微光在大气中的传输特性研究

杨晓东 田园 朱春燕

摘   要：为了使微光传输更加具体地应用到更多领域，文章对微光在大气中传输的主要影响因素进行分析。考虑的因素包括气溶胶、水汽、灰尘等大颗粒，氧气、氮气等大气气体分子，光吸收特性以及折射率对传输特性的影响。结果表明，微光传输特性与可见光几乎相同，影响因素的函数分布规则与可见光几乎无差别，且验证折射率完全不影响微光的传播。

关键词：微光传输;气溶胶;光吸收;折射率

微光是自然光范围内能量较低的一系列电磁波，光照度范围为10-5～10-1 lx，已经低于人眼的视觉阈值，不足以引起人眼的视觉感知。月光、星光、大气辉光以及它们的散射光是微光的主要能量来源[1]。利用微光的前提是要把微弱的光辐射增强到普通人眼能够观察的程度，目的是探测夜间和低光照度下的目标图信息。

1    微光传输基本理论

微光接收光电系统具有一定的孔径，且传播距离也不是特别远，所以可将传播大气介质视为平行于平面大气[2-3]，这样就可以认为微光的光学属性不受海拔高度的影响。

微光的辐射传输受两大因素的影响。第一影响因素是入射微光在大气中被吸收和散射后的衰减量[4]，可表示为：

第二影响因素是传输能量的增添。将两个影响因素相结合可得：

由微光辐射传输方程的一般表示可得微光传输的影响因素表示为：

超出了Rayleigh散射的范围，所以应采用Mie散射理论[5]，近似Rosin-Rammler分布，表示为：

根据Mie散射理论，微光传输距离为s的总散射光强为：

当微光传输过程中照射到O2，N2，CO2等气体分子时，极化的电偶极矩[6-8]可表示为P=pE，引入电偶极子，可整理得：

2    特性分析

从Mie散射的光强表达式可以看出，当选定传输介质为属性不变的大气，积分项将会是一个常数而不影响散射强度。此时对散射光强造成影响的只有入射光强度I0和传输距离s。如图1所示。

入射光强的变化对传输距离的影响非常小。且在传输距离一定的情况下，散射光强总是与入射光强成一次函数关系。

由于Rayleigh散射和共振Raman散射所引起的电偶极矩和振幅、时间的关系如图2所示。

从图2可以看出，随着入射光强的减弱，即振幅减小，所产生的电偶极矩的周期完全相同，且振动规则并不发生变化。

3    結语

微光的传输特性与自然光几乎无差别。微光的光吸收特性也与可见光几乎相同，且折射特性与可见光无差别。微光在大气中的传输特性可以用可见光的方法进行研究，在各种实验过程中，并不需要单独考虑微光传输的特殊性。