对流边界层夹卷通量参数化的室内模拟研究

大气对流边界层室内模拟是大气边界层研究的一种常用手段。利用室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)模拟了大气对流边界层,以实验获取的平均温度廓线数据和光斑图像为基础对夹卷通量进行了参数化研究。通过分析由光斑图像得到的折射率结构常数廓线获取边界层的结构,然后通过平均温度廓线计算下垫面和混合层顶的热通量。从而计算夹卷通量参数化结果,并以此对理想模型下的边界层发展进行了计算,其结果与水槽模拟的情况较一致。     

对流边界层夹卷通量参数化的室内模拟研究

大气对流边界层室内模拟是大气边界层研究的一种常用手段.利用室内对流水槽(150cm×150cm×60cm)模拟了大气对流边界层,以实验获取的平均温度廓线数据和光斑图像为基础对夹卷通量进行了参数化研究.通过分析由光斑图像得到的折射率结构常数廓线获取边界层的结构,然后通过平均温度廓线计算下垫面和混合层顶的热通量.从而计算夹卷通量参数化结果,并以此对理想模型下的边界层发展进行了计算,其结果与水槽模拟的情况较一致.     

湍流大气中折返路径激光成像探测实验

采用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD(电荷耦合器件)构建的折返路径激光成像探测系统,进行典型天气条件下湍流大气中1km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,并配备激光闪烁仪和大气相干长度仪实时监测湍流参数。对激光光斑图像的强度进行了统计分析,获得了不同位置、不同光斑孔径范围内的闪烁指数和光强起伏的空间相关系数,并尝试拟合得出了光斑中心点理想的点闪烁指数。将依据该闪烁指数推算出的湍流折射率结构常数与实时监测数据进行对比分析,结果表明:利用该方法所得的湍流折射率结构常数与激光闪烁仪实测值在变化趋势上具有良好的一致性,并且折返路径激光成像探测方法容易确保傍轴近似条件,理论上更符合实际。该系统不仅可用于观测受大气湍流影响的完整的远场激光光斑,通过定量化理论建模,还有望发展成为一种单端的大气光学湍流参数成像探测新技术。     

基于声光效应的同源共束相干探测方法研究

以声光衍射为基础,提出一种基于声光效应的同源共束相干探测方法,对衍射光束特性及应用于相干光探测系统进行描述,分析了高斯光斑和平顶光斑实现相干探测的特征,给出系统实现的条件和依据,得出光斑均匀化与两束光斑的共轴位置关系,验证了这种方法的实现基础,实验测试表明声光互作用与相干探测技术结合在通信探测系统应用中具有一定优势,采用均匀化光斑可提高相干光探测的效果,接收性能可靠。     

采用D形不规则多模光纤产生部分相干激光

研究了一种D形不规则多模光纤,用于产生相干度低的部分相干激光.理论分析了D形不规则多模光纤传导模型,数值模拟仿真了D形不规则多模光纤内光线轨迹和光强度分布.实验结果表明,采用长度500 mm、芯径200 μm的D形光纤作为变换元件可以得到相干度低的部分相干激光,其输出光斑相干度明显低于圆柱形阶跃折射率光纤的输出光斑相干度.     

全捷联激光制导弹药双透镜滚转角测量方法

针对应用于末制导弹药中滚转角测量方法出现的各种不足,提出一种全捷联激光制导弹药双透镜滚转角测量方法。利用添加透镜光斑与滚转角无关的特点,将非滚转光斑作为滚转角测量基准,通过激光束经过两透镜在阵列位移敏感探测器(Position Sensitive Detector,PSD)光斑坐标间相对位置关系,得到弹体滚转角计算公式。根据测量原理及设计结构,对测量精度进行了分析。将该方法结合弹体六自由度运动模型进行模拟打靶实验,分析测量方法实时精度。实验结果表明:滚转角测量值在各种实验环境下最大误差不超过0.05°,其精度满足激光制导弹药制导与控制需求。     

高斯光束大气闪烁空间分布的数值模拟研究

利用数值模拟方法研究了高斯光束在弱湍流大气中闪烁的空间分布问题.详细给出了计算闪烁指数的方法,分析得出了闪烁指数空间分布的一般特征:闪烁指数在光轴上最小,随着离开光轴距离的增大而增大.模拟结果与Rytov理论预期的结果基本吻合,从而验证了两种方法的可靠性.     

基于稀布阵综合脉冲孔径雷达的长时间相干积累方法

本文研究了稀布阵综合脉冲孔径雷达的长时间相干积累特点及其存在的问题;提出了长时间相干积累中一种易于实现的运动补偿方法和基于时频分析的长时间相干积累方法;并给出了计算机模拟结果,结果表明SIAR雷达体制对微弱运动目标有较好的检测性能。     

飞秒激光光斑轮廓的傅里叶描述子重建及特征提取

在利用飞秒激光对单晶硅材料进行微尺度烧蚀时,衍生的等离子体发光光斑中蕴含着大量的加工信息。如何有效提取光斑图像的几何特征信息,对研究飞秒激光烧蚀加工工艺过程具有重要意义。轮廓特征是描述激光光斑最重要的特征之一,本文着重分析了等离子体光斑轮廓特征与光斑运动规律间的关系及光斑运动情况分类方法。首先,考虑到光斑微弱的特性,对光斑图像进行增强处理。其次,采用链码方法提取光斑轮廓特征,并利用傅里叶描述子低频特性,选取少量的描述子重建光斑图像轮廓特征,减少了复杂的计算量,有效提高了光斑图像分类的速度与质量。最后,运用Hu不变矩特征证明傅里叶描述子用于提取激光光斑对轮廓特征的有效性。     

热力非均匀下垫面对流边界层流场结构特征研究

利用对流水槽成功模拟热力非均匀下垫面对流边界层的发生发展.仿照数值模拟中常用的马赛克方法在对流水槽的底部铺了一些导热率缓慢的材料(橡胶薄板),使下垫面的加热存在差异,进而产生非均匀加热.利用温度廓线和准直光系统共同决定边界层顶部的位置和对流速度尺度.采用PTV测量技术获得高精度的二维流场,看到流场具有复杂的空间结构和尺度特征.相对于均匀下垫面来说,底部的非均匀加热使得混合层湍流的组织性得到加强,具有稳定的环流结构.非均匀下垫面对流边界层的方差随高度的变化曲线与均匀下垫面的特征明显不同.为了分析非均匀下垫面对流边界层的环流特征和水平输送对湍流变化的贡献,计算了湍流动能的湍流输送.计算结果表明,加热开始不久,由于不同下垫面的的温差较大,水平输送也较大;而当一段时间后,温差变小,水平输送也变小了.由此可以看出非均匀下垫面对流边界层的水平输送依赖于下垫面的非均匀强度.     

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.     

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.     

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.     

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.     

高空大气湍流影响下紫外光非直视链路闪烁效应研究

依据折射率结构常数垂直分布特征,利用对数正态分布模型计算了湍流强度、高空位置、通信距离、仰角和波长影响下,紫外光非直视链路的信号强度概率密度分布和闪烁指数。结果表明:高度5km以下,闪烁指数随着收发端所在高度增加而显著下降,2km以上的高空闪烁指数已小于10-2;随着波长增大,闪烁指数减小,信号强度分布更加集中。因此,在高空2km以上的环境中,较小的闪烁指数可以令紫外光在高空通信方面取得较好的性能。同时,可采用"日盲区"波长较长的信号来减小闪烁效应。此外,采取降低仰角的方法可以降低闪烁指数或者延长通信距离。     

Analysis of Inner-Scale Effect on Atmosphere Scintillation for Infrared Laser Beam Propagating on Earth-Space Paths

On Earth-space paths, based on ITU-R C _n ² (h) model, by means of a modification of the Rytov method that incorporates an amplitude spatial frequency filter function under strong fluctuation conditions, considering atmospheric turbulence inner-scale, an expression is developed for the scintillation index of a visible or a near and middle infrared laser beam wave that is valid under moderate to strong irradiance fluctuations. The quantitative analyses of scintillation index are done by this analytic model for laser Gaussian collimated beam wave at visible or near and middle infrared wave band. The results agree with theoretic analysis scintillation. This scintillation model can be converted into a Gaussian beam wave model with finite inner-scale on horizontal sight paths of invariable C _n ².     

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.     

Scintillation Reduction by Use of Multiple Gaussian Laser Beams With Different Wavelengths

We study the scintillation index of N partially overlapping collimated lowest order Gaussian laser beams with different wavelengths in weak atmospheric turbulence. Using the Rytov approximation, we calculate the initial beam separation that minimizes the longitudinal scintillation. Further reduction of the longitudinal scintillation is obtained by optimizing with respect to both beam separation and spot size. The longitudinal scintillation of the optimal N-beam configurations is inversely proportional to N, resulting in a 92% reduction for a nine-beam system compared with the single beam value. The radial scintillation values for the optimal N-beam configurations are significantly smaller than the corresponding single beam values     

INNER AND OUTER SCALE EFFECTS ON SCINTILLATION INDEX FOR AN INFRARED LASER PROPAGATING ON EARTH-SPACE PATHS

The effects of the inner-and outer-scale of turbulent atmosphere on the scintillation index for an infrared laser beam propagating through atmospheric turbulence are discussed under the assumption that small-scale irradiance fluctuation is modulated by large-scale irradiance fluctuation on Earth-space paths. A model about the scintillation index with the inner-and outer-scale is developed. A numerical analysis is done by using this model. It is shown that the effect of the inner scale on scintillation index is larger than the outer scale effect for the lesser wavelength wave at visible and infrared band. From moderate to saturation regime, the inner scale effect becomes gradually small; however, the outer scale effect becomes gradually obvious. Under moderate to strong regime, therefore, the effects of the inner-and outer-scale on scintillation index must be considered for theoretical prediction scintillation of an infrared laser beam propagating through turbulent atmosphere on Earth-space paths.