大气湍流折射率结构常数的测试技术

首先概述了大气折射率结构常数的基本概念和常见模型.然后详述了闪烁指教、到达角起伏等平均折射率结构常数的测试技术和热感探空仪、激光雷达、无源等折射率结构常数分布的测试技术及其研究动态.最后讨论了各种测试技术的特点.     

近海面光学与微波波段大气折射率结构常数比较分析

大气湍流的变化影响红外和雷达波的传输,红外波段和微波波段在近海面受大气湍流的影响不同。折射率结构常数表征大气湍流强度,本文对近海面大气环境下的光波段和雷达波段传输的湍流强度做了理论计算和仿真分析,结果表明,在近海面气象条件下,各种光波长湍流强度比较接近,且大于微波波段湍流强度;光波段和微波波段湍流强度都随气海温差增大而增强。     

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

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，将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下，得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律，最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。     

对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数相关性研究

基于大气湍流非相干散射理论,采用泰勒方法对湍流谱函数进行近似,推导获得了对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数的关系,即L-C模型;开展了对流层散射传播试验,基于WRF（Weather Research and Forecasting）数值模式对试验期间大气折射率结构常数进行预报;基于预报的大气折射率结构常数数据应用L-C模型预测对流层散射传输损耗,并与试验测试损耗值进行对比研究.结果表明,应用L-C模型预测的损耗值与实测值变化趋势吻合较好,均方根误差不超过6dB,并且传输损耗与大气折射率结构常数间的相关系数均大于0.7,表明了对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数之间较强的相关性.这种对流层散射与大气折射率结构常数之间的相关性对于对流层散射传输的机理和建模研究都有重要意义.     

中国北方大气湍流中微波传播闪烁问题研究

从分析影响微波段大气折射率结构常数的因素人手,考虑了温度和相对湿度对这一波段大气折射率结构常数的影响,建立了我国北方地区微波段大气折射率结构常数C2n模型,并以此模型为基础分析和推导了K-Ka波段的平面波在湍流大气中水平和斜程传输时的闪烁指数.研究表明:温度和相对湿度对微波段大气折射率结构常数有一定的影响,但湿度影响相对较小;同时在其它条件不变的情况下,和光波段一样,湍流的内尺度、传播高度、路径天顶角对微波段闪烁指数均有一定的影响.     

测量折射率结构常数和内尺度的三波长激光闪烁仪

研制了一种便携式三波长激光闪烁仪,使用473 nm、532 nm和671 nm三个波长实现了大气湍流内尺度和折射率结构常数的同步测量.该仪器包含发射系统和接收系统两部分:发射系统由激光器、挡光器和远程无线控制器组成;接收系统包括探测器和数据采集器.仪器的噪声分析表明:系统可测的折射率结构常数的精度为1.0×10-16m-2/3.对三波长的相关性分析证明了利用该闪烁仪反演内尺度的可靠性,同时将三波长激光闪烁仪和温度脉动仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者的相关性系数为0.95.     

激光大气折射率结构常数测量实验与分析

在相距600 m的两地进行了静态激光大气传输实验,并对接收到的光强和光束到达角起伏进行记录.以每10min所记录的数据作为样本,计算出光强起伏方差和到达角起伏方差,并根据理论孔径平滑因子计算出点接收时的光强起伏方差,再分别根据光强起伏方差和到达角起伏方差计算出大气折射率结构常数.最后,得到一天之内大气折射率结构常数的变化曲线,并分析得出大气折射率结构常数在早晨和傍晚存在极小值.     

海域条件下大气折射率结构常数估算方法研究

针对海域条件下,激光通信大气折射率结构常数C2n估算方法存在的固有问题,提出了采用多项式拟合和支持向量机的方法进行C2n估算模型修正,从理论上改进了起伏方差和闪烁方差模型中结构参数依据经验的取值方式,进而搭建观测平台进行验证性实验.实验结果表明:在相同的大气环境条件下,采用多项式拟合和支持向量机方法进行C2n估算,其一致性要优于经典的估算模型,同时支持向量机方法较前者估算一致性优势明显.因此,本文提出的C2n估算方法可以为定量评价试验海域大气湍流程度提供理论依据.     

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪

基于光闪烁的孔径平均效应,研制了测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪(LALS)。该仪器在一定程度上实现了闪烁饱和现象的抑制。仪器采用对称式结构布局,同时采用调制解调方法提高信噪比,并以嵌入式控制单元完成对数据的采集、处理、显示和存储。与传统仪器设备的测量结果相比,在1000m的水平传输路径上两者的线性拟合系数为1.01,相关系数为0.92;进一步分析表明,大气湍流内尺度会对闪烁方差的测量产生影响,从而导致大气折射率结构常数的测量结果略显离散。     

轨道交通单竖井隧道环境的空气湍流折射率结构常数模型及分析

空气湍流的变化影响微波的传输。为了研究轨道交通隧道环境下空气湍流对微波传输的影响,该文结合活塞风的运动特性以及大气折射率结构常数的计算方法,建模隧道环境温度、隧道长度、阻塞比、活塞风速等参数对折射率结构常数的影响,构建轨道交通单竖井隧道环境下的空气湍流折射率结构常数模型;基于实际隧道温度场景,分析了轨道交通隧道环境下折射率结构常数的分布规律,比较了列车经过有单竖井和无单竖井的隧道时,空气湍流折射率结构常数的变化。该模型为研究轨道交通隧道环境中电波折射率结构常数提供理论参考。     

对流层散射双向时间比对中对流层斜延迟实时估计

对流层斜延迟是对流层散射双向时间比对中一个重要误差源,该文提出一种对流层散射双向时间比对中对流层斜延迟实时估计方法。通过GPT2w模型计算测站气象数据,克服对流层斜延迟估计中对实时气象数据的依赖。针对Hopfield模型中固定的对流层散射顶层高,利用几何方法计算动态对流层散射顶层高,以解决对流层散射双向比对的实际应用问题。选取日本地区3个测站,两两进行比对,在验证Hopfield模型精度后,计算3组比对站在不同入射角和不同时间的对流层斜延迟。计算结果表明,对流层散射双向时间比对中对流层斜延迟呈现出随比对距离增大而增大,随入射角增大而减小的特性,并且四季变化特性也比较明显。3个比对站的对流层散射斜延迟10~35 m之间,经比对抵消90%后的时间延迟为3.5~11.8 ns。     

利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流

光学湍流的预报在光学工程应用中具有重要意义,而国内尚未开展这方面工作.简要介绍了中尺度天气预报模式MM5及其框架和坐标系统,并结合Dewan光学湍流参数化方法预报了合肥、库尔勒和东山48 h的折射率结构常数,给出了各个时刻的湍流廓线和折射率结构常数时间剖面图.预报结果符合折射率结构常数随高度变化的量级和趋势的一般特征,但各地的廓线形状存在差异,简要分析了差异产生的原因.由于未有实测对比,结果还需要进一步的实验进行检验以便日后实际应用.     

利用米散射激光雷达获取湍流信息的方法研究

介绍了采用米散射激光雷达测量湍流信息的理论原理,分析了现有AML-2米散射激光雷达进行实验探测的可行性,并于2009年3月15日在水平方向上开展了初步实验.从回波信号曲线及数据分析结果来看,AML-2激光雷达探测湍流的有效距离为300～820 m;归一化光强起伏方差即闪烁指数数值在0.001～0.1之间,且随距离增加而...     

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。     

采用离散植被散射模型分析玉米冠层

基于修正的Born近似解得到离散植被散射模型,说明该模型中的植被散射机理,给出圆柱、椭圆片的散射幅度函数,以及植被、土壤的介电常数模型;在L波段下模型应用于玉米植被,得出HH,VV极化情况下的后向散射系数,同时与AIRSAR实验获得的数据比较,验证了同极化HH情况下模型的准确性。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明：自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2（D／r0）^2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1＋1．2（D／r0）^2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。