2。2。1 激光光束的形状

   设计激光雷达系统时应首先激光发射光束的形状。激光雷达最常使用的模式为基横模TEM00模，它们的光斑严格服从高斯分布。而现实使用的激光器产生的并非严格的高斯光束，但是为了方便分析，也采用类高斯分布。文献综述

图中光强是相对值，峰值光强为1。各个形状函数为以下几个公式。

均匀光束的形状函数：

                           (2。2。1)

爱里光束的形状函数：

                    (2。2。2)

式中，J1为第一类贝塞尔函数。

高斯光束的形状函数：

                        (2。2。3)

2。2。2 激光光束的束散角

实际激光光源总要受到各种衍射，如镜头对发射光束的衍射，衍射极限束宽θT可以表示为：

式中，Kα为探测常数，D为激光器出光口的孔径。

束宽的确定办法有许多，如定义为光强的90%；定义为峰值功率或者能量的一半的半宽度；还有高斯束宽，它是利用峰值光强的1/e2所对应的张角来定义的。

在衍射的影响下，输出孔径的大小会影响探测时的束宽和发散角。实际情况下，激光器的发射光束的束宽是大于衍射极限的，于是激光器发射光束就产生了波前畸变，由此引发了更加严重的远场发散。

当激光器发射光束照射到一个圆形孔径时，衍射极限束宽为：

式中，ϕ为激光器发射光束的束宽(rad)；λ为激光波长(μm)；d是发射机的通光孔径(m)。

高斯光束的衍射极限有效束宽为：

式中，r是激光传播路程，ω0是高斯光束的束腰半径，ϕ0为激光器出口处的激光束宽。

3  雾霾等大气介质的光传输特性描述

3。1 大气对光的衰减特性

3。1。1 大气对光线的折射作用 

光的折射现象指光通过两种不同的均匀介质的交界面时，在交界面处，光的传播方向将与原方向发生偏折从而改变其传播方向的现象。在地球中，大气受到地球重力场的影响，致使大气中气压与温度随高度升高而发生变化，因此，大气密度随高度升高而变化，而大气折射率随之发生变化。所以，光通过大气时，由于不同高度处大气折射率不同，在各层的分界处光会发生折射使得光在大气中传播方向发生偏折，如图3。1所示。 

图3。1  大气中光的折射现象

    大气对光的折射现象使得真实的位置S比从地面观察到的位置S'低，这种现象称为“蒙气差”效应。

3。1。2 大气对光线的吸收作用来-自+优^尔*论L文W网www.youerw.com 加QQ75201.8766

激光在大气中的传输严重影响了激光雷达的性能，影响其性能的是激光在大气中的透过率，不同波长的光对应与不同的吸收系数，了解掌握大气对激光的吸收情况是选择激光雷达光波长的一个关键因素。

大气吸收主要发生在对流层，这是因为大气中绝大多数的水及80%的大气质量都在对流层中。在近地面的激光大气通讯系统的激光波长一般选择在近红外区，在近红外区波长处，引起吸收的大气分子主要为H2O和CO2，它们也是晴朗天气下大气光学衰减的重要原因[22]。

表3。1总结了大气中对光的吸收影响较大的几种大气成分在红外波段的大气吸收波长的中心位置。