一种激光便携式大气能见度、目标距离综合测试仪

本文介绍了一种单端收发的激光大气能见度、目标距离综合测试仪,研究了这种装置对于能见度测量的理论依据及其可行性,并提出了该仪器的设计总体思想。     

激光雷达斜程能见度的一种探测方法及其分析

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明：在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数（如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等）使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.     

前向散射型能见度仪的研制

前向散射能见度仪测量前向散射光强度,确定大气的消光系数,进而获得大气的能见度值。基于上述原理,考虑雾天大气散射特性,研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较,给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。     

前向散射型能见度仪的研制

前向散射能见度仪测量前向散射光强度,确定大气的消光系数,进而获得大气的能见度值。基于上述原理,考虑雾天大气散射特性,研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较,给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。     

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。     

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。     

基于散射法原理的能见度及气溶胶消光特性测量分析

气溶胶是指悬浮在大气中的各种半径为0.01～20μm的固体和液体粒子,它们对光的影响表现为散射和吸收,是致使大气中光波传输时能量损失的原因之一.介绍了两种测量大气气溶胶光散射特性的仪器,前向散射能见度仪和三波长积分浊度计,通过在合肥地区系统的测量,获得了该地区大气能见度和气溶胶消光的统计特征,为有关光学工程试验提供了科学依据.对比分析了两种设备测量结果,为提高探测精度,将两种仪器的测量结果放在一起进行了研究,获得了满足特殊试验要求的第一手数据,夏秋两季的能见度较高时,平均能见度的最大值超过10 000 m.实验结果对于大气环境评价和辐射气候效应及有关光学试验有重要的参考价值.     

激光后向散射式能见度测量仪的理论分析与实现

文章采用后向散射能见度测量法,通过测量激光在大气传输过程中产生的后向散射信号,计算大气的消光系数,从而得出大气能见度值,从硬件和软件上设计,并进行了实验.     

舰载激光通信中大气对激光远场光强分布的影响

在舰载激光通信系统中,激光远场光强分布对系统通信质量的提高具有重要影响。利用所建立的激光远场光强分布模型和1.06 μm激光大气传输特性,研究了大气能见度对激光远场光强分布的影响。结果表明：在不考虑大气湍流影响的条件下,能见度越高,光强衰减越小;在只考虑大气湍流影响的条件下,传输激光的波长,大气折射率结构常数,对激光远场光强分布具有重要影响。     

斜程路径大气相干长度的测量

介绍了一种斜程有限距离上大气相干长度的测量系统和方法,用系留气球搭载一个点光源,在地面用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定实时的斜程大气相干长度值,与湍流廓线测量实验进行了对比,实验结果分析光学湍流廓线积分与相干长度仪测量二者的相关性较好.     

一种基于复数相位屏的强激光大气传输仿真方案

针对传统实数相位屏法中只能表征湍流扰动而不能综合表征强激光在大气传输时导致的能量衰减、湍流扰动和非线性热晕效应等困难,提出一种基于复数相位屏表征的强激光大气传输仿真方案。该方案采用复数相位屏的实部和虚部分别表征衰减和湍流、热晕作用,其中基于能见度特征综合描述大气吸收和散射的衰减作用(复数相位屏的虚部),基于流体力学的密度扰动方程描述湍流和热晕的联合作用(复数相位屏的实部)。本方案具有光场全路径跟踪、易参数控制的优点,能够为实现远场强激光传输特性的评估提供更加完善的理论基础。仿真结果表明,该方案与实际外场测量参数更加一致,具备半实物仿真及参数评估的可行性。     

CO2差分吸收激光雷达测量灵敏度的数值分析

针对直接探测长程CO₂差分吸收激光雷达系统,分析了对测量灵敏度产生影响的两个主要因素:大气湍流和激光斑纹,得到了测量灵敏度与大气湍流和激光斑纹之间关系的数值计算结果。结果表明,在高度小于350m时,增加设备离地高度可以有效地提高测量灵敏度;在高度大于350m后,改变系统参数可以有效地提高测量灵敏度。     

Effect of non-spherical atmospheric charged particles and atmospheric visibility on performance of satellite-ground quantum link and parameters simulation

In order to study the relationship between the non-spherical atmospheric charged particles and satellite-ground quantum links attenuation. The relationship among the particle concentration, equivalent radius, charge density of the charged particle, the attenuation coefficient and entanglement of the satellite-ground quantum link can be established first according to the extinction cross section and spectral distribution function of the non-spherical atmospheric charged particles. The quantitative relationship between atmospheric visibility and communication fidelity of satellite-ground quantum link were analyzed then. Simulation results show that the ellipsoid, Chebyshev atmospheric charged particle influences on attenuation of the satellite-ground quantum link increase progressively. When the equivalent particle radius is 0.2 μm and the particle concentration is 50 μg/m³, the attenuation coefficient and entanglement of the satellite-ground quantum link is 9.21 dB/km, 11.46 dB/km and 0.453, 0.421 respectively; When the atmospheric visibility reduces from 8 km to 2 km, the communication fidelity of satellite-ground quantum link decreases from 0.52 to 0.08. It is shown that the non-spherical atmospheric charged particles and atmospheric visibility influence greatly on the performance of the satellite-ground quantum link communication system. Therefore, it is necessary to adjust the parameters of the quantum-satellite communication system according to the visibility values of the atmosphere and the shapes of the charged particles in the atmosphere to improve reliability of the satellite-ground quantum link.     

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明:系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。     

基于深度卷积神经网络的大气湍流强度估算

提出了一种基于深度卷积神经网络估算大气湍流折射率结构常数C_n²的方法。将湍流影响下的高斯光束光斑图像作为神经网络的输入,利用深度卷积神经网络提取图像的特征信息,得到C_n²大小,并采用平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差和相关系数四个统计量来衡量模型的估算效果。结果表明,该模型能够根据湍流影响下的高斯光束光斑图像对C_n²进行估算,当迭代500次时,相关系数为99.84%,各项误差均在2%左右。该模型在大气湍流特性分析及大气湍流强度估算等领域有一定应用价值。     

采用Zernike多项式对大气湍流相位屏的仿真和验证

采用Zernike多项式法模拟大气湍流相位屏，并使用大气相干长度和相位结构函数来验证所产生大气湍流相位屏的正确与否。仿真结果表明，Zernike多项式法产生的大气湍流相位屏在低空间频率部分与理论值研究较为相符，但在高空间频率部分的仿真结果与理论值差别较大，这是由于Zenike多项式算法本身存在一定的应用条件。此外，虽然可以通过增加Zernike多项式的阶数或者改变接收口径改变大气湍流相位屏上湍流的分布，但是却存在计算量大，计算复杂等缺点。因此，在激光通信系统的具体应用时，应该综合考虑，选择最佳的实验方案。     

大气相干长度测量信标自动跟踪系统

大气相干长度是研究大气湍流强度、激光大气传输以及自适应光学的重要参量之一.整层或有限距离相干长度的测量大多是以恒星、高空气球中光目标等作为信标光源的.一般依靠轨道跟踪或手动跟踪,跟踪能力差,测量时操作不便.为此研制了一套信标自动跟踪测量系统,可以实现各种不同条件下大气相干长度的自动跟踪观测,从而大大提高了测量性能.     

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。     

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.     

典型地区大气光学湍流测量与模式研究

在东南沿海地区、合肥地区和西北干旱地区进行了常规气象参数和光学湍流的测量.从地域气候上分析三个实验点所具有的典型特征.分析了不同下垫面对近地面光学湍流强度的影响,提出了近地面和高空光学湍流估算方法,并探讨了光学湍流的预报模式.Bulk方法可用于估算陆地和海面上的Cn2.通过对输入参数进行适当调整,近地面湍流预报模式估算结果和实际测量结果在量级和变化趋势上较为一致.可以用常规气象参数估算光学湍流廓线,合肥上空的光学湍流可以用Hufnagel模式进行拟合.