基于NOAA模式的典型地区大气湍流高度分布

研究大气传输问题中的大气湍流主要是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数Cn2是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。主要利用温度脉动探空仪对大气折射率结构常数Cn2在合肥和北京两个典型地区进行了实地探测及计算分析,同时根据两个典型地区相应气象站点常规气象探空资料统计分析数据,通过NOAA模式得到大气湍流高度分布廓线,并与HV模式廓线和实际测量数据进行对比验证分析,为其他不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。     

折射率结构常数廓线模式讨论

大气折射率结构常数随高度和时间变化较大,在研究光学湍流统计模式时,不同的统计方法对应统计模式的结果有一定的差别,这个差别会对模式的实际应用产生影响.从大气光学湍流的时空变化特征出发,得出大气光学湍流基本满足对数正态分布的结论,讨论了算术平均和对数平均在平均结果上的不同,研究了二者平均结果的关系,进一步研究了不同的平均方法对计算大气相干长度带来的影响.     

典型地区大气湍流高度分布特性与模式研究

研究大气传输问题中的大气湍流就是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数$C_n^2$是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。利用新型温度脉动探空仪对大气温度、气压和$C_n^2$在合肥、北京和库尔勒等典型地区进行实地探测, 结合全国不同地区气象站点的常规气象探空资料进行统计分析,得到不同典型地区常规气象参数随高度分布特性,为大气湍流预报模式的建立提供数据资料。选取广泛应用的大气湍流参数模式Hufnagel-Valley模式和NOAA模式,根据实际测量数据拟合得到不同典型地区大气湍流高度分布初步模式,将两种模式和实际测量数据进行对比验证分析,为不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。     

大气折射率结构常数Cn^2高度分布统计特性分析

大气折射率结构常数Cn^2是表示大气光学湍流强度的一个重要参数,利用温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区（0-25km）折射率结构常数随高度的分布廓线,并对其进行统计矩和概率分布的分析,研究表明合肥地区大气湍流随高度分布基本符合对数正态分布,昼夜变化量约为0．8个量级,大气折射率结构常数Cn^2的概率分布存在昼夜差异,白天的Cn^2比夜间的Cn^2峰值要大2个数量级。     

近场光学方法测量大气折射率起伏

精确测量大气的折射率起伏,对于研究大气的光学性质及其在环境监测中的应用有着重要的意义.建立了用近场光学方法测量大气折射率起伏的模型:采用全内反射方法激发金属的表面等离子共振,在金属-空气-金属组成的平面波导中形成振荡的导模,选取衰减全反射曲线中变化最快的一点的角度作为入射光的角度,测量相应的反射光光强的变化,就可以得到相应空气的折射率的变化.初步数值模拟了该模型的测量精度,折射率变化的精度可以达到百万分之五.     

基于Shack-Hartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量

根据CCD探测器的输出信号在动态测量范围内与入射光通量成线性的特点,提出了将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气光闪烁效应测量的方法,并在1 km的水平湍流大气传输路径上开展了光强闪烁的初步测量.结果表明,测量的光强起伏方差随时间的变化基本符合近地面湍流起伏特征,在统计光强起伏过程中采用了将时间和空间序列的数据相融合的方法,大大增加了统计样本数;将传感器与大口径闪烁仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者在变化趋势上具有较好的一致性,相关系数达到0.84;最后,通过不同子孔径内光强起伏的功率谱分析,进一步证明了Shack-Hanmann传感器用于光闪烁效应测量的可靠性.     

合肥地区大气湍流随高度分布日变化特性分析

大气折射率结构常数C2n是表示大气光学湍流强度的重要参数.利用QHTP-2型温度脉动探空仪对C2n进行了实地探测,通过对大量探空实验数据的统计分析得出了合肥地区0～35 km高度C2n分布廓线和日变化特性,对合肥地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,研究结果为进一步进行湍流特征和大气性质的遥感探测及实际激光工程应用提供了有意义的参考.     

激光大气折射率结构常数测量实验与分析

在相距600 m的两地进行了静态激光大气传输实验,并对接收到的光强和光束到达角起伏进行记录.以每10min所记录的数据作为样本,计算出光强起伏方差和到达角起伏方差,并根据理论孔径平滑因子计算出点接收时的光强起伏方差,再分别根据光强起伏方差和到达角起伏方差计算出大气折射率结构常数.最后,得到一天之内大气折射率结构常数的变化曲线,并分析得出大气折射率结构常数在早晨和傍晚存在极小值.     

大气折射率结构常数C2n高度分布统计特性分析

大气折射率结构常数C2n是表示大气光学湍流强度的一个重要参数,利用温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度的分布廓线,并对其进行统计矩和概率分布的分析,研究表明合肥地区大气湍流随高度分布基本符合对数正态分布,昼...     

合肥郊区大气边界层垂直风速的声雷达探测

垂直速度的测量与分析是研究大气边界层对流和湍流的重要手段,对合肥地区用声雷达探测的垂直速度数据的分析表明,白天对流旺盛,垂直速度较大,湍流较强,夜间对流相对较弱,垂直速度较小,湍流也较弱。在白天对流比较强时,瞬时垂直速度可超过0．6m／s,从对数据的统计分析来看,有90％的垂直风速在0．3m／s以F。同时分析了垂直风速标准差,发现其有明显的日变化特征,并且与大气折射率结构常数有很好的相关性。     

合肥郊区大气边界层垂直风速的声雷达探测

垂直速度的测量与分析是研究大气边界层对流和湍流的重要手段,对合肥地区用声雷达探测的垂直速度数据的分析表明,白天对流旺盛,垂直速度较大,湍流较强,夜间对流相对较弱,垂直速度较小,湍流也较弱。在白天对流比较强时,瞬时垂直速度可超过0．6 m／s,从对数据的统计分析来看,有90％的垂直风速在0．3 m／s以下。同时分析了垂直风速标准差,发现其有明显的日变化特征,并且与大气折射率结构常数有很好的相关性。     

用于光传输实验研究的湍流箱的设计和特性分析

大气中折射率起伏主要由温度的随机变化引起,因此可通过调节气流的温度和速度来人工地产生湍流并控制其强度,基于此原理设计并研制了一种用于光传输实验研究的大气湍流箱.通过同时测量传榆光波的到达角起伏和闪烁,得到了箱内光传输路径上大气折射率结构常数C2n和湍流内尺度l0.实验结果显示,C2n和l0分别受箱内温度和风速的影响.C2n在温度45℃、风速0.48 m/s时达到1.58×10-11 m-2/3,lo在温度25℃、风速1.04 m/s情况下为2.33 mm.对对数光强时间功率谱的分析表明,此湍流箱所产生的湍流适合用于光波大气传榆湍流效应的实验研究.     

声波扰动激发湍流效应的研究

声波扰动能影响大气折射率结构常数，激发大气湍流效应.文章结合声波方程和Kolmogorov湍流模型的"2/3定律"，分析了声波激发功率和大气折射率结构常数之间的数值关系，分析了波长、温度和压强对大气折射率指数的影响.结果表明:压强的变化对大气折射率指数的影响最大，其次是温度，波长的影响最小.在标准大气压下，光波长为0.65 μm，声波扰动功率小于30 kW时，声波在距离声源1 m左右产生的大气折射率结构常数量级在10-17上下波动，属于大气弱湍流效应，表明声波扰动能产生湍流，激发湍流效应.     

基于小波分析的高空大气湍流相干结构特征研究

通过对风速脉动和温度脉动数据进行谱分析和小波分析,得到不同高度大气湍流相干结构尺度,用来同时识别时间序列中相干结构的特征尺度,并与大气折射率结构常数Cn2相结合分析高空大气湍流强弱分层的相干结构特征,提取不同高度湍流层强度、湍流层厚度等空间特征。通过研究发现,随着高度的变化,湍流呈现强弱分层交替出现的空间特征,且随高度升高,湍流持续时间变短,湍流层厚度也变小;在大尺度的弱湍流背景下存在小尺度强湍流,分布相对密集,持续时间较短,厚度也较小。高空大气湍流在5~15 km上的存在明显的强弱分层现象,在6~10 km高度上有四个强湍流层,湍流层厚度约为500 m。     

激光大气传输研究若干问题进展

本文主要总结1995年以来，大气光学重点实验室在激光大气传输研究方面取得的一些重要进展：（1）较系统地测量了影响激光大气传输的大气光学参数，积累了一批资料；（2）提出利用双差分吸收激光雷达测量大气臭氧垂直分布以及利用偏振光的散射测量同时决定大气气溶胶的复折射率和谱分布的新方法；（3）证明了有限时间大气相干长度测量值是一个随机量，并推导出其概率密度分布函数的表达式；（4）提出了描述湍流大气中激光光强起伏的概率分布及激光光斑统计特征的方法；（5）在实际大气湍流与模拟大气湍流中，第一次用实验方法得到了自适应光学相位校正效率与大气湍流强度的定量关系；（6）你建立了有一定特色的包括自适应相位校正的强激光大气传输四维数值计算程序，并得到了部分实验验证。     

长春地区夏季光学湍流及气象参数测量研究

通过湍流气象探空仪测量湍流廓线及常规气象参数并同时监测地面温湿变化,得到长春地区夏季湍流及温湿度的垂直分布状况.对测量结果分析发现,所测湍流廓线较好地符合适用于中纬度地区的Hufnagel-Valley湍流模式,由此计算出的大气相干长度γ0平均值为5.5 cm,与HV模式相适应.在湍流气象探空仪双通道工作情况下,采用不同的微温探头间距对折射率结构常数进行测量,发现两种距离下湍流强度随高度的变化趋势基本相同,在10 km下的较强湍流区0.5 m间距测量结果稍大于1 m的情况,由此计算的γo相差不大,1 m测量结果相对起伏较大,细节明显.     

利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流

光学湍流的预报在光学工程应用中具有重要意义,而国内尚未开展这方面工作.简要介绍了中尺度天气预报模式MM5及其框架和坐标系统,并结合Dewan光学湍流参数化方法预报了合肥、库尔勒和东山48 h的折射率结构常数,给出了各个时刻的湍流廓线和折射率结构常数时间剖面图.预报结果符合折射率结构常数随高度变化的量级和趋势的一般特征,但各地的廓线形状存在差异,简要分析了差异产生的原因.由于未有实测对比,结果还需要进一步的实验进行检验以便日后实际应用.     

载波调制型大气光学湍流光纤测量系统的实验研究

介绍了利用载波调制型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流折射率起伏的原理,给出了载波调制信号的解调方法.实验研究表明,该系统测量大气折射率起伏方差的噪声水平为2.5×10-16.在真实的大气环境下,通过与传统温度脉动仪的对比测试分析表明,两者的探测结果无论在量级上还是在变化趋势上都有很好的一致性,这标志着大气湍流的光纤测量技术已初步迈入实用阶段.     

近海面大气湍流中准直高斯光束光斑扩展实验

光斑扩展是光束在大气湍流中传输时的一个重要效应。利用光束动态变化测试系统在烟台地区近海面进行了准直高斯光束传输实验,在测量光斑扩展、温度、相对湿度和大气折射率结构常数等数据的基础上,分析了近海面准直高斯光束光斑扩展的变化特征。分别选择不同距离的链路和不同时间段进行实验,分析光斑扩展的变化情况。研究结果表明:近海面大气湍流中的光斑扩展半径与大气折射率结构常数相关性在晴朗时比风浪较大时要好。在风浪较大时,光斑扩展半径与大气折射率结构常数相关性较差,但在一定时刻与温度和相对湿度相关性较好;在链路距离相同的条件下,夜间光斑扩展半径明显小于昼间,且夜间光斑起伏幅度也小于昼间。     

大气光学湍流对光电探测器性能的影响

采用激光闪烁仪和超声风速计对沿海某地冬、夏季的大气光学湍流和风速进行了较长时期的测量,得到了其平均的统计特征。并据此分析了大气折射率结构常数的累积出现概率为50%和90%时大气湍流对光电探测器性能的影响。结果表明:(1)对于水平传输,大气湍流对短波和中波红外成像系统的影响随着传输距离或湍流强度的增加而超过系统的衍射受限占主要地位,对长波红外告警系统的影响可以忽略。(2)对于斜程传输,大气湍流的影响随天顶角的增加而增加,在天顶角小于60°的情况下,大气湍流对系统性能影响的变化不超过45%;而在天顶角超过60°之后,大气湍流的影响迅速增加,其影响最大可以超过3倍。