利用光束抖动反演横向风速垂直分布的研究

湍流冻结条件下,利用两个位置探测抖动信号的时空交叉相关函数,提出了反演横向风速垂直分布的理论模型.该模型的两个参数分别为湍流廓线和相关函数在延迟时间为0处的导数.假定横向风速满足高斯模型,采用遗传算法进行数值仿真.通过对两种典型湍流模型进行反演计算,发现反演的风廓线和理论风廓线一致性好,相对误差不超过3.3％和1.6％.改变湍流廓线的特征高度并进行反演计算,结果表明湍流强度存在较大误差时,该模型仍可用于低层横向风速垂直分布的反演.     

基于闪烁法的大气湍流廓线测量技术

为了研究基于闪烁效应测量湍流强度廓线技术,以SCIDAR、闪烁计阵列和多孔径闪烁测量为基础,介绍了其理论基础、技术设备、发展现状及其优缺点.根据多孔径闪烁测量的基本原理和Hufnagel-Valley 5/7湍流廓线模型,采用理论模拟方法,利用奇异值分解法反演得到了湍流强度廓线随高度的分布.从反演结果可以看出:除含有100%噪声的反演结果外,其余结果的量级均为10~(-15)～10~(-17),与Hufnagel-Valley 5/7模型基本一致.说明奇异值分解法可以用于数据的处理,并且基本满足需要.最后,针对现有MASS的缺点提出了改进方案.     

湍流强度廓线激光雷达测量的反演算法研究

湍流强度廓线激光雷达通过测量各层的大气相干长度来获得湍流强度廓线。从测量的大气相干长度直接反演湍流强度廓线会出现很大的噪声增益,因此本文介绍了一种通过求导并结合理查森迭代方法来反演湍流强度廓线,并对这种方法进行了数值模拟实验。文章通过反演两种典型系数下的Hufnagel-Valley(H-V)Cn2模式廓线,两参数下反演廓线和原始廓线的平均相对误差分别为7.8％和10.6％,结果表明该算法具有较高的精度。     

利用激光雷达测量湍流强度廓线的研究

介绍了一种新颖的利用激光雷达测量湍流廓线的原理,通过对经过分层大气湍流的光束波面误差的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用一定的算法反演湍流强度廓线.通过大量的实验,验证了通过测量波面误差获得大气折射率结构常数这种方法的可行性.提出了在一定近似条件下利用平面波积分方程的递推算法反演大气折射率结构常数,获得了较为满意的相似度,并且与球面波算法进行了比较,分析了各自的反演效果.     

DCIM激光雷达测量湍流廓线反演算法及数值仿真研究

提出了一种基于广义Hufnagel-Valley模型的DCIM激光雷达测量湍流廓线的反演算法,推导了数据平滑处理函数,通过对HV 5/7模型廓线数值仿真得出：真值反演时,反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.004个量级,反演廓线计算的r0、整层θ与理论值的相对误差绝对值均在0.5%以下;有10%随机误差时,20km以下反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.5个量级,20km以上误差增大,反演廓线计算的r0和整层θ与理论值的相对误差绝对值约在10%和5%以下,满足实际激光大气传输应用;数据平滑处理函数不会影响反演廓线随高度的变化特性。最后仿真验证了反演算法的普适性,可用于DCIM激光雷达测量不同地区的湍流廓线。     

利用温度权重函数反演大气温度廓线的相关理论研究

要利用温度权重函数反演大气温度廓线,首先要了解相关概念和理论。本文的主要研究内容是地基双通道微波 辐射计在大气温度廓线遥感和反演中的相关理论：5mm频段氧气吸收带的吸收特征;微波遥感大气温度辐射方程特性; 大气透过率和权重函数的计算。得出了上行和下行大气辐射方程温度权重函数的特性、不同观测高度和观测角度的大气 透过率、地基微波辐射计的权重函数。     

海上湍流对雷达波传播影响模拟研究

基于海洋大气近地层相似理论,给出了大气折射指数和微波波段湍流强度垂直廓线模型;基于一维Kolmogorov湍流谱,数值模拟随机瞬变大气折射指数,并将其叠加在大气折射率垂直廓线上,建立了海洋大气近地层考虑湍流影响的大气修正折射率垂直廓线模型.利用海面水文气象观测数据和美国海军高级传播模型,数值模拟了蒸发波导和湍流对雷达波传播和雷达探测性能的影响,发现:海洋大气近地层湍流在一定程度上增大了蒸发波导内雷达波传播损耗,减弱了雷达对海面目标的超视距探测能力;而在蒸发波导高度以上部分空域,湍流效应在一定程度上减弱了雷达波传播损耗;因此,在定量评估舰载雷达探测性能时有必要考虑蒸发波导和湍流的综合影响.     

Hufnagel-Valley湍流强度廓线的高精度实时反演方法

分析了Hufnagel-Valley 大气湍流模型参数反演的必要性,根据实时测量的大气相干长度和等晕角,反演该模型中的两个可调参数,并提出了改进的反演计算公式。数值仿真结果表明,改进公式弥补了原有公式在近地面湍流较弱时,不能有效反演高空风速参数的不足;适合于反演不同的湍流条件,提高了湍流强度廓线的反演精度:以两种典型的风速模型为例,改进公式反演的参数,相对误差均在0.5%以内;同时改进公式也减弱了相干长度和等晕角测量误差对反演的影响。     

一种利用卫星红外遥感资料反演晴空大气参数的物理统计方法

给出一种新的由卫星辐射观测反演大气温湿廓线的物理统计方法,并用该方法分别进行了理想试验和实际反演试验,再将反演结果和一维变分反演方法的结果进行比较.结果表明:在理想试验中物理统计方法反演的温度廓线在大部分高度好于一维变分法;水汽廓线在模式中层的反演结果比背景场略差,在其他高度有所改进,而一维变分方法则对水汽廓线的背景值修正较小.在实际反演试验中,物理统计反演法对温度廓线的反演效果不够理想,只在400hpa以上高度和近地面对背景场有所修正,然而对水汽廓线的反演效果较好.     

湍流廓线激光雷达控制软件设计

对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究.介绍了湍流廓线激光雷达控制系统的设计和实现,运用Visual C 语言编写软件,通过单片机实现了对像增强器、发射望远镜和接收望远镜焦距的有效调节,实现了基于NT平台下的端口操作.     

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。     

深空光通信接收方案的改进及误码性能分析

为了更好实现在不同背景光和大气湍流条件下的 深空光通信,研究对比两种深空信道的接收方案模 型。方案一为传统的接收方案,直接将光子探测器阵列放在天线的焦平面处,并在其前面加 上小孔光阑, 方案二为改进后的接收方案,将小孔光阑放置在焦平面处,光信号通过光阑后再经准直镜到 达探测器阵列 上。本文首先建立起大气湍流模型和背景光模型分析其对于接收端的影响,然后对所加的小 孔光阑的孔径 大小进行优化,最后在最佳孔径下对比两种接收方案的性能。仿真结果表明,在不同湍流和 不同背景光时 对应的最佳孔径都不一致,可以为后续设计地面接收系统提供一定的参考。而方案二比方案 一在不同背景 和大气湍流条件下性能也均有所提升,尤其在较强背景和大气湍流时方案二性能提升更加明 显。     

一种多光束发射和接收FSO系统的信道建模方法

在单光束发射和接收无线光通信(FSO)系统中,目前人们普遍接受的是光强闪烁在强湍流下服从负指数分布,在弱湍流下服从对数正态分布,而在强弱湍流下都适用的Gamma-Gamma分布则是研究的热点。在这几种分布的基础上,将它们推广到多光束发射和接收FSO系统,分别推导出了基于对数正态分布、负指数分布以及Gamma-Gamma分布的多光束发射和接收FSO系统的光强闪烁概率密度分布函数,建立起多光束发射和接收系统光强闪烁信道模型,并对基于负指数分布的多光束信道模型与通信距离、激光波长、接收孔径以及收发天线数目等参数的相互关系进行了具体的仿真分析。这对多光束发射和接收FSO系统的理论分析和系统设计具有一定的指导意义。     

Gamma Gamma强海洋湍流和瞄准误差下水下无线光通信系统的性能研究

采用外差式差分相移键控(Differential phase-shift keying,DPSK)调制的水下无线光通信(Underwater wireless optical communication,UWOC)系统经过Gamma Gamma强海洋湍流信道传输,当接收端与发送端之间存在瞄准误差并采用孔径接收方式时,分析了湍流效应和瞄准误差对接收光强的抖动影响,推导了UWOC系统的平均误码率(Bit error rate,BER)和中断概率(Outage probability,OP)的解析表达式。数值模拟研究了不同的瞄准误差、束宽、接收孔径和海洋湍流参数对平均BER和OP性能的影响。结果表明,在相同的束宽和信道环境下,瞄准误差越大,系统性能越差;光束束宽与孔径半径之比越大,接收孔径直径越大,系统性能越好;另外,选择较小的温度和盐度波动对海洋湍流贡献的比值ω和均方温度耗散率χT,以及较大的湍流动能耗散率ε和动力粘度u的海洋湍流环境也有利于获得较好的系统性能。     

Copolar and cross-polar radiation of Vivaldi antenna on dielectricsubstrate

The copolar and cross-polar radiation patterns of the Vivaldi antenna on a dielectric substrate are calculated and validated by measurements. The method involves a two-step procedure. The electric field distribution across the antenna slot aperture is calculated first. The radiated fields are then calculated, using Green's functions. The continuous exponential tapered shape is approximated by annular linearly tapered sections. The conical transmission-line theory and a variational method yield the electric field in each section. The radiation calculation is based on closed-form expressions for the dyadic Green's function of an elementary electric field source in a conducting half sheet. Both copolar and cross-polar radiation patterns of the Vivaldi antenna are calculated by integrating the Green's functions weighted by the electric field distribution over the antenna aperture. The effect of lateral truncation is taken into account by defining weighting patterns. The method is validated by original measurements and limitations of the model are discussed. Antenna directivity and sensitivity are calculated     

大气湍流中受限高斯光束的轴向光强分布

利用扩展Huygens-Fresnel原理分析了大气湍流中圆形孔径限制下高斯光束的传播特性,得到了轴上平均光强的解析表达式,运用数值模拟方法计算了不同湍流强度、孔径大小和波长下的轴上平均光强.结果表明,轴上平均光强在近场发生振荡,其振荡幅度随湍流强度增强和发射孔径的增大而降低,振荡的周期随传播距离的增大而增加;在远场随传播距离的增大,振荡逐渐消失,平均光强平滑下降,最后一个平均光强极大值的位置与湍流强度和波长成反比,与发射孔径成正比.     

大口径轻质反射镜光轴水平卸载支撑方法

大口径轻质反射镜的重力环境下高精度检测是目前的一个难点,由于其轻量化程度高,绝对刚度低,在重力环境下,支撑形式的不同对光学检测结果影响巨大。提出了一种以提供提拉牵引力的方法实现光轴水平支撑测试的解决方案,通过一系列的滑轮组的自适应调整,获得预定义的力学支撑,实现轻质反射镜光轴水平状态重力环境下的高精度面形测试。有限元力学分析结果表明,依据本方法开展的光轴水平状态检测,能够有效减少重力引起的光轴竖直和光轴水平两种状态下的面形变化RMS值差异,其差异值小于0.003 （=632.8 nm）。文中所提出的方法具有良好的可实施性,它可推广应用到其他大口径轻质反射镜的检测支撑的设计中,为此类大口径相机的研制提供技术基础。     

湍流大气中孔径平均对有效信噪比的影响分析

从孔径平均效应出发,首先建立高斯光束条件下的有效信噪比模型,并结合模型中的孔径平均因子,详细介绍了高斯光束下的孔径平均效应模型,在此基础上,通过仿真实验对比分析了不同湍流强度下有效信噪比随孔径尺寸的变化趋势,结果发现：随着孔径尺寸的不断增加,有效信噪比逐渐变大,说明孔径平均效应可以有效抑制大气湍流对通信系统的影响。