大气相干长度的瞬时测量

由于差分像运动监测法测量大气相干长度需要多帧统计,本文应用波前结构函数法,提出了一种大气相干长度的瞬时测量方法。该方法通过Shack-Hartmann波前探测器测量单帧短曝光畸变波前的Zernike系数;然后减去光学系统初始像差的Zernike系数,去除倾斜项,计算波前结构函数;最后,与满足Kolmogorov湍流理论的大气短曝光理论波前结构函数进行最小二乘拟合,得到瞬时大气相干长度。利用湍流相位板构造了相应的测试系统,并进行了外场实测对比。结果表明:提出的基于波前结构函数法的测量结果与差分像运动监测法的测量结果基本吻合;不同格林伍德频率下,标准差与均值之比小于4.1%,稳定性较好;外场比对累计16个夜晚,得到的平均偏差小于0.45cm。该方法可以实现空间目标大气相干长度的单帧瞬时测量,并可用于观测站点的视宁度、自适应光学系统内部大气湍流强度和地基大口径望远镜主镜视宁度的监测。     

自适应光学技术在通信波段对大气湍流的校正

针对大气湍流引起的激光光强、相位和传输方向的随机变化对大气激光通信质量的影响,开展了用自适应光学(AO)技术校正大气湍流影响的研究。定量分析了自适应光学技术在通信波段校正大气湍流的效果。利用中国科学院光电技术研究所研制的安装在云南丽江高美谷观测站的1.8m望远镜和127单元AO系统,在1 550nm通信波段对不同高度角的恒星进行了大气湍流校正实验。通过采集校正后的恒星图像,分析了校正后的斯特勒尔比,同时记录下当时的大气相干长度,由此得到了在不同大气湍流条件下的校正效果。实验表明,当大气湍流强度D/r0(1 550nm)小于6.5时,校正后的波面RMS值可以小于1rad,即在中弱大气湍流条件下,该AO系统可以有效地对大气湍流进行校正。     

高灵敏度温度脉动探空仪

高灵敏度温度脉动探空仪主要用于整层大气温度起伏测量，也可用于地面遥测。它具有灵敏度高、结构紧凑、体积小、重量轻等优点，尤其是测量用电阻丝长度仅２ｃｍ左右，远短于国内外同类探测器。该系统中，Ⅰ型探空仪使用单片机处理技术，不仅可以作为温度脉动探空，测量整层大气湍流，还可同时测量气压和温度。Ⅱ型探空仪使用脉冲调频发射，地面计算机采样处理，可得到温度起伏的原始资料，成本也大大降低。     

轴上光强恒定的超高斯贝塞尔光束在湍流大气中的传播

理想的非衍射光束的产生,因需要无穷大的能量,在物理上是不能实现的。实验只能得到比较接近理想非衍射光束的有限能量的准非衍射光束。超高斯贝塞尔（SGB）光束具有有限的能量,是物理上可以实现的准无衍射光束。轴上光强恒定的SGB光束在一定的距离范围内具有很好的无衍射特点,其横向光强分布的中心区域保持恒定的强度和大小。本文通过数值模拟的方法证实：在湍流大气中,在中等湍流强度范围内,轴上光强恒定的SGB光束仍然保持其无衍射特点。在中等湍流强度范围内,轴上光强恒定的SGB光束的传输几乎不受大气湍流的影响。     

湍流环境中光纤耦合效率的提高

在空间激光通信应用中,空间光与单模光纤的耦合效率是影响通信系统性能的重要因素。考虑大气湍流会降低激光与光纤的耦合效率,本文从湍流强度与光学系统分辨率之间的关系出发,研究了大气湍流对光纤耦合效率的影响,导出了接收口径、系统焦距、入射光波长、接收光纤半径、大气相干长度等与单模光纤耦合效率之间的关系。提出了两种在湍流环境中提高光纤耦合效率的方法。方法一是在外界湍流强度发生变化时,通过改变耦合系统焦距,使耦合效率保持在较高值;方法二则是采用锥状光纤接收来提高耦合效率。最后对提出的方法进行了分析、仿真和室外耦合效率测试,验证了所提出的改善耦合效率方法的有效性。     

基于FPGA的单粒子气溶胶质谱时序控制系统

在单粒子气溶胶的粒径分布和化学组分实时分析的激光质谱系统中，应用现场可编程门阵列技术，讨论了高速数字电路中的精确定时问题，并研制了一套测量系统，对实际大气中气溶胶粒子进行粒径大小的统计分布和质谱的测定。     

微波萃取器内流体分布的实验研究

介绍了用激光多普勒速度测量（LDA）的方法测定微波萃取器内流体的沉降速度和旋转速度，得到沉降速度和旋转速度在内、外环隙不同层数间的分布，研究了流量对湍流强度的影响；并将测量的数据用Matlab软件编程序画出二维或三维图。同时得出该萃取器应选用较大流量的结论。     

缩放管强化传热机理分析

应用数值模拟方法对光滑圆管与缩放管内的空气湍流对流传热在相同条件下进行了计算，对缩放管与光滑圆管内的对流传热系数、速度模量分布、径向速度分布、湍流强度的对比表明：缩放管内空气对流传热系数的提高，是近壁区域流体扰动增强产生了较大的流动径向速度与湍流强度的结果。表面传热系数、近壁区径向速度、近壁区湍流强度三者沿流向周期性变化的规律一致。缩放管强化传热的机理分析指出，强化气体传热的粗糙高度应位于流动过渡区。     

S波段多普勒天气雷达回波异常分析

多普勒天气雷达就是以多普勒效应为基础,测定散射体相对于雷达的速度,在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等,对预测、监测强对流天气具有重要意义。文章主要对多普勒天气雷达回波强度的异常现象进行了分析,提出了相应的处理方法,供相关部门参考借鉴。     

外差探测系统波前校正实验研究

湍流效应是限制相干光通信系统性能最重要的影响因素。使用夏克-哈特曼波前传感器、变形镜和波前控制器组成自由空间相干光通信波前校正系统,对光波经过大气湍流后的畸变波前进行实时校正,其大气湍流是用基于修正Hill谱生成的不同强度随机相位屏模拟的。实验结果表明,波前校正系统实现闭环后的波前误差峰谷值(PV)小于0.8μm,均方根值(RMS)小于0.05μm,斯特列尔比(SR)大于0.8。若将以上波前校正系统应用到相干光通信系统中可使误码率可以降低到10~(-12)数量级,提高了系统的通信性能。这将为自由空间光外差探测系统搭建实际链路提供了可靠数据参考。     

基于ARM的准分子激光光场均匀性测量

准分子激光广泛应用于工业设备中,要求其输出激光光束强度分布尽量均匀。为了确定其光束强度分布是否均匀,提出了一种测量准分子激光光场均匀性的方法。基于VC++6.0、ARM微处理器S3C2440A和模数转换器AD7677设计了测量系统的软硬件。利用S3C2440A的USB接口,实现了计算机对测量系统的控制,测量结果的实时显示和保存。     

水力旋流器湍流特性研究

在介绍水力旋流器湍流特性的研究意义及前人研究成果的基础上，对水力旋流器中湍流能量的产生、分布和转化机制以及湍流对水力旋流器固液分离性能的影响进行了探讨。研究表明，较高的湍流强度将降低旋流器的分离效率，而雷诺切应力的存在则对旋流器的工作有利有弊。研究成果对水力旋流器的优化设计与运行具有指导意义。     

系留气球低空探测系统

系留气球低空探测系统是用以测量大气边界层温、湿、压、风向、风速及相应高度的智能化探测设备。主要适用于气象、环保、建筑、电力等领域的低空大气观测和环境评估。该系统备有单板机,具有实时显示、打印各参量测量结果的功能,自动化程度高。     

风电场中基于湍流强度的风向变化理论研究

本文尝试从风速的湍流强度与风向的变化关系进行分析,说明风向的变化与横向湍流强度有关。在大气稳定度为中性的条件下对风速场的模型进行论证,并对复杂地形条件下的风速场进行了探索,为更精确的预测风向变化提供了方向。     

湍流大气中的激光传输仿真研究

采用傅里叶变换思想,使用不同角频率正弦函数旋转叠加的方法生成不同湍流尺度的相位屏,对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了仿真模拟,并模拟出高斯光束经过大、小尺度湍流后的传输截面及在接收面上的光场分布情况,通过分析对比,与理论结果有很好的一致性,对进一步进行激光大气湍流效应的研究具有重要意义.     

基于实时反射率修正的离轴积分腔甲烷测量系统

针对大气CH_4浓度测量中的H_2O干扰以及高反镜反射率的标定问题,提出了一种波长调制离轴积分腔测量系统中反射率实时标定的方法,并结合CH_4浓度免标定反演修正算法解决了CH_4浓度测量中H_2O干扰的问题,实现了大气CH_4浓度的免标定测量。利用该系统对大气CH_4浓度进行了测量,测量得到的大气CH_4平均浓度为1.821 ppmv,标准偏差为0.024 ppmv,时间分辨率为10 s。Allan方差分析表明该测量系统检测限可达4.6 ppbv。因此,该系统可实现大气CH_4浓度的免标定实时测量。     

基于投影光瞳分布的星地激光通信波前探测

为了解决星地自由空间光学通信系统中的提前角问题,采用了一种基于光强传输的新型波前探测技术——投影光瞳面分布（Projected Pupil Plane Pattern,PPPP）,并通过实验室实验验证了该技术的可行性。PPPP基于TIE光强传输公式,根据不同传输距离下光强分布的变化反解出大气湍流引起的波前畸变。由于PPPP采用的是上行通信激光本身的后向瑞利散射,其测量的大气湍流方向与通信卫星方向一致,因此可以有效解决星地激光通信中的提前角问题。实验模拟了1 m口径的地基望远镜作为上行激光发射装置和后向散射光斑成像设备,通过等效高度分别为10 km和17 km的上行激光后向散射光斑图像来实现对10 km以下大气湍流的波前探测。实验采用的波前畸变模拟装置包括空间光调制器和透明塑料片,实验结果表明,对不同的波前畸变PPPP和通用的夏克-哈特曼波前探测器可以实现相似的波前重构,两者重构相位的残差约为初始相位的30%。     

基于CDMA网络的气体污染监控系统

大气污染监控是环境保护工作的基础,近年来受到了越来越多的关注。目前国际上通用的大气监测设备体积庞大,不宜操作,且维护费用高,因此不能得到广泛的应用。文章提出了一种新的大气污染监控系统,在测试区域安装气体传感器阵列,由传感器阵列测量大气污染物的浓度,测量的数据经过CDMA无线网络实时地远程传输到监控中心进行数据分析和监控。对比目前的大气检测设备,该系统适用于复杂的城市环境,具有实时、数据传输速率高、成本低、无地域限制等优点。     

基于大气实时修正的飞机辐射特性测量

研究了飞机飞行时的动态辐射特性测量方法。针对利用软件计算大气透过率进行目标辐射修正精度较低的问题,提出了通过机上标校黑体进行实时大气修正的新辐射测量方法。该方法通过目标飞机上挂载的标校黑体实现大气透过率的实时测量,并利用实测大气透过率对目标飞机辐射进行大气修正来提高修正精度。借助中波和长波红外相机、两个标准面源黑体及一块硒化锌平板,开展了飞机目标辐射特性测量的地面模拟实验。利用MODTRAN和CART计算以及实测大气透过率分别对黑体目标红外测量值进行辐射反演。与MODTRAN和CART计算大气透过率的传统方法相比,文中提出的实测大气透过率方法可将目标辐射反演精度提高一倍以上。     

应用独立分量分析的激光测风雷达湍流频谱分解

针对大型风力发电机机组中常见的脉动湍流、风机尾流与涡流等湍流信号,研究了利用自然梯度下降的独立分量分析方法的湍流频谱分离效果,以区分中心风速与湍流信号,提高风机机组的综合工作效率。首先分析了风机组中常见湍流信号的后向散射与频谱分布特点,然后依据这些特点设计了对应的独立分量分析模型。在仿真结果符合要求的基础上,进行了双目激光雷达天线的风速采集与实际分离效果检测。实验结果表明,在大气折射率结构常数C2n≤10-14同时广义大气常数α≥4的通常情况下,利用双目信号能够分离出一个湍流中心和一个中心风速。对1 s内两个谱峰的波动范围进行统计,获得(2.59±0.05)MHz的中心风速以及(1.22±0.19)MHz的湍流中心估计,且二者的平均信噪比分别为25.93 dB和31.01 dB,能够在获得稳定的中心风速估计的同时得到一个较为稳定的湍流中心估计。