大气传输特性大气散射作用

太阳光在大气传输过程中,被散射和吸收,散射光可以由传播方向、频率、位相角、振幅和偏振表示。辐射度测量可以得到光的散射强度等参数,但是,大气散射辐射具有偏振特性,因此,进行偏振测量是有意义的。大气偏振信息的获取是基于偏振辐射的测量,在得到偏振信息的同时,也获得了辐射度信息 。大气散射辐射的偏振状态（或退偏振状态）对散射体的形状和尺度十分敏感。因而,可以根据偏振态随散射角等的变化,反演大气的光学和物理参数,即在分析测得的偏振特性的基础上,求得气溶胶的尺度谱、数密度、形状和折射率数据等。

分为：

大气传输特性分子散射

亦称瑞利散射。其特点是辐射波长比散射粒子的尺寸大得多，散射系数与波长的4次方成反比。如太阳光中波长较短的蓝光被散射到地面，使天空呈蓝色。这种蓝色散射辐射在遥感中用处不大，航空摄影时用黄滤色镜滤掉；

大气传输特性气溶胶散射

亦称米氏（Mie）散射。在雾、霄、雨和浑浊液体中成像由于粒子的散姑和吸收作用,拍摄的图像会发生不同程度的退化,导致成像模糊、对比度下降等问题 。发生在波长与散射粒子的大小差不多时。散射粒子如尘埃、烟雾、霾等。大气霾所产生的米氏散射往往会使光学波段的多波段影像质量变坏，这种散射还使云、雾呈白色；

大气传输特性非选择性散射

即散射粒子的粒径比辐射波长大得多时发生的散射，散射系数与波长无关。当大气中充满大粒子尘埃时，常会出现这种散射，造成接收数据的严重衰减。大气的吸收作用表现在大气散射过程中，辐射一方面被大气粒子反射或折射，另一方面也被粒子吸收。如大气中的水汽、二氧化碳和臭氧，在某些波段会产生强烈的吸收带，削弱了大气对电磁波辐射的透明度，并造成了电磁波在大气传输中的一些不连续的“大气窗口”。这些大气窗口是电磁辐射在大气中传输损耗很小的波段，成为选择最佳工作波段的依据。

大气传输特性是指电磁波在大气中传输时辐射能量衰减的规律。因大气的吸收和散射，太阳辐射到地面目标以及地面物体反射或发射电磁波到传感器之间，辐射能量均会发生衰减。这种大气效应对遥感数据的质量及波段选择具有重要影响。有关电磁波在大气中传输的散射机制、吸收机制及其与电磁波波长的密切关系和大气的气象特性等，都是大气传输特性研究的主要内容。

大气传输特性大气散射

散射是指磁辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射是电磁辐射能受到大气中微粒(悬浮粒子及大的分子如大气分子或气溶胶等)的影响，而改变传播方向的现象。其散射强度依赖于微粒大小、微粒含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度。

A．选择性散射——散射强度与波长有关

　　a)瑞利散射（Rayleigh）

当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长（d<<λ）时，出现瑞利散射。大气中的气体分子氧气、氮气等对可见光的散射属此类。它的散射强度与波长的4次方成反比。波长越短、散射越强，且前向散射与后向散射强度相同。晴朗的天空，可见光中的蓝光受散射影响最大，所以天空呈蓝色。清晨太阳光通过较厚的大气层，直射光中红光成分大于蓝光成分，因而太阳呈现红色。大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对微波基本没有多大影响。

瑞利散射图解

大气传输特性米氏散射

当引起散射的大气粒子的直径近于等于入射波长（d）时，出现米氏散射。大气中的悬浮微粒如水滴，尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属此类。其前向散射大于后向散射。米氏散射多在大气低层 0—5km，其强度受气候影响较大。

B．无选择性散射——散射强度与波长无关

当引起散射的大气粒子的直径远大于入射波长（d>>λ）时，出现无选择性散射。其散射强度与波长无关。大气中水滴、尘埃的散射属此类。它们一股直径5—100μm，并大约同等的散射所有可见光、近红外波段。正因为此类散射对所有可见光区段兰、绿、红光的散射是等量的，因而，我们观察云、雾呈白色、灰白色。

散射对遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）以及图像上空间信息的详度，因此，摄影像机等遥感仪器多利用特制的滤光片，阻止蓝紫光透过以消除或减少图像模糊，提高影像的灵敏度和清晰度。

激光大气传输是大气激光通信的关键。激光在大气中传输的特性和规律，直接影响大气激光通信的质量。研究表明：对激光大气传输产生重要影响的因素有大气衰减、大气湍流和非线性光学效应。

2.1大气衰减

大气衰减是指由于大气吸收散射使激光能量损失，从而影响传输距离和可靠性。吸收激光的主要大气气体分子有H2O、CO2、O3分子；其它像CH4、N2O、CO等的吸收，在长距离传输时也要考虑。每一种气体分子均有若干吸收带，吸收带之间有较大透过率的波长区域称为大气窗口，主要有8~14μm，3~5μm和1~2μm三个窗口区，见表。选用波长在大气窗口的激光可以有较大透过率。大气散射引起衰减主要由于大气气体分子和悬浮在空中的灰尘、烟雾、水滴以及雾、霾、雨和雪等的一次或多次散射。

激光大气传输2.2大气湍流

大气湍流即大气层的漩涡流动。它使大气的速度、温度和折射率均在时间和空间上随机起伏，使激光的波阵面发生畸变，因而光束展宽、抖动和弯曲。接收到的光斑闪烁、漂移，使激光束的相干性变差。理论和实验研究证明，可用波阵面自适应相位补偿法来克服湍流引起的波阵面畸变。我国还提出在接收机电路中采用快速AGC电路和降低接收机低频响应来克服大气湍流的影响，比较简单有效。此外，采用分集接收方法也能减少湍流效应。

激光大气传输2.3非线性光学效应

非线性光学效应是强激光在大气中传输时显示出这一效应。主要包括热晕效应和气体击穿效应。热晕效应是由于大气吸收激光能量导致光路上的大气加热，折射率改变，使激光束扩散、畸变和弯曲。气体击穿效应是指激光辐射和大气相互作用导致大气气体电离，形成一个高密度的、能强烈吸收激光能量的等离子体区，因而限制了高功率激光在大气中传输。

光缆不易分支，因为传输的是光信号，所以一般用于点到点的连接。光的总线拓扑结构的实验性多点系统已经建成，但是价格还太贵。原则上，由光纤功率损失小、衰减少，有较大的带宽潜力，因此，一般光纤能够支持的接头数比双绞线或同轴电缆多得多。低价可靠的发送器为0.85um波长发光二极管LED，能支持100Mbps的传输率和1.5～2KM范围内的局域网。激光二极管的发送器成本较高，且不能满足百万小时寿命的要求。运行在0.85um波长的发光二极管检波器PIN也是低价的接收器。

雪崩光二极管的信号增益比PIN大，但要用20～50V的电源，而PIN检波器只需用5V电源。如果要达到更远距离和更高速率，则可用1.3um波长的系统，这种系统衰减很小，但要比0.85um波长系统贵源。另外,与之配套的光纤连接器也很重要，要求每个连接器的连接损耗低于25dB，易于安装，价格较低。光纤的芯子和孔径愈大，从发光二极管LED接收的光愈多，其性能就愈好。芯子直径为100um，包层直径为140um 的光纤，可提供相当好的性能。其接收的光能比62.5/125um光纤的多4dB，比50/125um光纤多8.5dB。运行在0.8um波长的光纤衰减为6dB/Km，运行在1.3um波长的光纤衰减为4dB/Km。0.8um的光纤频宽为150MHz/Km，1.3um的光纤频宽为500MHz/Km。

综合布线系统中，主干线使用光纤做为传输介质是十分合适的，而且是必要的。

采用一种光波波分复用技术WDM（WAVELENGTH DIVISION MULTI-PLEXING），可以在一条线路上复用、发送、传输多个位，一般按一个字节八位并行传输，对每个位流使用不同的波长，所以它所需的支持电路可在低速率下运行。WDM的光纤链路适合于字节宽度的设备接口，是一种新的数据传输系统。