利用闪烁和到达角起伏测量横向风速的对比研究

基于湍流冻结假说,利用时空相关函数分析了使用大气相干长度仪(DIMM)测量横向平均风速的原理,并通过闪烁和到达角起伏测量风速的路径权重函数确定风速传感器的安装位置。在弱湍流条件下,根据水平1 km传输实验测量的到达角起伏和光强起伏数据,分别计算横向风速并与风速传感器同时测量的参考风速对比,发现利用到达角起伏计算的风速与参考风速有一定的相关性。该实验拓展了大气相干长度仪的使用功能。     

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。     

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。     

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。     

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.     

激光传输湍流大气的折射率起伏双尺度模型

运用Kolmogorov 1941串级湍流模型理论和近似①湍流大气中传输激光束的强度起伏可抽象为大尺度湍涡导致对小尺度湍涡产生强度起伏倍乘性再调制的双尺度过程;②分别由大尺度湍涡和小尺度湍涡产生的光闪烁相互统计独立;③在双尺度模型下,即使在湍流起伏饱和区,用于处理光闪烁的Rytov方法仍然适用.导出了包含湍流内外尺度因子的简化折射率起伏双尺度模型和湍流大气中传输平面波的闪烁孔径平滑因子.结果表明,有限湍流内、外尺度在0.5＜d＜3.5孔径区域增加了闪烁的孔径平滑作用.     

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。     

近海激光通信分集技术对大气湍流扰动抑制的实验

为评估分集收发技术在近海面激光通信系统应用中对大气湍流扰动的抑制作用,设计了基于对多路1 550 nm激光光斑同步采集的验证实验方案。采用由时统终端触发的FPGA+多核DSP架构的实时图像处理系统实现目标中心位置的提取与目标灰度和的统计,进而得到激光从发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。分别比较了等功率条件下单路发射和双路发射间、双孔径接收与等效单孔径接收间的到达角起伏方差和闪烁指数,同时比较了不同跨距下双孔径接收的效果。实验表明,在发射功率相同的情况下,与单路发射相比,双路发射能够有效地抑制因大气湍流扰动产生的到达角起伏和光强闪烁;在接收面积相同情况下,双孔径接收较单孔径接收所产生的到达角起伏与光强闪烁更弱,且在一定范围内,双孔径间的跨距存在最优值。     

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。     

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。     

信道相关对空间分集接收信号闪烁的影响

为了探究信道相关性对无线光通信中空间分集接收信号闪烁的影响,给采用空间分集接收技术的通信端的各子孔径大小与分布设计提供参考,理论推导了弱起伏条件下空间分集接收信道相关系数的表达式,给出了信道相关系数与分集接收信号闪烁的关系;数值研究了水平湍流均匀路径与整层大气湍流非均匀下行传输路径下的信道相关系数。结果表明,对于平面波,湍流非均匀路径下孔径接收时信道间存在明显的负相关特性。对于球面波,湍流非均匀路径下孔径接收时的信道相关性与湍流均匀路径情况类似,负相关特性都不明显。     

源象闪烁孔径平滑与积分光强起伏概率

研究了复振幅满足椭圆高斯分布散射光场时的孔径平滑效应,得到了相应的孔径平滑因子.从理论上分析了有限孔径检测到的孔径积分光强起伏分布,结果表明当检测孔径内包含的相关散斑面元数足够大时,闪烁满足对数正态分布,与已有实验观测结果一致.     

大气闪烁的时间频域特性研究

为了深入认识大气闪烁的时间频域特性,给在大气中工作的光学系统的工程设计和性能评估提供参考,理论推导了大气闪烁功率谱的通用解析表达式,数值研究了不同传输条件下大气闪烁的时间频域特性.孔径接收下,对于水平均匀路径,平面波闪烁功率谱高频区近似呈现-17/3幂率,球面波近似呈现-11/3幂率;对于整层下行路径,高频区均近似呈现-17/3幂率,低频区与高频区之间存在一缓变区,孔径越大,缓变区越宽.典型大气条件下低频区加上缓变区的频谱宽度约为150 Hz.     

由相位起伏分布推导到达角的几何方法研究

经过大气湍流的激光束,在整个接收面上会产生相位起伏,从而引起光束的到达角起伏。为了建立接收面某点处两者之间的数学关系,采用了一种几何方法,从相位起伏分布出发,构造了波前的空间几何形态,进而计算出到达角起伏分布。对该方法的可行性进行了理论分析和计算,取得了到达角起伏分方差计算值与理论值的比较结果。结果表明,用该方法计算所得的到达角起伏方差,与已知的到达角起伏统计特性符合较好。这一结果对研究经大气湍流的光束形态及统计特性是有帮助的。     

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪

基于光闪烁的孔径平均效应,研制了测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪(LALS)。该仪器在一定程度上实现了闪烁饱和现象的抑制。仪器采用对称式结构布局,同时采用调制解调方法提高信噪比,并以嵌入式控制单元完成对数据的采集、处理、显示和存储。与传统仪器设备的测量结果相比,在1000m的水平传输路径上两者的线性拟合系数为1.01,相关系数为0.92;进一步分析表明,大气湍流内尺度会对闪烁方差的测量产生影响,从而导致大气折射率结构常数的测量结果略显离散。