大气吸收与湍流基础总结

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1、一、激光大气衰减基础：激光大气衰减包扌舌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：I(V,1)=/0(v)e_k(v)l;v：为波数，T(v)为信号传输1距离Z后的电磁辐射强度，k(v)代表消光系数，/。(卩)为进入介质前的光辐射能量。透过率函数：其中，T=kl也被称作光学厚度，是一种无量纲的物理量；其中，k(V)既包括了大气分子的吸收(k嘶(V))和散射(kms(v))系数，也包括了气溶胶的吸收(kaa(v))和散射((kas(V)))系数:k(v

2、)=kma(v)+kms(v)+kaa(v)+kas(v)在实际的大气信道中，k(v)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k(v,z),当信号光以天顶角6入射到大气介质中时，光学厚度可以表示为：t(v,z)=Isec(0)k(v,z)dz丿0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

3、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(Kol

4、mogorov)模型：八Lo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V和能量耗散率(雷诺数：雷诺数的定义为：uLRe=—耳L为气体运动的尺度，丫为流体速度，耳为分子)基于上述假设，建立起了湍流长度(2。、厶°)、速度、时间的尺度，其中，“、厶。分别为湍流的内尺度和外尺度；lo=(v3/e)1/4:I«厶o(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1满足：lo«I«&柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)模型的特征参数:随机场的空间

5、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久、折射率结构函数Dn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，故乂称为大气光湍流。大气折折射率结构常数的肚义为:Dn(r)=C和石lQ«r«厶°盘为折射率结构常数，用于表征大气湍流的强弱，具有一定的时空分布特征。在实际大气屮，折射率结构常数通常随着高度的增加而减小，并且再近地面，还随着地理环境,温度，光照等变化。在国内外大量测量数据的基础上，提岀了多种盘的分布模式，其中较为常用的模型有Hufnagel模型、Hufnagel-Valley模型等；Hufn

6、agel模型：CW(h)=8.2x10-16lV2(/i/10)10e-h+2.7x/i.5W为风速因子，为5〜20Km处风速的均方根。适用于3-20km处的大气层的湍流计算，不适用于边界大气层。通过改进形成了Hufnagel-Valley模型：盘(h)=8.2x10一1602A为近地面结构折射率常量；大气相干长度：大气相干长度是另一种综合了大气湍流结构率、激光波长、传输距离等因素的传输特征参量，也称为鸭里德常数(Fried)o表征了大气湍流中传输光束横截血上空间相干特性的物理量，K二2兀/入；/?为天顶角；L为传输距离。激光大气传输湍

7、流效应：激光大气传输的湍流效应主要包括光斑漂移、光朿扩展、光强闪烁、光束到达角起伏几种，由于湍流具有随机性，导致其产生的传输效应也是随机的，只能用统计的方式对其进行研究分析。光斑漂移：当光束直径R远远小于湍流的外尺寸L时，大气湍流的主要作用是时激光光束的传播路径发生整体随机偏移，从而导致接收端光斑中心位置的随机变化，此时会增加跟踪捕获难度，对光朿质量影响较小。光斑漂移与波长无关，且汇聚光朿的漂移小于准直光束。光斑漂移通常以质心位置变化来描述，设质心的位置适量表示为p(x,y),假设光斑质心在水平方向上的漂移和垂直方向上的漂移相互独立，则

8、质心总的漂移方差可表示为:Sp={pc)=從+&对于平面波或者准直光束在Kolmogorov湍流屮传输，则其漂移方差可表示为：1[cLrLrL8p=6.08£)~3厶2Ic直(z)dz4-2LI(z)zdz