地基天空背景辐射测量技术及其应用研究现状与展望

天空背景辐射是指大气粒子对太阳光的吸收和散射形成的大气层内散射光亮度的空间分布,在科学研究及工程应用方面发挥重要作用。简要介绍了几种地基天空背景辐射测量仪器,并从大气气溶胶粒子光学特性反演,大气柱中水汽、臭氧、NO2等气体含量反演,及云的分布判别几个方面阐述了地基天空背景光谱辐射分布在大气光学方面的应用,为后续的研究提供参考。最后,提出几点根据全天空背景光谱辐射进行环境感知及天气识别等方面的研究目标。     

大气闪烁对相干态量子干涉雷达探测性能的影响

以马赫-曾德尔干涉仪为模型,分析了基于相干态光源的量子干涉雷达的探测原理,系统研究了由大气闪烁引起的光强起伏和大气损耗对量子干涉雷达性能的影响。将湍流大气视作耗散-涨落通道,结合经典湍流统计推导得到了湍流大气的透过率系数概率分布(PDTC)函数P(T)。利用P(T)分析了量子干涉雷达的灵敏度、分辨率,深入讨论了大气平均透过率T-A、闪烁指数β2D对其探测性能的影响。结果显示:高损耗环境中大气闪烁引起的透过率起伏能显著提高相干态量子干涉雷达的灵敏度。     

干涉型光纤传感的相位载波调制解调算法

相位载波调制解调算法是干涉测量的关键技术之一。阐述了相位载波的调制解调原理,说明了相关参数的最佳选取数值,介绍了两种传统的相位载波解调算法,描述了相位载波算法存在的有限的动态范围问题、伴生调幅问题、载波相位延迟问题和相应的解决办法。最后总结相位载波调制解调算法的问题并展望了光纤传感器的发展趋势。     

大气气溶胶散射相函数反演算法

大气气溶胶是地气系统的重要组成部分,是大气辐射、战场环境和气候变化等的重要影响因子之一,历来受到人们的广泛关注。为了探求气溶胶对高能激光传输时能量的衰减效应,建立气溶胶散射相函数反演算法就变得十分必要。以合肥地区为例,利用已有的商用仪器积分浊度计(TSI-3563)和太阳辐射计(PGS-100)实际测量的气溶胶散射特性和光学厚度,给出波长为0.55μm的气溶胶散射相函数的反演结果。并根据误差传递理论通过计算分析确定最终的反演误差约在12.8%。该研究将丰富气溶胶光学特性的研究手段,为相关光学工程建设提供参考。     

不同版本HITRAN数据库中红外波段上行传输透过率的计算

为比较不同版本数据库对透过率计算精度的影响,利用逐线积分辐射传输模式,对比分析了HITRAN 2k、HITRAN 04和HITRAN 08数据库在中红外波段（2~12 m）、四种初始高度（1、10、15、20 km）上行大气传输分子透过率的差异。结果表明,在4种初始高度上,04版本的平均绝对偏差均比2k版本小,而且在某些波段上对应的绝对偏差均较大:在1 cm-1分辨率时,仅考虑CO2吸收,04、2k版本对应的最大绝对偏差为0.338（2.696 m）和0.394（2.749 m）;在0.1 cm-1分辨率时,考虑7种分子吸收,04、2k版本对应的最大绝对偏差达到了0.95（4.191 m）和0.936（3.568 m）。在计算中红外波段不同初始高度上行大气传输透过率时,采用旧版本的HITRAN数据库在某些波段会产生相当大的误差。     

基于Shack-Hartmann波前传感器的湍流大气光闪烁测量

根据CCD探测器的输出信号在动态测量范围内与入射光通量成线性的特点,提出了将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气光闪烁效应测量的方法,并在1 km的水平湍流大气传输路径上开展了光强闪烁的初步测量.结果表明,测量的光强起伏方差随时间的变化基本符合近地面湍流起伏特征,在统计光强起伏过程中采用了将时间和空间序列的数据相融合的方法,大大增加了统计样本数;将传感器与大口径闪烁仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者在变化趋势上具有较好的一致性,相关系数达到0.84;最后,通过不同子孔径内光强起伏的功率谱分析,进一步证明了Shack-Hanmann传感器用于光闪烁效应测量的可靠性.     

激光大气传输湍流与热晕综合效应

讨论了激光大气传输时的湍流与热晕综合效应问题.提出了根据湍流效应对热晕经验公式进行修正的处理方法,其物理基础是在湍流效应较明显的情况下,由相干距离决定的湍流Fresnel衍射参数远小于由发射口径决定的Fresnel衍射参数时,小尺度热晕的影响超过整束热晕占主导地位.将修正的经验公式与基于数值计算的定标公式相比较,结果令人满意.     

合肥地区气溶胶数浓度和谱分布特征的观测研究

利用APS-3321型空气动力学粒度仪对合肥地区的大气气溶胶进行观测,比较和分析了气溶胶数浓度和谱分布的变化特征.结果表明:气溶胶数浓度的日变化和日际变化显著,并且与天气条件密切相关.其平均数浓度谱为单峰谱,峰值中心在聚集模态,平均表面积谱和平均质量谱为双峰谱,峰值中心分别在聚集模态和粗模态,且其最大峰值都在聚集模态.根据其谱分布特征,应用正态对数函数进行了拟合,得到了其数学函数表达式,该结果可用于分析气溶胶对大气激光传输的影响.     

大气参数模式及其在辐射大气传输计算中的应用

大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式,包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布,覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件（CART）中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。     

湍流大气中聚焦高斯光束焦移的数值模拟分析

湍流大气不仅使在其中传输的聚焦高斯光束的束腰处光斑发生扩展,也使光束的束腰位置发生移动。采用不均匀分布相屏的傅立叶变换法数值模拟了湍流对聚焦高斯光束束腰位置的影响,发现在湍流大气中传输的聚焦光束不再聚焦在真空传输的焦点处,焦点的移动与湍流强度和初始光束半径有关。数值模拟结果表明：聚焦高斯在均匀湍流强度的水平路径传输上传输时,湍流将导致光束的焦点向发射点移动,而且焦移的幅度随着湍流强度的增大而增大;在同等强度湍流大气中传输的聚焦高斯光束,其焦点前移的幅度将随着光束半径的增大而减小。