光波在湍流大氣中的傳播

光波在湍流大氣中的傳播，光波在大氣中的傳播過程，除了受到氣體分子、雲霧降水和氣溶膠粒子的散射和吸收以外，還受到大氣折射率不均勻的結構（湍流區）的散射。

基本介紹

• 中文名：光波在湍流大氣中的傳播
• 適用領域：光學成像
• 所屬學科：光學

有關現象

大氣折射率不均勻的結構，使光波的側向散射和後向散射都比較弱，而前向散射則比較強。當接收器沿光線對準光源時，前向散射波的隨機變化，使接收到的光波，無論振幅或相位等參數，都產生隨機起伏，這些現象，統稱為光波傳播的湍流效應。

它們包括：

①強度起伏，

②相位起伏，

③光束擴展。強度起伏　又稱閃爍，如星光閃爍和雷射閃爍等。它是由光波振幅的隨機變化所引起的，通常用對數光強的起伏來表征。按電磁波在湍流大氣中傳播的小擾動近似理論(見電磁波在湍流大氣中的傳播)，在局部各向同性的均勻湍流場中，見大氣湍流，對數光強起伏的方差為αCn2k7/6l11/6，其中Cn2為大氣折射率結構常數，k為光的波數；l為傳播路徑長度。係數α與波束的類型有關：對於平面波和球面波，α分別為1.23和0.50；對於雷射束狀波，α介於此兩者之間。在非各向同性的不均勻湍流場中，對數光強方差和湍流強度與路徑的分布有關。實驗發現，對數光強方差有和湍流強度相對應的日變化，一般在夜間較小，白天較大。但當達到2.5這一臨界值以後，不論湍流如何加強，傳播的路徑如何延長，此方差都逐漸趨於常數，甚至還有下降的趨勢。這個現象叫作閃爍的飽和效應。加大接收孔徑，可以有效地減輕閃爍效果，這就是閃爍的孔徑平滑效應。光強起伏的空間相關函式與路徑上的湍流狀態有關，相關距離大約為量級（λ為波長）。閃爍的頻譜與傳播路徑上風速的橫向分量有關，峰值頻率等於橫向風速與之比，主要的頻譜成分集中在1～100赫茲低頻範圍。相位起伏　能引起星象的抖動和雷射光斑的漂移。不但如此，它還破壞了雷射空間的相干性，使相干檢測的效率下降。相位起伏是大尺度的大氣折射率不均勻的結構所造成的。按照小擾動近似理論，相位起伏結構函式和兩個接收點間距離的5/3次方成正比。

光束擴展

大氣折射率不均勻的結構，引起光束髮散角加大，因而在光學系統接收器的焦點上，雷射光束所形成的光斑，比沒有湍流時要大，這種現象叫作散焦。它影響了光學系統聚焦的能力和成象的質量。

參考書目

R.S.Lawrence，J.W.Strohbehn，ASurveyofClear-AirPropagationEffectsRelevanttoOpticalCommunications，ProceedingsoftheIEEE，Vol.58，No.10，pp.1523～1545，1970.