微光在大氣中的傳輸特性研究

楊曉東 田園 朱春燕

摘? ?要：為了使微光傳輸更加具體地應(yīng)用到更多領(lǐng)域，文章對(duì)微光在大氣中傳輸?shù)闹饕绊懸蛩剡M(jìn)行分析。考慮的因素包括氣溶膠、水汽、灰塵等大顆粒，氧氣、氮?dú)獾却髿鈿怏w分子，光吸收特性以及折射率對(duì)傳輸特性的影響。結(jié)果表明，微光傳輸特性與可見光幾乎相同，影響因素的函數(shù)分布規(guī)則與可見光幾乎無差別，且驗(yàn)證折射率完全不影響微光的傳播。

關(guān)鍵詞：微光傳輸;氣溶膠;光吸收;折射率

微光是自然光范圍內(nèi)能量較低的一系列電磁波，光照度范圍為10-5～10-1 lx，已經(jīng)低于人眼的視覺閾值，不足以引起人眼的視覺感知。月光、星光、大氣輝光以及它們的散射光是微光的主要能量來源[1]。利用微光的前提是要把微弱的光輻射增強(qiáng)到普通人眼能夠觀察的程度，目的是探測(cè)夜間和低光照度下的目標(biāo)圖信息。

1? ? 微光傳輸基本理論

微光接收光電系統(tǒng)具有一定的孔徑，且傳播距離也不是特別遠(yuǎn)，所以可將傳播大氣介質(zhì)視為平行于平面大氣[2-3]，這樣就可以認(rèn)為微光的光學(xué)屬性不受海拔高度的影響。

微光的輻射傳輸受兩大因素的影響。第一影響因素是入射微光在大氣中被吸收和散射后的衰減量[4]，可表示為：

第二影響因素是傳輸能量的增添。將兩個(gè)影響因素相結(jié)合可得：

由微光輻射傳輸方程的一般表示可得微光傳輸?shù)挠绊懸蛩乇硎緸椋?/p>

超出了Rayleigh散射的范圍，所以應(yīng)采用Mie散射理論[5]，近似Rosin-Rammler分布，表示為：

根據(jù)Mie散射理論，微光傳輸距離為s的總散射光強(qiáng)為：

當(dāng)微光傳輸過程中照射到O2，N2，CO2等氣體分子時(shí)，極化的電偶極矩[6-8]可表示為P=pE，引入電偶極子，可整理得：

2? ? 特性分析

從Mie散射的光強(qiáng)表達(dá)式可以看出，當(dāng)選定傳輸介質(zhì)為屬性不變的大氣，積分項(xiàng)將會(huì)是一個(gè)常數(shù)而不影響散射強(qiáng)度。此時(shí)對(duì)散射光強(qiáng)造成影響的只有入射光強(qiáng)度I0和傳輸距離s。如圖1所示。

入射光強(qiáng)的變化對(duì)傳輸距離的影響非常小。且在傳輸距離一定的情況下，散射光強(qiáng)總是與入射光強(qiáng)成一次函數(shù)關(guān)系。

由于Rayleigh散射和共振Raman散射所引起的電偶極矩和振幅、時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著入射光強(qiáng)的減弱，即振幅減小，所產(chǎn)生的電偶極矩的周期完全相同，且振動(dòng)規(guī)則并不發(fā)生變化。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

微光的傳輸特性與自然光幾乎無差別。微光的光吸收特性也與可見光幾乎相同，且折射特性與可見光無差別。微光在大氣中的傳輸特性可以用可見光的方法進(jìn)行研究，在各種實(shí)驗(yàn)過程中，并不需要單獨(dú)考慮微光傳輸?shù)奶厥庑浴?/p>