运动物体大气扰流可视化光学监测实验研究

利用运动物体高精度大气扰流检出方法,以散斑图像及多类卫星图像为背景,对高压气流冲击下飞机缩比模型形成的大气扰流情况开展了实验研究。验证了不同背景图像分辨率、不同背景类型条件下,大气扰流可视化光学监测方法可检出大气扰流折射率梯度为10?6。并通过可直接显示大气扰流信息的传统纹影成像实验,获得相同工况条件下大气扰流信息,通过对比分析,得出利用大气扰流可视化方法获取的大气扰流信息与直接显示的大气扰流信息分布及细节都相同,从而直接验证了卫星图像背景条件下大气扰流可视化光学监测方法检出大气扰流结果的正确性。文中成果验证了实验室条件下运动物体大气扰流可视化光学监测方法的正确性及大气扰流的检出精度。     

强折射轴对称流场的干涉再现方法

利用光学方法测量气体状态参数的关键在于确定气体折射率场的变化。光线通过稳定的非均匀折射率场时发生偏折，并且在强折射对称场中会产生交叉，使得条纹位移量的判读困难。本文首先分析了光线在轴对称折射率场中的偏折效应，在此基础上，给出了一种利用成像透镜对强折射轴对称场中折射率的干涉再现方法。该方法与其它方法相比较能够精确地确定折射率ｎ（ｒ）的值。     

光线偏折对激光测量火焰温度场干涉图的影响

以燃烧数值模拟所获得的层流乙稀扩散火焰的折射率和温度数据为基础,利用所获得的离散数据和折射率公式,得到了任意光线在火焰单一高度平面上圆域范围内前进的详细过程。分析了由于折射率不均匀造成的光线偏折对利用激光全息干涉法测量火焰温度场干涉图的影响;给出了不同平行光条数和不同离轴距离光线的偏移情况;对实验中激光穿过火焰区域后的高亮边界现象进行了讨论。计算和分析表明:利用该算法可以计算出任意光线前进的详细数据;不同平行光条数和不同离轴距离光的偏折效应不一样,离轴距离越大,光的偏折效应越明显;激光穿过火焰区域后的高亮边界现象是由于光的偏折造成的,为干涉图像处理中相位的提取提供了依据。     

大气折射率高度分布模式及其应用

光束通过大气时,由于大气密度的不均匀性使光束发生偏折,光传播的程长增加及其轨迹产生弯曲,由此造成待测目标的角位置和距离的测量误差.分析了近几年新疆戈壁地区大气参数探空数据的主要结果,给出了大气参数的平均高度分布廓线,依据光波波段的折射率公式,利用以上结果计算了该地区折射率高度分布数据,通过模式拟合给出了该地区大气折射率指数分布模式和三参数伽马分布模式.详细分析了大气压强、温度、波长等因素单独对大气折射率的影响.应用该地区的大气折射率高度分布模式对光传输的大气折射效应进行了理论分析,给出了整层激光传输的折射角、蒙气差和大气色散.以期对该地区光传输折射效应进行修正.     

光学层析技术测量三维非对称温度场

采用卷积背投影公式实现了位相物体的三维非对称温度场的重建,为光线偏折型测量三维非对称温度场提供了高精度分析和处理实验数据的方法。     

大气层效应对地球同步轨道SAR系统性能影响研究

地球同步轨道合成孔径雷达(GEO SAR)合成孔径时间长、观测范围大,易受到大气层效应时空变化的影响,使成像的聚焦质量和差分干涉处理精度严重下降。该文针对常规对流层和背景电离层等大气层缓变的干扰部分,建立了高精度时频混合GEO SAR信号模型,分析了不同大气层参数的时间变化率对成像质量和差分干涉处理精度的影响。针对大气层干扰中对流层湍流和电离层闪烁等随机扰动造成的影响,基于幂律功率谱模型,建立了大气扰动参数和成像质量的定量化分析模型,获得了大气层随机干扰的强度与成像评估指标间的关系。最后,通过仿真验证了模型的有效性,并分析了长孔径时间内缓变和随机扰动的大气层误差对成像和差分干涉处理质量的影响,仿真结果表明:L波段GEO SAR成像和差分干涉处理受时空变电离层干扰的影响十分严重,必须予以补偿;对流层干扰对其影响较小,仅当积累时间达到数百秒时才需要考虑它对成像性能的恶化。      

三维无规则不均匀折射率场光线追迹新方法

飞行器在大气层中高速飞行时,气动加热,光学窗口与外部气流相互作用形成了复杂的流场结构。其折射率分布无规则、不均匀,很难准确得到光线的传播路径。为此,提出三种四阶精度方法的光线追迹方案,通过与螺旋光线解析解结果进行对比,发现四阶Runge-Kutta方法光线追迹过程中最大相对误差为1.610-8,Richardson外推法为1.210-8,Adams线性多步法为1.210-11,确定Adams线性多步法是可用于光线追迹的高精度、高速的方法。基于多项式拟合的任意点插值方法可以获得比距离反比法更高的折射率场插值精度。并将该方法运用在导弹的光学窗口附近流场引起的波前畸变的计算,对计算结果进行了对比,结果表明Adams线性多步法以Runge-Kutta方法起步,但Admas方法没有忽略前一步的计算结果,不会带来误差的累积,所以结果更接近真实解,而Richardson外推方法算出的光程差大小与其他两种方法明显不同。     

无规则非均匀折射率场描述

在大气或流动介质中的折射率分布是无规则非均匀的,由于流动和温度变化的影响,无法用通常的梯度折射率公式来描述。提出采用自适应网格方法来描述无规则非均匀折射率场,将数据以动态八叉树结构存放在内存中,给出了网格划分的折射率判据和折射率梯度判据,并采用插值法来计算光线传播路径上的折射率和折射率梯度。以一种可以用公式描述的梯度折射率棒为例,在折射率阈值为0.005、折射率梯度阈值为0.000 5的条件下,建立了自适应网格并求出了一些位置处的折射率及其梯度,计算结果的均方根误差小于7×10－5,可以用于光线追迹。     

立体视区完整的无串扰集成成像3D显示

集成成像三维（3D）显示技术具有连续视点、无需助视设备等特点，但普遍存在的视觉串扰现象严重影响立体观看效果。分析图像元在立体视区成像的有效像素区域，推导出图像元上的串扰图像区域分布的变化规律，提出一种立体视区完整的无串扰集成成像3D显示结构。精确设计具有渐变孔径的掩模板阵列，其既能完全透过有效像素光线，使光线向主视区和各阶立体视区成像，保留了集成成像立体视区分布的完整性，又能阻挡串扰像素光线的出射，消除了相邻视区间的串扰，实现了立体视区完整的无串扰集成成像3D显示。提出的结构简单易于实现，有助于集成成像显示技术的进一步推广。     

温度和应力动态变化对球形头罩的光传输影响

高速飞行器在大气层中飞行,光学头罩与来流相互作用,其温度和应力应变在飞行过程中会动态变化,引起头罩材料折射率的改变,进而影响光线传输。文中在对飞行过程中球形头罩温度和应力应变动态模拟的基础上,计算随时间变化的折射率场,并利用光线追迹方法计算光线通过头罩出射面的光程差,通过光学评价方法以及图像退化仿真直观得出其对头罩光传输的影响。结果表明,头罩温度和应变变化对光传输的影响较大,并且飞行速度的提高变得更为严重     

APD对湍流大气中激光的双重随机探测过程

为了研究雪崩光电二极管(APD)对大气传输后的激光进行探测时, 所受大气湍流效应及APD噪声的影响, 分析了激光在湍流大气中传输、APD对激光探测两个过程, 结合APD的探测原理, 建立了指数威布尔-高斯双重随机过程模型。通过实验测量了不同信噪比、不同大气湍流下APD输出电流的概率密度, 对探测距离不同、接收口径不同的情况进行了仿真。结果表明, 接收信噪比为2, 5, 10时, 光强分布方差分别为0.5354, 0.3565, 0.2781, 偏移量分别为0.05, 0.0109, 0.0029;大气折射率结构常数为2.5×10-15, 3×10-14, 4.9×10-14时, 方差分别为0.1198, 0.2781, 0.4035, 偏移量分别为0.0002, 0.0029, 0.0039;双重随机过程模型可准确描述经过大气传输的激光被APD探测的过程; 探测器口径的变化对APD输出电流的概率密度影响不大, 而接收信噪比、探测距离、大气折射率结构常数的增大会使APD输出电流平均值较信号电流产生较大偏移、且离散程度加剧。该模型的建立对激光探测技术研究具有一定的参考价值。     

全国大气折射率剖面预测方法

地球上空的不均匀大气对雷达探测性能具有较大的影响,为提高雷达探测精度,首要问题是能够精确预测到雷达作用区内的大气折射率剖面.针对我国国土面积大、地形复杂、大气环境参数变化多样的特征,根据无线电气象学理论,采用全国大气环境栅格技术,提出了一种全国大气折射率剖面预测方法.根据我国大气环境分布特征,把全国分成1 840个栅格...     

一种二次雷达大气折射距离误差修正方法

大气折射误差是二次雷达测距误差中最主要的因素之一.针对目前还没有二次雷达在大气中的折射距离误差修正模型,根据工程中的检飞数据,提出了一种二次雷达大气折射距离误差修正方法.该方法根据二次雷达获得的C模式气压高度实时计算折射率,得到修正的雷达波速度,减小了大气折射误差,进一步减小了距离测量的误差,从而提高了测距精度.     

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.     

声波扰动激发湍流效应的研究

声波扰动能影响大气折射率结构常数，激发大气湍流效应.文章结合声波方程和Kolmogorov湍流模型的"2/3定律"，分析了声波激发功率和大气折射率结构常数之间的数值关系，分析了波长、温度和压强对大气折射率指数的影响.结果表明:压强的变化对大气折射率指数的影响最大，其次是温度，波长的影响最小.在标准大气压下，光波长为0.65 μm，声波扰动功率小于30 kW时，声波在距离声源1 m左右产生的大气折射率结构常数量级在10-17上下波动，属于大气弱湍流效应，表明声波扰动能产生湍流，激发湍流效应.     

基于多波长激光探测海洋大气波导机理及实验研究

海洋大气波导是能够影响侦察预警探测装设备和常用民用航型保障设备的重要大气环境因素。本文采用一种基于激光探测遥感探测大气波导的技术,通过分析计算典型海洋大气多波长激光传输特性、光波波段折射率结构常数与激光探测大气波导机理模型。同时通过自主研制的激光雷达在三亚等地进行大量实践大气波导探测,并同步开展探空气球探测低空100m范围内的温度和湿度剖面,采用温度和湿度剖面获取折射率剖面和激光传输的消光系数垂直分布以及光波段的折射率结构常数分布,实验分析初步表明用激光探测大气波导尤其是海上大气波导尤其是蒸发波导的可行性。