关于斜程湍流大气中激光波束闪烁指数研究的综述

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R湍流大气结构常数模型,将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上,建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型,在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况.数值计算分析了1.06μm、1.315μm、3.8μm和10.6μm等典型波长的波束闪烁特性,结果表明波长较短时,内尺度影响较大,且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应,但在强起伏情况下,外尺度的影响也变得较为显著.     

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU－R湍流大气结构常数模型，将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下，得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律，最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。     

湍流大气中光波闪烁的计算及实验测量比较

采用修正Rytov方法和近似理论计算了球面波在湍流大气中传播的闪烁指数，并与实验结果进行了比较，发现在弱起伏和中等湍流起伏区修正Rytov解与实验结果符合得良好，而在饱和区采用考虑内尺度效应下的近似理论结果更符合实验结果。     

微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型

在微波遥感和卫星通信领域内，对流层湍流大气引起的信号闪烁现象的研究是至关重要的一个问题。引起接收信号闪烁的大气折射率起伏一般由大气结构常数(Cn^2来度量。根据ITU—R光波波段的Cn^2模型及ITU—R幅度闪烁标准偏差σχ的经验模型讨论了在微波波段影响Cn^2的主要因素；建立了微波波段的Cn^2模型。其优点是考虑了大气温度和湿度随高度的变化。根据湍流的幅度闪烁理论，在频率分别为12GHz，20GHz和30GHz时，用该Cn^2模型计算了σχ，并与ITU—R和Ortgies模型的预测结果进行了比较，结果表明一致性较好，说明该Cn^2模型是实用的。     

大气湍流下激光斜程通信误码率分析

自由空间激光通信系统的性能容易受大气湍流效应影响而下降。针对地空激光通信的实际情况,将修正Rytov方法应用于大气湍流条件下的光波斜程传输研究。基于ITU-R大气结构常数模型,建立了湍流条件下系统误码率的数学计算模型,对不同强度湍流信道的系统误码率进行了数值计算,讨论了误码率受通信高度、天顶角、工作波长及近地面风速等系统参数影响程度及变化规律。结果表明:大气湍流强度是影响系统性能的决定性因素;在相同强度湍流条件下,系统的误码率随通信高度、天顶角、风速的增大而增大,随工作波长的增大而减小。     

非Kolmogorov大气湍流对高斯阵列光束光强闪烁的影响

基于广义惠更斯-菲涅尔原理,采用Rytov方法推导了径向分布高斯阵列光束在非Kolmogorov湍流大气中传输时的光强闪烁指数表达式,分析了径向半径r0、光束个数N、广义指数及传输距离L对轴上和离轴闪烁指数的影响。结果表明:轴上和离轴闪烁指数随着的增加均先增大后减小,值得注意的是不同的r0光束的闪烁指数达到极大值所对应的略有不同,轴上闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的呈减小趋势,而离轴闪烁指数随着r0的增大达到极大值所对应的呈增大趋势;光轴附近各阵列光束的闪烁指数小于高斯光束的闪烁指数,随着px的增大阵列光束闪烁指数将大于高斯光束闪烁指数。当r0相同时N越大闪烁指数越小,当N相同时闪烁指数随r0的增大非单调变化,而是存在一个极小值。     

湍流大气中高斯波束地-空传播闪烁研究

根据光波波束传播理论及ITU-RC2n模型,应用在强起伏下引入空间滤波函数的修正Rytov方法,在零内尺度湍流谱模型下,得到了从弱到强起伏下的高斯波束激光在水平和地-空路径上闪烁指数随Rytov方差变化的模型.通过理论分析,该地-空路径传播的闪烁模型在一定条件下能退化到水平视距传播闪烁模型,也能分别退化到已有的平面和球面波的地-空和水平视距传播的闪烁模型.并通过数值分析,结果和理论分析结果一致.最后还讨论了闪烁指数随波束宽度和路径天顶角的变化情况.     

湍流大气外尺度对波束地-空传播闪烁影响研究

根据在中度和强湍流大气条件下引入空间频率滤波函数的修正Rytov方法,从理论上给出了地-空斜程路径上从弱到强起伏下包含湍流内、外尺度效应的激光高斯波束闪烁指数模型.该模型在相应的条件下分别可转变为波束波水平视距路径传播的闪烁模型和平面、球面波的闪烁指数模型.应用该模型,分析了湍流内、外尺度对波束波地-空路径传播时闪烁指数的影响.结果表明,在中度起伏条件下,内尺度对闪烁的影响是相当显著的,而外尺度的影响较小;从中到强起伏区,随着湍流强度的增加或传播距离的增加,外尺度影响逐渐的增大;在强起伏区,外尺度的影响已达到与内尺度影响具有同样的程度.因此,对于光波束在较强湍流中传播或在大气中传播路径较长时,对光波束闪烁预测不但要考虑内尺度效应,而且也要考虑外尺度效应.     

太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性研究

太赫兹的大气传输特性对太赫兹的空间应用非常重要.对太赫兹波在Kolmogorov湍流大气中的水平传输特性展开了研究.分析了太赫兹平面波在湍流大气中传输时其闪烁指数、饱和距离等参数随频率、空间传输距离和湍流强弱程度等因素的变化.以高斯波束为例,研究了太赫兹波束在湍流大气中传输时闪烁指数、束宽等参数随传输距离等物理量的演化规律.研究结果表明,在太赫兹波段,频率越高,闪烁指数越大,饱和距离就越小.总体上看,太赫兹波在大气中传输时受大气湍流的影响程度介于光波和微波之间;对于太赫兹大气通信和成像等短程应用,太赫兹波在湍流大气中传输时一般都处于弱起伏状态;但对于太赫兹雷达和遥感等应用,由于传输距离较远,可能会出现强起伏.     

四拉盖尔高斯光束在大气湍流中传输时的闪烁研究

采用相位屏法模拟仿真,对四拉盖尔高斯光束(Laguerre Gauss,LG)在大气湍流中传输时的闪烁性能进行了研究.结果表明:与单LG光束相比,四LG光束可以降低光传输中的闪烁指数;和外尺度相比,内尺度对光束闪烁指数的影响较大;光束的拓扑荷或者径向量子数越大,四LG光束的闪烁指数越大;当光束之间的距离取合适的值时,LG光束在大气湍流中的闪烁指数可取得最小值.     

异常天气时C波段的大气闪烁

异常天气时的大气闪烁比晴空时大，且与雨强Ｒ有较好的相关民生。但于对于一场雨而言，这相关性不明显。     

Study of Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating in Atmospheric Turbulence on Earth-Space Paths

On earth-space paths, by applying a modification of the Rytov method that incorporates spatial frequency filter function under strong atmosphere fluctuation conditions, a tractable model is developed for the scintillation index of infrared laser Gaussian beam wave that is valid under moderate-to-strong irradiance fluctuations. At Infrared band, based on ITU-R C ² _n model, the scintillation indexes for collimation laser beam are predicted by this analytic model. The results agree with theoretic expected scintillation. This scintillation model can be converted into a plane or a sphere wave scintillation index model on earth-space paths, and also reduced to a Gaussian beam wave model on horizontal sight paths of invariable C ² _n.     

轨道交通单竖井隧道环境的空气湍流折射率结构常数模型及分析

空气湍流的变化影响微波的传输。为了研究轨道交通隧道环境下空气湍流对微波传输的影响,该文结合活塞风的运动特性以及大气折射率结构常数的计算方法,建模隧道环境温度、隧道长度、阻塞比、活塞风速等参数对折射率结构常数的影响,构建轨道交通单竖井隧道环境下的空气湍流折射率结构常数模型;基于实际隧道温度场景,分析了轨道交通隧道环境下折射率结构常数的分布规律,比较了列车经过有单竖井和无单竖井的隧道时,空气湍流折射率结构常数的变化。该模型为研究轨道交通隧道环境中电波折射率结构常数提供理论参考。     

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。     

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.     

复杂大气条件对微波传播衰减的影响研究

为了进一步提高大气对微波传播衰减影响的描述精度,为微波链路遥感反演大气新应用提供理论基础,该文系统性研究了大气主要吸收气体和各种大气粒子对微波传播的衰减情况。利用ITU-R模型计算大气主要气体成分对微波的吸收衰减,然后在降水粒子、云雾粒子和沙尘粒子的介电模型、形状、相态和谱分布的基础上,计算得到群粒子对微波的衰减特性,系统讨论降水强度、相态、含水量、谱分布、气压和温度等因素对微波传播衰减的影响。数值模拟结果表明,大气主要气体成分在60 GHz, 180 GHz和320 GHz附近存在强烈的吸收带,其衰减系数与水蒸气含量和气压呈正相关,与温度呈负相关;降水强度、谱分布、相态以及冰水比例对降水的微波衰减存在不同程度的影响,云雾的含水量和相态,沙尘的数密度、谱分布和含水量是影响微波衰减的主要因素,而温度的影响较小;大气各因素的衰减系数从大到小依次为爆炸沙尘、降水、气体吸收、水雾、冰雾和自然沙尘。