大气湍流与气溶胶环境室内模拟方法的研究

在实验室内利用大气模拟池模拟了大气湍流作用,大气湍流的强度可以通过控制模拟池上下板面之间的温度差来调节。同时,在模拟池内模拟了PM2.5环境,利用颗粒传感器测量PM2.5的浓度值。由于大气能见度主要受PM2.5的影响,我们获取了北京某地区一段时间内的空气质量数据,对两者之间的关系进行数值拟合,并得到了两者之间的回归模型。将该回归模型应用到大气模拟池,计算模拟大气的能见度,并与气象局公布的北京市丰台地区的空气质量进行比对,检验模拟池对PM2.5环境模拟的准确性。该模拟池在湍流模拟的基础上,又对PM2.5环境进行了模拟,该方法可行、理论依据充分,为日后研究激光大气传输提供了可靠的室内实验平台。     

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.     

面向无线光通信的大气湍流研究进展与展望

以无线光通信为切入点,首先对大气湍流的研究进展进行了阐述,解释了大气湍流及其产生的机理与传输特性.然后分析了大气湍流所引起的光束扩展、光束漂移、光强闪烁等对无线光通信的影响.最后结合无线光通信实际,给出了作者关于抑制大气湍流的若干设想,介绍了西安理工大学在大气湍流抑制领域的实验工作.虽然该方法在理论分析和工程实际中略显...     

大气湍流引起CO_2激光自差通信系统相位起伏的研究

本文对CO_2激光自差通信系统接收中频信号相位受大气湍流的随机起伏进行的理论与实验研究表明,该系统有助于克服大气湍流对接收中频信号相位的随机起伏,由大气湍流带来的随机相位噪声可不予考虑。     

用光纤准直耦合光路测量大气光学湍流

阐述了利用光纤准直器对组成的耦合光路的附加损耗产生的机理,证明大气湍流运动可引起该光路的附加损耗发生随机变化。根据湍流大气光传播原理,推导出了耦合光功率与光路参数和湍流参数关系式。分析表明：实际湍流大气造成的随机附加损耗主要取决于湍流强度。实验验证了利用该光路可在很短的空气间隙内获得湍流强度的变化信息。     

弱湍流环境下自由空间光通信系统性能研究

自由空间光(Free Space Optical, FSO)通信技术具有高传输容量、免频谱许可、高保密性等优点,然而对于大气激光通信,光束在传输路径上普遍存在大气状况对通信性能的影响,大气湍流会大大降低接受信号的质量。文章设计了一套室内无线激光通信实验系统,模拟真实环境下的大气湍流,并细致分析了如何在室内模拟和测量大气湍流强度,同时提出两种测量室内弱湍流强度的方法并进行对比。文章的成果可用于无线激光通信系统误码率的研究,为无线激光通信系统性能及相关调制技术奠定了一定的理论基础。     

深圳地区多普勒测风激光雷达的湍流观测

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可 行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用 小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验 期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系 数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为 精确地估算湍流参数。     

差分像移大气湍流廓线激光雷达的研制

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理,研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差,比如震动和离焦不敏感,可以对目标进行实时的主动探测,并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构,利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验,探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气,距离分辨率为200~1 000 m,共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号,每个采样点测量20 s,获得1 000张图像,计算出对应的差分像移,并进一步反演出对应的折射率结构常数,得到了大气湍流的距离分布廓线,最后对实验的结果与过程进行分析,验证了该激光雷达系统的功能性。     

大气湍流模型与大气信道模型的研究与展望

为了克服大气湍流效应对无线光通信系统性能的影响，必须建立能准确描述大气折射率起伏的湍流模型。总结了国内外学者在大气湍流模型方面的研究进展，对不同大气湍流模型的理论建立进行深入分析并对比了其适用范围，同时介绍了在实际大气湍流中实验测量所建立的大气信道模型，最后对大气湍流模型的发展趋势进行了展望。     

大气湍流引起激光外差探测空间相干性退化研究

文章简要介绍了随机大气湍流效应及其对1.55μm激光外差探测系统的影响,并在理论分析的基础上设计了实验研究方案.通过测试外差探测效率与信噪比随大气湍流强度而变的实验,着重研究大气湍流效应引起空间相干性的退化.     

大气中的激光传输的光束漂移问题研究

当激光束在大气中传输时,由于受到湍流大气的影响,其将会偏离预期的位置,此现象称为光束漂移.由于大气湍流的随机性,造成了准确求解激光漂移的难度,基于概率论的相关知识可得到在弱湍流情况下光束漂移的概率密度函数分布服从正态分布,然后利用Markov近似的方法得到的光束漂移的方差来具体分析漂移的问题,并结合具体的实验结果对理论分析进行比较.     

大气湍流信道中OAM光束与高斯光束传输性能的实验研究

通过实验研究了大气湍流信道下中轨道角动量（OAM）光束与高斯光束的传输性能,并将两种光束的传输性能进行对比。实验以加载调制信号的OAM光束以及高斯光束为传输载波,分别测量了在大气湍流信道下两种光束的光束展宽、指向偏差、功率抖动以及误码率。实验结果表明:在大气湍流信道中传输后,OAM光束相比高斯光束,光束展宽减少10.5%,功率抖动的方差下降0.13,指向偏差的散布圆直径减小30.4%,并且光束中心更集中于接收面中心;OAM光束载波系统的最低探测灵敏度达到?28.97 dBm,相比高斯光束提升2.5 dB。实验结果证明了在大气湍流信道传输中,OAM光束比高斯光束受到湍流的影响更小,并且随着湍流强度的增加,OAM光束恶化程度远小于高斯光束。实验的结论为大气湍流信道下自由空间激光通信的发展和应用提供了参考。     

LC-SLM激光大气传输湍流模拟及通信实验分析

采用功率谱反演法与叠加低频谐波方式数值模拟静态湍流相位屏,并根据湍流冻结理论仿真了动态湍流相位屏。采用液晶空间光调制器(LC-SLM)在实验室内搭建了大气湍流信道仿真平台,进行了Kolmogorov湍流模型下,不同湍流强度的激光大气传输模拟研究,对比分析了实验结果,与理论较为符合。同时实验研究了不同模拟湍流强度下激光通信误码率的响应关系,这对实验室内评估实际激光通信系统的性能具有重要应用价值。     

大气湍流对激光空间传输特性影响的实验研究

为了研究大气湍流对不同波长激光传输特性的影响,利用MATLAB对其进行了仿真,设计湍流模拟箱进行实验,将仿真和实验结果对比进行了理论分析和实验验证。对激光波前光强分布进行了观察与记录,并对不同波长激光束在相同大气条件下的光束漂移和光强起伏做了测量与分析;就大气湍流对线偏振光的偏振态影响进行了实验观测。结果表明,随着大气湍流的增强,激光波前光强分布容易受到明显的影响;激光束的光强起伏随着波长的增大而减小,其方差最高到达2.79×10^-2,而光束漂移则与波长无关,方差最高到达9.11×10^-12;线偏振光受到湍流效应的影响,其光强产生随机变化,且随着湍流强度的提高,变化程度更剧烈。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,这对激光大气传输的研究具有一定的参考价值。     

激光大气传输非线性效应数值模拟与分析

对激光通过大气传输的主要非线性过程进行数值模拟，列出大气的流体动力学方程组和与大气互作用的波方程．推导出受激热瑞利散射引起的小扰动不稳定性的波与大气的耦合方程，还对湍流作了处理，依据这些理论基础，编制了一套四维程序，用来模拟热晕及补偿、小扰动不稳定性、热晕与湍流的互作用过程．理论结果和实验十分符合．     

大气湍流对激光通信系统误码率影响的研究

基于Kolmogorov和Rytov的大气湍流理论模型,考虑到大气湍流引起的强度闪烁对激光通信系统性能的影响,得到了用于描述强、弱湍流条件下误码率的理论模型,数值模拟了湍流强弱和激光波长对通信系统误码率的影响.结果表明:中强湍流区对信噪比的影响明显大于弱湍流区,随着传输距离的增加,系统的误码率迅速增大并最终趋于饱和;当...     

利用液晶空间光调制实现激光大气湍流效应动态仿真

针对工程应用中激光大气传输的特点和要求,分 析大气湍流对激光传输影响的规律和大 气湍流动态效应半实物仿真方法,提出一种多层大气相位屏数值模拟结合液晶空间光调制器 (SLM) 进行波前逆变换的激光大气湍流动态半实物仿真的技术途径。将多层大气相位屏的随机生成 的 相位数据序列经过计算机处理后注入光路中的液晶SLM,激光经过空间光调制后, 远场得到激光光斑的随机相位和强度起伏分布。讨论了远场激光大气湍流效应环境模拟装置 的 基本理论方法、实验依据并进行了初步分析。利用该装置模拟可产生不同类型湍流,并进行 湍 流效应对远场光斑影响的验证实验。本文方法具有实时性好、动态控制、扩展性强和可介入 半实 物仿真系统的特点,是激光大气传输建模与实现半实物仿真的技术途径之一。     

利用Tatarski方案估算不同环境下的光学湍流廓线

大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响,满足光电工程的应用,准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式,利用探空仪测量的气象探空数据,对内陆（合肥）、海陆交界处（茂名）和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证,发现在变化趋势和量级上相近,为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外,还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。     

湿度对近地面大气湍流测量不确定性影响研究

采用多项式法模拟近地面大气湍流,并与实验现场基于温度脉动原理的双点法实测近地面大气湍流进行比对,一方面可以充分利用实验现场的实测温湿压等气象参数进行模拟实验,为研究工作的开展提供便利条件;另一方面可以使研究工作达到科学实际的效果。文中着重研究了在相对湿度较高的环境里实测湍流与多项式法模拟湍流之间的相关性、以及在重新拟合多项式系数后两者之间的相关性变化,从中研究了双点法测量近地面大气湍流的不确定性。分析结果表明:多项式法模拟近地面大气湍流与双点法实测湍流之间在湿度相对较高的环境里相关性较强,且能够维持较高的稳定性,但在相对湿度达到80%以上的环境里两者之间的相关性则明显降低,甚至于出现负值,由此证明双点法测量近地面大气湍流在相对湿度大(80%以上)的环境里存在较大的不确定性。     

低级自适应光学能否用于水下成像

讨论了自适应光学技术用于水下成像的可能性。简要介绍了与穿过湍流成像有关的主要问题及这项技术的发展历史。指出了低价自适应光学技术的发展趋势，并给出用于矫正水中湍流畸变系统的使用结果。本文的目的是将目前用来矫正大气湍流的方法加以论证，以回答人们的期望实现的将同一技术用于水下成像和水下通信的有关问题。