近地面大气光学湍流外尺度的实验研究

分析了含有外尺度的Von-Karman湍流空间相关函数模型, 并利用光纤湍流空间传感阵列的实测数据, 根据拟合算法获得了大气光学湍流空间外尺度的值及日变化, 对模型的适用性进行了实验验证. 将空间相关函数理论与空间多点同步测量的数据相结合, 尽可能清晰地展现了几种适合用相关函数描述的湍涡尺度. 结果表明, 在1.8 m的草地上, 大气光学湍流的外尺度呈现出白天较大、夜间较小的日变化趋势, 正午前后均值约为0.44 m, 夜间约为0.3 m. 有三点需要说明: 其一, 当两点间距恰好等于外尺度时, 其空间相关系数为0.26, 当两点间距超过外尺度之后, 仍具有一定的相关性; 其二, 积分尺度代表了湍涡尺度的平均值, 该值略小于外尺度; 其三, 湍涡的最大尺度所对应的湍流空间相关性为0, 其值略大于外尺度. 不难发现: 湍涡三种尺度的日变化与湍流强度的日变化趋势非常相似. 以空间布点探测的方法获取湍流特征尺度, 结果直观, 而且能够直接验证湍流空间相关函数模型, 所以可在一定程度上促进湍流空间结构特性的研究.     

非Kolmogorov大气湍流温度谱标度指数的测量与分析

 阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法。在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测，结果表明：实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3，并且通常在-2到-1之间变化。分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性，利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态，发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大。     

近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究

本文提出了基于光纤湍流传感器阵列的大气光学湍流空间相关函数测量原理, 并确定了具体的测量方案和数据统计方法. 利用光纤湍流传感器阵列在近地面开展了大气光学湍流空间相关特性的实验测量研究, 尽可能全面地展示光学湍流空间相关函数的各种形式. 结果表明, 大气光学湍流的一维空间相关函数主要表现为两种结构形态, 其一, 58.7%基本符合各向同性湍流空间相关函数模型, 其相关函数在一定尺度范围内呈现随尺度的增大而减小的趋势, 当超过该尺度时, 相关系数接近于0; 其二, 另有37.9%表现为与尺度无关, 相关系数维持在0附近小幅度随机振荡. 不难发现:光学湍流的空间相关特性主要取决于湍流的强弱和湍流是否得以充分发展, 同时, 湍流的相干结构将引起空间相关函数的小幅度振荡. 以空间布点探测直接获取光学湍流空间相关函数的方法, 不仅为分析湍流空间结构奠定了实验基础, 同时, 也为进一步建立非K湍流模型提供了理论开端.     

应用哈特曼-夏克波前传感器测量大气湍流参数

对非科尔莫戈罗夫（Kolmogorov）湍流情况,在利用哈特曼－夏克（Hartmann-Shack)波前传感器的波前斜率测量原理并结合其时空结构及相关分析的基础上,提出了一种应用斜率结构－相关函数和斜率归一化相关系数测量大气湍流参数β（归一化相位空间功率谱指数下降因子）和ρ0（大气湍流强度）的新方法。利用这种方法对1km激光水平大气传输实验数据进行了分析。     

湍流大气成像系统分辨率的研究

采用基于Kolmogorov 1941串级湍流模型建立的调制湍流折射率谱模型、简单透镜成像系统传递函数的高斯函数近似和平方近似,从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数,研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。给出了成像系统长曝光光学传递函数和积分分辨率的近似解析关系。结果表明在采用大孔径成像系统成像时,应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。     

一个新的海边光学湍流外尺度和C_n~2的廓线模式

2016年12月13日至2017年1月2日期间,在茂名博贺海洋气象科学实验基地,采用自行研制的湍流气象探空仪,获取了30份海边温、湿、压、风速、风向和C_n~2等探空数据.基于HMNSP99外尺度模式,利用海边的探空数据拟合得到一个茂名大气光学湍流外尺度经验公式.同时对实验测得的高空湍流廓线数据进行统计平均,然后基于Hufnagel-Valley模式拟合得到符合海边湍流廓线规律的统计平均模式(C_n~2sea model).根据Tatarski高空湍流参数化方案,将用茂名外尺度公式估算的C_n~2分别与探空测量的C_n~2以及用其他外尺度模式估算的C_n~2进行了比较.对其进行统计性分析发现,利用新拟合的茂名外尺度公式、HMNSP99,Dewan以及(Coulman等外尺度模式计算的log10C_n~2)与实测值的整体相关系数分别为0.924,0.848,0.763和0.651,在变化趋势和量级上都表现出较好的一致性;以上四种外尺度模式估算结果的误差都很小,其整体平均绝对误差和平均相对误差分别为0.514和2.963%,0.627和3.612%,0.943和5.439%,0.766和4.417%,新拟合的外尺度模式的误差最小.进一步验证了新的海边外尺度和C_n~2廓线模式的可靠性和有效性,此外还发现高空大气光学湍流的发生与风切变和温度梯度具有十分密切的关系,为光电工程在海边场景应用所需的大气光学湍流廓线模式提供支持.     

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

 用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。分析了湍流尺度的日变化规律，给出了其频数分布。结果表明：两地内尺度的均值为十几mm，外尺度的均值约为2 m；内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂，而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似；沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的，因此，在估算实际大气湍流对光学系统的影响时，需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。     

激光大气闪烁的高频谱特性

 采用三波长闪烁仪进行了大气边界层的光传输实验，结果表明：在相同的传播条件下，非平面波激光大气闪烁功率谱的高频部分与波长存在着一定的关系，功率谱无标度区间的斜率即标度指数是一个与湍流强度、波长等因素有关的函数，在满足弱起伏的条件下，标度指数一般与波长呈负相关，波长愈长则标度指数愈小，频谱下降的趋势愈快；波长愈短则标度指数愈大，频谱下降的趋势愈慢。     

湍流大气传输高斯谢尔光束的到达角起伏

研究了在弱大气湍流起伏环境下以窄带宽高斯谢尔光束为激光光源的大气通信问题,分析了大气湍流强度和光源空间相干度对通信光束到达角起伏的影响.采用窄带宽光场的交叉谱密度函数代替光场互相干函数的近似方法和采用包含大气湍流内外尺度的简化折射率谱密度函数,得出了湍流大气中传输高斯谢尔光束的波结构函数(WSF) 和到达角起伏方差解析近似关系.分析表明,光源的空间相干度和传输光束的湍流扩展是影响高斯谢尔光束的相位起伏结构函数和传输光束到达角起伏的重要因素.     

部分相干光在大气湍流中的到达角起伏

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明:随着传输距离的增加,到达角起伏越来越小;随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加,到达角起伏也越来越大;与部分相干光相比,完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小;随着波长和湍流强度的减小,到达角起伏越来越小.     

湍流折射率谱型对大气闪烁和相位起伏功率谱的影响

基于Taylor湍流冻结假设理论,在不同湍流折射率谱型条件下,推导得出了光波闪烁和相位起伏频谱的表达式;数值计算了湍流谱型中折射率标度指数、内尺度以及外尺度变化时对光波频谱的影响。结果表明:随着折射率起伏标度指数的增大,闪烁频谱的低频段不再仅为常数,高频段下降的幂率逐渐增大,同时相位频谱在整个起伏频率段下降的幂率越来越大;湍流内尺度的增加将引起光波频谱的高频段下降的幂率越来越大;而随外尺度的减小,闪烁频谱低频段的振幅减小,这种影响在大口径接收时较为明显,相位谱的低频段幂率减小。     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov湍流中的湍流距离

给出了部分相干平顶光束通过非Kolmogorov湍流传输的湍流距离解析表达式,并研究了非Kolmogorov湍流的湍流广义指数、内尺度、外尺度和光束参数对部分相干平顶光束湍流距离的影响。研究表明:湍流距离随相干参数、束腰、外尺度(当湍流广义指数的取值为3.6~4.0时)的增大而减小;随光束阶数、内尺度的增大而增大;随湍流广义指数先减小后增大,且在湍流广义指数取3.11时存在极小值,即光束扩展的极大值。同时利用湍流广义指数及光束参数,具体比较了湍流距离与瑞利区间的大小,并指出光束参数及湍流广义指数决定了湍流是否在瑞利区间内就能对光束扩展构成明显的影响。     

非Kolmogorov大气湍流对部分相干厄米高斯光束传输因子的影响

基于非Kolmogorov谱模型,利用广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩定义,推导出部分相干厄米高斯(H-G)光束在非Kolmogonov大气湍流中传输因子的解析表达式,并用以研究了非Kolmogorov大气湍流对部分相干H-G光束传输因子的影响。结果表明,部分相干H-G光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时,传输距离、湍流外尺度、广义结构常量和空间相关长度越小,湍流内尺度和光束阶数越大,光束传输受非Kolmogorov大气湍流影响越小,光束质量越好。当广义指数取3.11时,部分相干H-G光束在传输过程中表现的光束质量最差。     

Phase compensation in non-Kolmogorov atmospheric turbulence

Zernike polynomial decompositions are used for investigating phase distortion induced by atmospheric turbulence in optical systems. Closed-form expression of the Zernike-coefficient variances is derived. The finite size of the receiver aperture is analyzed using the filter function which is also particularly effective in the theoretical analysis of lower-order aberrations like tilt terms and piston-removed phase variance. The outer scale of the non-Kolmogorov turbulence is considered. The result shows that the effect of finite outer scale attenuates low-order Zernike mode of optical distortion and longer outer scale can lead to more energy in the tilt terms. The generalized exponent can only enhance tilt terms and attenuate other Zernike modes of optical distortion. Further, for different outer scale and generalized exponent, the residual phase variance decreases with more modes of phase compensation.     

Theory of optical scintillation: Gaussian-beam wave model

Abstract

A scintillation model previously developed by the authors is extended in this paper to the case of a propagating Gaussian-beam wave. As in the previous model, we account for the loss of spatial coherence as the optical wave propagates through atmospheric turbulence by eliminating effects of certain turbulent scale sizes that exist between the scale size of the spatial coherence radius of the beam and that of the scattering disc. These mid-range scale-size effects are eliminated through the formal introduction of spatial frequency filters that continually adjust spatial cut-off frequencies as the optical wave propagates. Unlike the previous model, in this paper we include the effect of a finite outer scale in addition to the inner scale. With a finite outer scale, the scintillation index can be substantially lower in strong turbulence than that predicted by a model with an infinite outer scale. This particular behaviour of scintillation in strong turbulence, mostly associated with horizontal paths near the ground, cannot be explained on the basis of previous expressions deduced from the asymptotic theory. Comparisons of the scintillation models with published experimental and simulation data through weak and strong irradiance fluctuations show excellent fits.     

部分空间相干光束在非Kolmogorov湍流大气中的有效曲率半径

激光在湍流大气中的传输有重要的理论研究和实际应用意义.以高斯-谢尔模型(GSM)光束作为部分空间相干光的典型例,基于非Kolmogorov谱和广义惠更斯-菲涅耳原理, 推导出GSM光束在非Kolmogorov湍流中的有效曲率半径的解析表达式. 重点研究了湍流参数(包括广义指数α,内尺度l₀,和外尺度L₀) 和传输距离z分别对GSM光束有效曲率半径的影响.结果表明, 有效曲率半径R_x(z)随α和z增加先减小然后再增大, 随L₀的减小而增大(3.6<α< 4),随l₀的增加而增大.并对结果做了物理解释.