和高灵敏度的优点，可广泛应用于气象、环境监测等领域。

光的散射与散射现象的解释散射是指当光射到物体上时，由于物体表面的不规则结构或物体内部的杂质、气泡等微小颗粒，光被非连续地吸收和重新放射，使光的方向发生改变。

这种光的方向改变就是散射现象。

本文将着重解释散射的原理以及散射在不同领域的应用。

一、散射原理散射现象的发生与光的波长和散射物质有关。

当光射到物体上时，与物体表面的微小颗粒发生作用，光被颗粒吸收并重新发射。

由于颗粒分布的不均匀性，吸收和重新发射的光以不同角度散射出去，从而使光的传播方向发生改变。

具体而言，散射现象遵循光线照射物体后按照出射方向分为反向散射和正向散射两种情况：1. 反向散射：当入射光与颗粒发生的散射角大于90度时，所形成的光线的传播方向与入射光线的方向在物体的同侧。

这种散射主要从物体的表面反射出来，散射的光线会保持入射光的频率和波长。

例如，白云的形成正是由于大量的水蒸气和微小的水滴对可见光的反向散射。

2. 正向散射：当入射光线与颗粒发生的散射角小于90度时，所形成的光线的传播方向与入射光线的方向在物体的异侧。

这种散射主要发生在物体内部，例如冰块、草木、玻璃等透明物质中。

二、散射现象的应用散射现象在许多领域中都有重要的应用价值。

1. 大气散射：大气散射是太阳光在大气中散射的现象。

日常观察到的大气散射表现为天空的蓝色。

太阳光中的蓝光波长较短，在大气中与气溶胶和气体分子发生散射，使得蓝光散射到我们的视线中，从而呈现出蓝色的天空。

2. 激光散射：激光散射是指激光束通过散射介质后的分散现象。

激光在大气中的散射可用于激光雷达、激光通信等领域，而在材料科学中，激光的散射现象常用于测量材料的组分和质量。

3. X射线散射：X射线散射是指X射线通过物质后的散射现象。

X射线散射常用于材料表面分析、结晶学研究以及医学影像学等领域。

根据散射角度和散射方式，可以获得目标物质的结构、成分和特性信息。

4. 生物领域中的散射：散射能提供关于生物样本中结构、组织和细胞的非侵入性信息。

激光技术在环境监测中的应用研究随着社会的快速发展和工业化进程的不断推进，环境问题日益凸显，对于环境监测的要求也越来越高。

传统的环境监测方法在某些方面存在局限性，而激光技术的出现为环境监测带来了新的机遇和突破。

激光技术具有高分辨率、高灵敏度、非接触式测量等优点，在大气污染监测、水污染监测、土壤污染监测等领域发挥着重要作用。

一、激光技术在大气污染监测中的应用大气污染是当前环境问题中的一个重要方面，对人类健康和生态环境造成了严重威胁。

激光技术在大气污染监测中的应用主要包括对颗粒物、气态污染物和温室气体的监测。

（一）颗粒物监测激光散射法是一种常用的颗粒物监测技术。

当激光照射到颗粒物上时，会发生散射现象，通过测量散射光的强度和角度，可以计算出颗粒物的浓度和粒径分布。

这种方法具有实时性强、测量精度高的优点，能够快速准确地反映大气中颗粒物的变化情况。

（二）气态污染物监测差分吸收激光雷达（DIAL）技术在气态污染物监测中表现出色。

它利用污染物对特定波长激光的吸收特性来测量其浓度。

例如，对于二氧化硫、氮氧化物等污染物，通过发射两种不同波长的激光，一种被污染物强烈吸收，另一种则几乎不被吸收，通过对比两种波长激光的回波信号差异，就可以计算出污染物的浓度。

（三）温室气体监测二氧化碳、甲烷等温室气体的排放是导致全球气候变化的主要原因之一。

激光技术可以实现对这些温室气体的高精度监测。

例如，可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术能够对二氧化碳和甲烷的浓度进行实时、连续监测，为研究温室气体的排放和变化规律提供了重要数据支持。

二、激光技术在水污染监测中的应用水是生命之源，水污染的监测和治理至关重要。

激光技术在水污染监测中的应用主要有水质参数监测和水中污染物检测。

（一）水质参数监测激光诱导荧光（LIF）技术可以用于测量水中的溶解有机物、叶绿素等水质参数。

当激光照射到水样中时，某些物质会发出荧光，通过检测荧光的强度和光谱特征，可以推断出这些物质的浓度，从而反映水质的状况。

激光大气传输特性分析研究激光大气传输特性分析具有重要意义和应用价值，对于激光通信、激光雷达、激光武器等领域的发展至关重要。

本文将阐述激光大气传输特性分析的研究背景、现状和难点，介绍主要方法和技术，总结研究结果和发现，并强调其在应用上的重要性和价值。

激光大气传输是指激光在大气中传播的过程，受到大气中各种粒子的吸收、散射和折射等作用的影响。

在大气传输过程中，激光的强度、方向和波形等都会发生改变，从而影响激光通信、激光雷达和激光武器等系统的性能。

因此，对激光大气传输特性进行分析，有助于了解激光在大气中传播的规律和机理，为这些领域的发展提供理论支持和技术指导。

目前，激光大气传输特性分析主要集中在理论和实验研究两个方面。

理论分析主要包括辐射传输理论、气体分子动力学理论、气候学理论等，通过建立数学模型来模拟激光在大气中的传输过程。

实验测量则是在实际环境中对激光传输的特性进行测量和记录，以验证理论分析的正确性。

然而，由于大气传输过程的复杂性和不确定性，理论和实验研究都存在一定的难度和挑战。

理论分析方法：基于辐射传输理论，建立激光大气传输模型，计算光强、光谱、相位等传输特性，分析各种因素的影响。

例如，运用蒙特卡罗方法模拟光在大气中的散射和吸收过程，评估不确定性因素的影响。

实验测量方法：通过在实验场地或实际环境中进行激光传输实验，测量光强、方向、波形等参数，获取实际数据。

例如，利用望远镜观测远程目标上的激光斑点，分析斑点特征和变化规律。

数值模拟方法：利用计算机模拟程序，模拟激光大气传输过程，获取各种传输特性参数。

例如，通过模拟不同气候条件下的激光传输过程，预测激光通信系统的性能。

通过对激光大气传输特性的理论和实验研究，科学家们取得了一系列重要成果。

例如：发现了大气中各种粒子（如气溶胶、水蒸气、氧气、二氧化碳等）对激光的吸收、散射和折射作用，以及这些作用的温度、压力和湿度等影响因素。

建立了较为完善的辐射传输理论体系，用于描述激光在大气中的传输过程，并开发了相应的数值模拟软件，可对不同条件下的激光传输进行模拟和预测。

激光光束在大气中的传输机理研究作为一种重要的光学工具，激光在现代科技和工业中发挥着重要作用。

而激光光束在大气中的传输机理的研究，则是涉及到激光技术应用的一个关键领域。

在大气传输中，激光光束受到许多因素的影响，如大气湍流、散射和吸收等。

本文将深入探讨这些因素对激光光束传输的影响与机理。

首先，大气湍流是激光光束传输中的主要难题之一。

湍流会导致光束的强度分布发生扭曲和衰减，从而降低激光传输的效率和质量。

目前，有许多研究方法用于模拟和理解湍流对光束的影响。

其中，数值模拟是一种常用的方法，通过数学模型对湍流流场进行计算和模拟，进而预测光束传输的效果。

此外，实验方法也被广泛应用于湍流研究中，例如通过气球和飞机等载体，在大气中进行光束传输实验，并测量湍流对光束的影响。

其次，散射是激光光束在大气中传输的另一个重要影响因素。

大气中的微尺度粒子（如烟尘、白细胞和水滴）会使光束在传输过程中发生散射，从而导致光束的发散和强度的削弱。

为了更好地理解和预测散射对光束传输的影响，研究者们提出了各种散射模型和算法。

利用这些模型和算法，研究者可以预测光束在不同大气条件下的传输距离和强度衰减，并为激光应用提供相关参数和指导。

另外，大气在不同波长的激光光束中的吸收特性也会对光束传输产生影响。

大气中的气体分子和颗粒物质会对激光光束中的能量进行吸收，从而导致光束的衰减和传输距离的限制。

为了充分利用激光技术，科研人员研究了不同波长激光在大气中的传输特性，并通过选择适合的激光波长，有效地减小了光束传输的衰减和损失。

总结而言，激光光束在大气中的传输机理研究是一个复杂而又关键的领域。

湍流、散射和吸收等因素的影响，使得激光在大气中传输的过程十分复杂且不可忽视。

因此，对这些因素的深入研究和理解，对于激光技术的发展和应用具有重要意义。

未来，我们可以继续探索新的理论和实验方法，以更好地解决激光光束在大气中的传输难题，并推动激光技术在各个领域的进一步应用与发展。

激光在雾中传输的散射衰减分析作者：杨雪，王林林，蓝菲菲，王幸元来源：《科技资讯》 2015年第8期杨雪1 王林林1 蓝菲菲1 王幸元2（1.长春理工大学电子信息工程学院吉林长春 130022；2.吉林油田公司地球物理勘探研究院吉林松原 138000）摘要：激光在雾中传输会造成能量衰减，这是激光被雾滴粒子散射、吸收的结果；这样一来，激光探测系统工作在雾天气时，其准确性将受到影响。

在Mie散射理论基础上，以gamma 分布作为雾滴谱，建立532nm激光在雾中的传输衰减模型，理论推导计算不同能见度的雾条件下激光透过率随传输距离的变化。

关键词：激光雾滴粒子 Mie散射理论衰减模型中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0061-01激光在大气中传输时，能量会不断的衰减，不同浓度的雾天造成激光衰减的程度不同。

当雾浓度较小时，激光在雾中的多重散射可以忽略，近似看做单次散射。

由于能见度较低的浓雾对可见光的吸收散射作用强烈，在短距离内使得可见光的透过率迅速降至零，故该文只讨论人肉眼察觉不明显的轻雾天气对532nm可见光的衰减作用，为轻雾天气下，可见光在激光探测系统中的应用提供理论依据。

1 雾的尺度分布及经验公式雾滴的尺度分布大多数采用的是Gamma分布。

该式体现了半径为r的雾滴在单位范围内的数目。

上式中W为雾含水量，单位g/m3；V是能见度，单位km。

2 激光在雾中的散射理论在Mie散射理论中，为方便计算，引入无量纲尺度参数k=2r/，这里为光波波长，单位，r 为粒子半径，单位。

在计算微粒衰减时，Mie散射理论公式主要是对吸收效率因子、散射效率因子和衰减效率因子三个参数的计算。

三者关系如下：相应截面与效率因子关系为：3 激光在雾中传输时的散射衰减计算根据朗伯-比尔指数衰减定律，激光通过介质前后的光功率关系如下：式中，T为透过率，为探测器接收功率，为激光器发射功率，L为传输距离，是衰减系数，量纲为，表示每单位路径长度的数。

1.064μm激光大气斜程散射建模及仿真姚梅;张乐;徐成伟;张海庄;赵琳锋【摘要】To study the slant path scattering characteristics of aerosols in atmosphere, the slant path scattering model of 1. 064μm laser was built based on Mie scattering theory. The distribution characteristics of radiative parameters were analyzed with the help of MATLAB. Combined with ground surface detection, the effect of detection azimuth and angle of a detector on the scattering intensity was discussed. As a result, the model is a credible method for the tactical training of airborne designator system and ground laser detection.%为了研究大气气溶胶对激光斜程传输的散射特性,建立了基于米氏散射理论的1.064μm激光大气斜程散射模型.利用MATLAB软件对模型进行仿真计算,分析了斜程散射光辐射参量的分布特性.并结合地面探测分析了探测器的方位及探测方向对散射光辐射照度的影响.结果表明,该模型为机载激光指示器系统的战术训练、地面激光探测提供了可靠的理论依据.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)003【总页数】4页(P394-397)【关键词】激光技术;散射;斜程散射模型;米氏散射;空中照射器;探测【作者】姚梅;张乐;徐成伟;张海庄;赵琳锋【作者单位】中国人民解放军63892部队,洛阳471003;中国人民解放军63891部队,洛阳471003;中国人民解放军63892部队,洛阳471003;中国人民解放军63889部队,孟州454750;中国人民解放军63892部队,洛阳471003【正文语种】中文【中图分类】O436.2引言随着激光技术的迅速发展，激光已成为通信、工业、科研、军事等诸多领域中不可缺少的一种应用工具。

第36卷，增刊红外与激光工程2007年9月V01．36Suppl em e砒I nf}a r e d弛d I as er En西球腼ng S印．2007大气散射对激光制导武器对抗半实物仿真试验的影响分析姚梅1，张乐2，李英华1，胡欣1(1冲国人民解放军63892部队，河南洛阳471003：2冲国人民解放军63891部队，河南洛阳471003)擅要：介绍了米氏散射的基本算法，利用米氏理论计算波长1．06阻n脉冲激光在实验室环境下的散射辐射照度，结果说明散射辐射照度远低于接收探测器灵敏度。

仿真试验中，照射器的能量不能过高，否则会损伤探测器。

关键词；米氏散射；散射辐射照度；，气溶胶谱分布中圈分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1007—2276(2007)增(探测与制导)．0385．04A nal ys i s of l as er gui ded w eapon count m eas ur e har dw ar ehI t he l oop si m ul at i on t es t i nl cl uenced by at m ospher i c scat t er i I瞎Y A0M e i l，zH A N GⅥl e2，U Y j m g—hual，H uⅪn1(1．63982A r m y U m t PL A，L uoy龃g471003，QIi I Ia；2．6389l A r m y U I I i t PL A’Luoy卸g钾l003，Chi Im)A bs t r ac t：M i e sc at：t e：ri Il g al g嘶吐皿i s i nt r oduced and scat t嘶ng i玎adi撕0n of pul s e l a S e r w i m1．06r ni c rom e t er i s c al cul at ed by M i e s ca舵r ing t he ory i n l ab or a_t0巧．I t is pr o ved m at s cat t edng i n-adi ance i s l ow er m aI l t he sensi t i V i t)，of det ec溉I n t I le si I I l ul at i on t es t，if m e ener gy em i t t ed by l a se r is t oo t li gh，岫det ec t or w i Ube d锄aged．K ey w or ds：M i e Sca曲e r i ng；Scatt efi ng咖di ance；A烈D s ol s i ze击s舡i but i onO引言激光雷达的探测、激光制导、激光告警等领域均受到大气散射的影响，根据被散射激光的波长与引起散射的粒子尺寸的关系，大气散射分为瑞利散射、米氏散射和无选择性散射【1】。

大气衰减曲线lidar-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在概述部分，我们将介绍大气衰减曲线以及其在激光雷达（lidar）领域的应用。

大气衰减曲线是描述大气对激光束传输的能量损耗情况的曲线，它展示了激光束在大气中传播时遇到的各种损耗。

这些损耗包括散射、吸收、反射和折射等。

虽然激光束在传播过程中会受到这些损耗的影响，但我们可以通过大气衰减曲线来了解并补偿这些损耗。

大气衰减曲线在激光雷达技术中起着至关重要的作用。

激光雷达是一种使用激光束来测量目标和环境的距离和其他属性的技术。

通过发射激光束并接收其回波，激光雷达可以计算出目标的距离和速度等信息。

然而，由于大气条件的变化，激光束会受到一定程度的衰减影响，这可能导致测量结果的不准确性。

为了解决这个问题，研究人员利用大气衰减曲线来纠正激光雷达的测量结果。

通过事先了解大气衰减曲线的特性，可以根据激光传输路径上的大气条件来计算修正系数，从而准确地估计出目标的属性。

这使得激光雷达在各种气候条件下都能够获得准确的测量结果。

在本文中，我们将详细介绍大气衰减曲线的原理和计算方法，并探讨其在激光雷达技术中的应用。

我们将重点讨论大气衰减对激光束能量的影响以及如何通过大气衰减曲线来修正测量误差。

此外，我们还将讨论大气条件对激光雷达性能的影响，并提出一些未来的研究方向。

通过本文的阅读，读者将能够深入了解大气衰减曲线在激光雷达领域的重要性和应用价值，并能够应用相关知识进行激光雷达的数据处理和分析。

1.2 文章结构文章结构是指文章整体的布局和组织方式。

它决定了文章各个部分在整体中的位置和重要性，以及它们之间的逻辑关系。

本文的文章结构如下所示：第一部分是引言。

在引言中，我们将简要地介绍大气衰减曲线lidar 这个主题，并说明为什么它的研究很重要。

同时，我们还将概述整篇文章的结构，在此之后，我们会介绍文章的目的。

第二部分是正文。

正文部分是整篇文章最主要的部分，用来详细阐述相关内容。