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光的直線傳播會受大風影響嗎?

比如狙擊槍在瞄準時需要考慮風速、溫度、濕度等問題來校準目標,假如不考慮技術等因素的情況下,在風速為120公里/秒的情況下,用激光槍來打100公里外的很小目標,用不用考慮風的影響??


我猜題主是隨口一問,然而除去風速過大,這個問題並不僅僅是一個腦洞,展開來的話可以涉及到天文學/光學工程的前沿內容。

先說結論:

1.大氣擾動對光路有影響。

2.在長距離光路的聚焦/對準/跟蹤中需要考慮大氣湍流影響。

3.針對該問題,目前比較好的解決方案是採用自適應光學(Adaptive optics)的辦法。

先回到問題中,題主希望的情景大約是用一束激光持續照射在遠距離的一個物體上,中間的介質存在折射率的不規則漲落(風和氣流引起)。

其實有很多裝備完全實現了題主的要求,例如:

機載激光反導系統(Airborne Laser, ABL):Boeing YAL-1

ABL首先從飛機上部的吊艙內發射一束低能量的主動測距激光束( C02),對目標粗鎖定,提供導彈的位置坐標;然後旋轉激光炮塔,使其對準目標;隨後,發射跟蹤激光束( TILL) 和信標照明激光束( BILL) 照亮目標,跟蹤激光束接觸上導彈後,照射導彈的鼻錐頂部,利用反射光用高解析度成像感測器對導彈彈體成像,進一步確定導彈的位置、外形及易損部位、激光傳輸路線上大氣的特性,據此調整反射鏡自適應變形參數,將精確的跟蹤、瞄準參數提供給光束和火力控制系統;最後ABL發射高功率激光束,會聚到導彈發動機殼體上,一次出光持續時間約3~5 s,使發動機殼體破壞。在整個作戰過程中,控制轉塔跟著導彈彈道隨動。

袁天保, 石艷霞, 姜娜. 美國機載激光武器作戰能力分析[J]. 紅外與激光工程, 2007 (z2): 71-74.

可以看出,ABL的工作機制大致是利用一束激光跟蹤樣品,利用另一束照射在樣品上的激光的返回光為系統提供大氣波動信息,通過分析返回光的波前特性,可以得到光學反射鏡陣列的調整參數,將大功率遠場紅外激光聚焦在樣品(導彈)上。

2010年2月12日,ABL進行了首次助推段彈道導彈攔截試驗。此次試驗的射程為50 mil (約80 km),其攔截目標是1 h之內接連發射的兩枚短程彈道導彈靶彈 (其中一枚為液體燃料,另一枚為固體燃料)。在試驗中,ABL首先順利地摧毀了處於助推段的液體燃料導彈靶彈,隨後又成功地探測、捕獲到了同樣處於助推段的固體燃料導彈靶彈,並對其進行了高能激光照射。

陳黎. 美國機載激光器研發近期進展情況及未來前景[J]. 激光與紅外, 2011, 41(3): 243-247.

在遠場激光功率滿足要求的情況下,作用距離也有上百公里。

其次,這個問題倒過來想,題主的情景也可以轉化為:接收端能持續接收/對準遠處某光源發射出的經過長距離大氣擾動的光/電磁波。這其實是天文學上一直面臨的難題,近些年隨著探測、自動控制、計算機技術的發展,自適應光學得以得到較大發展:

對於較亮的遠距離恆星,其光波可以看成是平面波,經過大氣湍流擾動後,到達地面時其波前變得雜亂。裝有自適應光學系統的望遠鏡可以將一部分這樣的畸變光通過可變形反射鏡面(裝在大量壓電晶體陣列上)和分束鏡送入到波前感測器中檢測其波前形狀,通過相應的反饋演算法控制的促動器陣列來調整反射鏡的面形,在極短的時間內將反射光被校正為最接近平面波的形式。系統工作過程示意和反射鏡、動器陣列如下圖所示:

實際效果當然有提高啦:

當然,自適應光學也有許多局限和困難,例如對於大型系統的高速調節,例如空氣也存在一定的色散,所以不同頻率的光在大氣擾動中的光路會不一樣,每次工作時只能適應比較窄的波段。如果是對於不是很亮的星體,還得在其方位角附近人工製作一個激光導星……所以還是哈勃和詹姆斯韋伯這種太空望遠鏡優勢比較大。

可參考:為什麼空氣中的分子不會阻礙人的視線? - One Two 的回答

以上僅為拋磚引玉,圖片及文字侵刪。

在天文學領域知乎有很多優秀的答題者如 @李然@劉博洋@One Two ,他們應該會比弱菜更了解這個領域。


這個問題挺有意思。我們可以做一些引申,光在運動的介質裡面,其傳播特性會發生什麼變化。這裡的介質用術語說就是moving Medium。但是這個東西比較難實驗研究,因為如果要對光產生較強的影響,這個介質的運動速度要跟光速相比擬。

我們換一種思路,我們考慮另一種波,比如聲波,要使物體速度達到聲速還是比較容易的。另外,這個介質除了可以讓它直線運動還可以讓它做旋轉運動。這個就非常有意思了,最近有一篇science的封面文章就是講這個東西。在文章中,作者利用三個風扇讓空氣做左旋或者右旋運動,這個介質對聲波就會具有手性特徵,也就是聲波在這個介質中傳播是非互易的。所以作者利用這個結構製作了一個聲波的circulator,類似於電磁波的circulator。

圖一、 Acoustic circulator

這個東西具有十分重大的意義,它第一次實現了一個聲波的非互易結構。由於這個方法實現了非互易特性,打破了時間仿演對稱,藉此可以實現現在十分火熱的拓撲絕緣體,這個是最近發表在prl上的一篇文章提出來的。拓撲絕緣體是什麼,它就是波只能在物體表面單向傳播,並且可以不受缺陷的影響。

圖二、acoustic topological insulator。其中箭頭代表空氣流動方向。聲波只能朝一個方向傳播。所以你看看,一個簡單的問題經過幾步延伸可以得到多麼有意思的結果。科學就是這麼一步步發展而來的。


電動力學裡多經典的題型啊

水流對光的影響的實驗

換成風同理

但影響有多大就不知道了……


明白以下幾點:

光在不同介質里傳播速度不同

從一種介質進入到另一種介質會發生折射

大氣=介質,而且大氣是會隨時發生變化,比如密度

這樣應該就明白了


先說結論:光會受到風的影響,但在狙擊瞄準時可以不用考慮

風是氣壓不均勻的產物,而氣壓不均勻,代表了空氣密度的不均勻,也代表了空氣對於光線折射率的不均勻。因此,在有風的情況下,光線的路徑是有細微差異的。

但是,狙擊手看見目標的時候,從目標處發射到狙擊手眼睛的光線已經被風改變過路徑了。根據光路可逆的原理,沿著這個路徑射回光線,必然能擊中目標。所以說瞄準時不用考慮風對光路的影響。


曾經做過AOAO(大氣光學與自適應光學)模擬的路過。

如果清楚光與大氣相互作用,就會明白,壓根不用那麼高速的風,只要空氣是流動有溫差的,那麼激光槍至少是沒戲的。

首先,光路上的空氣有溫差密度差氣壓差,等效成折射率差的話,可見光與主流輸出能量用的紅外光波長比可見光波段紅光都大出近一倍,更別說其他顏色短波,於是可以認為光路就完全不一樣,大氣就是一塊時刻變化的毛玻璃。且由於大氣是混沌系統,只可預知其起伏規模之類的統計數據,完全無法預測其實時準確數據。

其次,激光是相干光,傳輸過程中都要看做衍射傳播……

就實驗結果而言,20mW經過準直的10mm紅外激光在視寧度較好的條件下,水平傳輸4km的實驗結果是光斑擴大到了1m以上,百倍的直徑差,萬倍的面積差啊,目標處的功率只有原本的1/10000了,更別說靶面閃爍(時間不均勻)和空間分布不均勻問題。

所以現行激光武器基本上都是低打高,地面打空間或者空間打地面的,出射功率還大得出奇,實際效果也就讓光電設備瞎個一陣子而已。至於法國那套打無人機的車載激光,大車拖著激光器也就能幹個5km距離,激光槍什麼的暫時還是別想了……

至於題主所說的風會帶來什麼效果呢?答案是折射率不勻造成的透鏡效應,看起來光會往風來的方向飄,詳見電動力學及大氣光學。


先說答案:

該問題實質上是強激光在大氣中穩定傳輸的問題。能夠用於作戰的激光都是強激光,強激光在大氣中傳播幾十公里,需要考慮的是激光傳播過程中的不穩定性。例如,成絲不穩定性會使激光束變為一團細絲,而削弱激光的力量。

【注意】強激光和普通激光筆的激光是不同的物理機制,能傳播幾十公里的激光器怎麼說也得是足球場量級大小的一棟房子。

就算不考慮風的影響,單純激光在均勻的大氣中傳播幾十公里就是一個高深的研究課題。強激光器產生的激光為高斯激光,大焦斑高斯激光在大氣中傳輸時,會電離空氣,產生等離子體。這些稀薄等離子體會和激光束髮生強非線性相互作用,最顯著的影響結果就是激光成絲。

下面是一個模擬結果,幫助大家理解激光成絲:

[圖片]

由圖可見,開始完美的激光束,在傳播中破裂成絲。成絲以後的激光顯然威力就削弱了很多。

不同密度空氣的擾動對於強激光是比較致命的。例如激光打衛星,就需要考慮激光在長距離不同密度大氣中的傳播,這個問題就不方便展開了。

總之,激光就是強電磁波,是會和空氣中各種粒子發生複雜相互作用的,而子彈等實體則相對簡單。考慮了光的強度了之後,問題就複雜了。普通光沒有的現象,在非常強的光下,就會發生截然不同的現象。

理論方面,激光在大氣中的傳輸遵循非線性薛定諤方程。一般做數值解。


必須考慮啊!

那麼大風,你拿不住激光槍啊!!!

另外我能吐個槽嗎?對於正常人類的身高,能看到的地平線好像是5公里左右而已,100km之外的目標您是怎麼瞄準的?看不見啊哥!


風如果帶來了大量有引起光發生折射的氣溶膠等的話就要考慮,光是風而不改變空氣成分的話不會影響


槍不錯。真的。


視力不錯,真的

看東西還帶拐彎的


120km/s的風什麼概念啊,這已經達到第四宇宙速度了啊,可以突破銀河系了呀!

激光槍打100km以外的很小目標啊!

說眼睛好的,槍不錯的,你們啊,naive!


侵刪


可以參照大氣對太陽光的衍射,不同密度的空氣,確實會產生稜鏡效應。。。


就算受影響,你瞄準時進入你眼睛的也受了影響


來看看題目,我覺得還是有很大影響的

120KM/s=1.2x10^5m/s

你造這是多大風嗎?

也就是浪高大概200M左右的風吧。

120Km/s約合17級

這個奇葩風速是中國基於蒲福氏風級設立的等級,為什麼說是中國自己設立的呢?

因為地球上根本沒有過這樣的風啊!!

別說100KM的射程了,就是10M你都打不中啊!!因為沒有任何地上人類建築物可以抵擋這樣的風啊!!大樓滿天飛啊!!

你連站穩都做不到還打槍??

好但是,機智如我怎麼可能克服不了這些問題呢?你用了超高強度的未知合金來做支架,站穩了。

你突然發現光連你槍口都透不出去啊!!漫天都是沙土!!

所以風太大不行,空氣中會有其他介質導致折射。

以上


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