斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

大气相干长度的对比实验研究

大气相干长度是在激光大气传输和自适应光学研究中对大气湍流介质进行定量描述的重要参量。介绍了利用激光大气闪烁测量反演大气相干长度和利用差分像运动测量法(DIMM)测量光波到达角起伏方差来确定大气相干长度的两种不同测量方法，并根据光波到达角起伏和激光大气闪烁这两种不同方法测量大气相干长度的仪器，在相同的近地面传播路径上进行对比实验观测，两者测量结果有时存在一定的偏差，但其量级和时间变化趋势基本一致，这两种测量方法相互得到了验证。最后还对实验观测结果进行了讨论，分析了误差产生的原因。     

长距离光传播路径中大气相干长度的测量研究

基于大口径闪烁法和差分到达角起伏法开展了间距为3.95 km近水平路径的大气相干长度测量实验。测量结果表明:在同路径的上下行光传播方向上,闪烁法测量相干长度的相关系数为0.94,而到达角起伏法测量相干长度的相关系数为0.79。路径权重的理论分析揭示了闪烁法对路径中部的湍涡敏感,且路径权重函数关于路径中部呈对称分布;到达角起伏法对接收端附近的湍涡敏感,其路径权重函数从发射端到接收端呈单调递增趋势。因此,实际的长距离光传输实验中,在不能确定路径中湍流强度分布的情况下,采用闪烁法测量路径上的湍流效应更适宜。     

跟踪移动信标并实时计算斜程路径大气相干长度的差分像运动测量装置

介绍了一种能够跟踪移动信标的新型大气相干长度测量系统。系统使用遗传算法与区域加宽迭代质心算法结合而成的新算法处理差分运动图像,实时计算移动目标脱靶量与光波到达角起伏方差,实现了跟踪测量的功能。测量实验中,利用飞行高度为35km的平流层气球搭载的碘钨灯作为光源,实时测量了斜程传输路径上的大气相干长度值。与此同时,在距离新仪器5m处放置了一台以太阳的边缘作为光源、测量整层大气相干长度的大气相干长度仪进行对比测量。对比结果表明,两组测量数据具有较好的相关性。据此初步分析与讨论了利用激光导星技术主动探测整层大气相干长度的可行性。     

大气湍流模拟装置性能测试

利用光传输实验的大气湍流模拟装置测量了光传输特性。实验中采用了到达角起伏和光强闪烁两种方法来测试光传输特性。测试结果表明,温差1~200 ℃时,Fried相干长度为0.7~40 cm;温差200℃时,到达角起伏谱频率范围达到100 Hz;光强闪烁强度频率可达100 Hz,湍流特征速度约0.1 m/s,,外尺度约20 cm。湍流模拟装置所测的性能指标和实际大气湍流性能较为接近,并且湍流强度具有较好的稳定性和可控性,能满足光传输实验要求。     

湍流大气中传输光波的波相位结构解析函数

在湍流大气对传输光波调制的双尺度湍涡(大尺度湍涡和小尺度湍涡)近似下,研究了用于计算描述湍流大气中传输光波相干长度变化的核心函数(互相干函数)的关键因子波结构函数(WSF),通过建立包含不同尺度湍流因子的折射率起伏谱密度函数,导出了可以用于精确理论分析平面波与球面波在湍流大气中传播时所产生的诸如到达角起伏和相干性变化等效应的波相位结构函数的精确解析式,同时给出了便于数值计算的近似误差在2%范围以内的波相位结构函数的精确渐近表达式。     

近地面层湍流大气中光传输到达角起伏实验研究

为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。 采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。 根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数$C_n^2$以及垂直、水平两个方向到达角 (Angle of arrival, AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定 度参数Richardson数。结果表明, Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均 大于1.0; Richardson 数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到, 稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。     

近地面大气相干长度值对比实验分析

在进行大气湍流强度、激光大气传输的研究时,大气相干长度是一个非常重要的参数.为了确定大气相干长度仪系统测量的A类不确定度,验证差分像运动法(DIMM)所测得的大气相干长度的可靠性,在相同传输路径上,分别运用差分像运动法和湍流积分法测量大气相干长度值.两种方法测量结果在量级和时间趋势上基本一致,两种方法得到相互验证.同时分析了两种测量方法得到的大气相干长度值存在差异可能的原因.大气相干长度仪的A类测量不确定度是通过贝塞尔法来计算的.通过实验可以得出,该大气相干长度仪系统的平均相对扩展测量不确定度小于20%.大气相干长度仪系统具备较高的可靠性,能够为大气光学传输的应用提供有价值的参考.     

斜程大气传输光束孔径平滑到达角与像点起伏

像面到达角起伏、波面抖动和像点抖动通常是研究大气干扰情况下高分辨成像系统波前特性的重要方法之一。采用Rytov近似、包含湍流内外尺度影响的修正von Karmam近似谱和接收光学系统孔径滤波函数和传输权重函数中的Airy函数的高斯函数近似,研究了斜程湍流大气中传输束状波的波面抖动、像面到达角起伏和像点抖动规律,导出了圆孔接收系统测量到的包含湍流内外尺度影响的束状波孔径平滑波面抖动、像点抖动和像面到达角方差理论模型。     

后向散射回波与信标光到达角起伏对比实验

介绍了后向散射回波与信标光到达角起伏的原理性比对实验.该实验通过对比的方法验证后向散射的到达角起伏是否可以反映大气湍流强度.实验结果验证了后向散射的到达角起伏可以反映大气湍流强度.并且分析了对比参数.     

Observed effects of cloud and wind on the intensity and spectrum of scintillation

This paper examines the observed effects of wind and cloud presence on the intensity and power spectrum of tropospheric scintillation, using propagation data recorded during a three-month period (May-July 1997) at Sparsholt from the ITALSAT satellite beacons at 39.59 and 49.49 GHz. The results show strong correlation between corner frequency and transverse wind speed, a weaker correlation with overall wind speed and a negligible correlation between scintillation intensity and transverse wind speed. Furthermore, it was found that the presence of cumulus clouds led on average to increased scintillation levels and a reduced correlation of the corner frequency with wind speed.     

到达角起伏对上行星地激光通信系统性能的影响

在Kolmogorov湍流模型下,建立了到达角起伏对星地激光通信误码性能影响的理论模型。基于该模型,推导了星地激光通信系统误码率的闭合表达式。综合考虑光强闪烁、光束漂移和到达角起伏,推导出三者共同作用下,星地系统上行链路的接收光强概率密度解析式以及误码率的闭合表达式。文中采用的调试方式是适合星地激光通信的相干探测圆偏振调制。针对上行链路,仿真分析了弱、中、强湍流下,三者共同作用时,星地激光通信系统的误码率,并与不考虑到达角起伏条件下进行了比较。还分析了到达角起伏与误码率的变化关系,以及在考虑发射功率受限的条件下,三者共同作用对系统性能的影响。研究结果表明,除了光强闪烁和光束漂移以外,到达角起伏也是通信性能中不可或缺的因素。     

烟道中光学湍流测量

用微温传感器测量了发电厂烟道内的温度起伏频谱,得到烟道内折射率结构常数C2n的分布及外尺度.结果表明:烟道内的温度谱可用von Karman谱表示,外尺度基本不随离烟道壁的距离变化,C2n强度随离烟道壁的距离增加而增加.在处理平均风速值时,要考虑结构常数分布对加权函数的影响.由C2n计算出的光闪烁强度远小于实测的光闪烁强度,因此,光束通过烟道气流的闪烁主要原因不是来自温度起伏.     

DIMM中计算公式的分析及验证实验

差分像运动监测仪（DIMM）是目前被广泛应用的大气相干长度测量仪,其传统计算公式中对接收子孔的要求限制了仪器的小型化。通过理论分析与数值计算,文中明确了计算公式中的物理意义,并提出采用新的计算公式能够降低对仪器几何结构的限制。用两个紧挨着的6 cm子孔替换原来标准DIMM中的子孔面罩,得到小型化DIMM测试原型,利用该小型化DIMM原型与一台标准DIMM放在一起同时观测相同的恒星开展大气相干长度测量对比实验。对于小型DIMM,实验结果显示,采用传统计算公式得到的纵向大气相干长度明显大于横向,而采用新计算公式得到的纵向与横向大气相干长度统计上更相一致。验证了文中关于DIMM中计算公式的论述。     

大气风速的光学遥感实验

利用激光大气闪烁的频谱特性尝试进行横截风速的遥感。简单描述了这种方法的理论基础和实验装置。同时用均匀分布在光程中的五台风速计作了实际测量。结果表明两种方法的结果很一致。     

利用光束抖动反演横向风速垂直分布的研究

湍流冻结条件下,利用两个位置探测抖动信号的时空交叉相关函数,提出了反演横向风速垂直分布的理论模型.该模型的两个参数分别为湍流廓线和相关函数在延迟时间为0处的导数.假定横向风速满足高斯模型,采用遗传算法进行数值仿真.通过对两种典型湍流模型进行反演计算,发现反演的风廓线和理论风廓线一致性好,相对误差不超过3.3％和1.6％.改变湍流廓线的特征高度并进行反演计算,结果表明湍流强度存在较大误差时,该模型仍可用于低层横向风速垂直分布的反演.     

基于光闪烁的烟气流速测量技术

介绍了一种利用颗粒物浓度场随机起伏引起的光闪烁测量工业烟气排放速度的光学测量技术及其数据处理方法。对湍流作用下,基于分离式双光路测量系统结构的光闪烁互相关进行了分析,得到了相关函数的理论表达式。采用单向循环链表的数据存储结构实现信号数据在时间域的滑动,同时满足了测量实时性和平均性的要求。使用快递傅里叶变换(FFT)计算光闪烁互相关,提出了一种应用高级矢量扩展(AVX)指令加速FFT的方法,在基于Intel i7处理器的计算平台上将FFT的计算速度提高了1倍。最后给出了光闪烁法用于工业现场烟气流速测量的结果,与使用皮托管测量的结果基本一致,证明了本文光学测量技术及其数据处理方法的有效性。     

EVALUATION OF STATISTICAL MODELS FOR CLEAR-AIR SCINTILLATION PREDICTION USING OLYMPUS SATELLITE MEASUREMENTS

The objective of this study is to evaluate and to compare some of the statistical models for the monthly prediction of clear-air scintillation variance and amplitude from ground meteorological measurements. Two new statistical methods, namely the direct and the modelled physical-statistical prediction models, are also introduced and discussed. They are both based on simulated data of received scintillation power derived from a large historical radiosounding set, acquired in a mid-latitudue site. The long-term predictions derived from each model are compared with measurements from the Olympus satellite beacons at the Louvain-la-Neuve site at 12·5 and 29·7 GHz and at the Milan site at 19·77 GHz during 1992. The model intercomparison is carried out by checking the assumed best-fitting probability density function for the variance and log-amplitude fluctuations and analysing the proposed relationships between scintillation parameters and ground meteorological measurements. Results are discussed in order to understand the potentials and the limits of each prediction model within this case study. The agreement with Olympus measurements is found to be mainly dependent on the proper parametrization of prediction models to the radiometeorological variables along the earth–satellite path. ©1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

非柯尔莫哥洛夫湍流对星光到达角起伏影响研究

基于A. S. Gurvich等人所提出的非柯尔莫哥洛夫湍流功率谱密度模型,推导了弱起伏条件下的到达角起伏方差,得到了一个解析的结果;然后,利用该结果分析了对流层柯尔莫哥洛夫湍流和平流层非柯尔莫哥洛夫湍流对星光到达角起伏的联合影响。结果表明:星光到达角起伏主要是由对流层柯尔莫哥洛夫湍流决定;对于不同的接收孔径,到达角起伏5%~14%是由平流层非柯尔莫哥洛夫湍流引起的。此外,非柯尔莫哥洛夫湍流对到达角起伏还取决于接收孔径、湍流外尺度及非柯尔莫哥洛夫湍流起伏强度。