利用风廓线雷达测量数据反演大气湿度廓线

测量大气湿度廓线对短时天气预报和长期气候分析有重要意义,概述目前探测大气湿度廓线的几种方法,指出这些方法存在的一些问题,突出风廓线雷达测量大气湿度廓线的优越性。论述风廓线雷达反演湿度廓线的理论,利用合肥2009年9月29日三个时间段的风廓线雷达数据和探空数据,通过计算雷达测得的大气湍流耗散率和探空得到的温度廓线,分析计算得到三个时刻的湿度廓线,能够得到比较可信的结果,显示利用风廓线雷达反演湿度廓线是可行的。     

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.     

非均匀辛格相关蓝绿激光波束通过海洋湍流的传输特性

根据广义惠更斯-菲涅尔原理,建立了非均匀辛格相关蓝绿激光波束在海洋湍流中的传输模型。基于交叉谱密度函数,讨论了不同传播距离下波束光强变化。数值计算了波束光强和光强最大值横向偏移受海洋湍流参数的影响。结果表明,传播距离和海洋湍流参数对非均匀辛格相关蓝绿激光波束的光强自聚焦现象有一定影响。当传播距离一定时,温度均方耗散率对光强自聚焦的影响大于湍流动能耗散率和温度盐度波动相对强度。     

风廓线雷达数据获取率的统计分析

数据获取率是反映风廓线雷达探测性能的一个很重要的指标。经统计分析表明,夏季的数据获取率明显高于冬季;边界层风廓线雷达在2.5 km高度以上、对流层风廓线雷达在12 km高度以上,数据获取率随高度升高开始明显下降。如果以全年数据获取率不小于80%为衡量标准,在研制或采购时,确定边界层风廓线雷达的探测威力为2 km,而对流层风廓线雷达的探测威力为12 km,总体来讲比较合理和符合实际。     

国产风廓线雷达对比试验初步分析

根据2005年7月～10月风廓线雷达比对试验的资料,阐述了近几年我国主要风廓线雷达生产厂家研制的对流层风廓线雷达和边界层风廓线雷达的基本技术指标及其软硬件技术特点,计算并分析了这些风廓线雷达在试验期间观测所获得数据的数据获取率,以及与L波段雷达测风对比的结果,得到了目前国内自主研制的风廓线雷达的基本测量性能,为我国风廓线雷达网的建设提供选型依据.试验结果表明,我国风廓线雷达和相关器件的生产技术已较为成熟,基本达到业务应用需求.     

自适应锁相光纤激光阵列的湍流大气传输性能

研究一种具备校正活塞和倾斜像差能力的自适应锁相光纤激光阵列,利用多相位屏法对其在不同强度湍流大气中的传输性能进行数值计算,引入光束质量因子BPF对湍流大气的影响进行定量分析.当湍流强度较弱(折射率结构常数为Cn2+1×10-15m-2/3,传输距离为10 km,相干长度为4.3 cm)时,湍流大气对激光阵列传输的影响较小,光强分布与在真空中传输效果基本一致.当湍流强度较强(折射率结构常数分别为Cn2=5×10-15m-2/3和1×10-14m2/3,相干长度分别为1.6 cm和1 cm)时,自适应锁相光纤激光阵列的BPF分别为理想情形下的86%和70%;对应的未校正活塞像差和倾斜像差的光纤激光阵列传输至远场处的BPF值分别为理想情形下的55%和38%.计算结果表明,由于校正了活塞和倾斜像差,在较强湍流大气中传输时,自适应锁相光纤激光阵列能够显著提高远场光强的能量集中度.     

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.     

高频地波舰载超视距雷达的双零点波束测角方法

在高频地波舰载超视距雷达中,雷达平台的运动导致了一阶海浪谱(Bragg谱线)的展宽.提取和检测落入此展宽区的目标是舰载条件下面临的主要困难.本文分析了Bragg谱线展宽的原因,提出了用单零点波束提取目标并用分裂的双零点波束测角的具体方法.在文章中用计算机对该种方法进行了仿真,仿真结果证明该方法作为高频地波舰载超视距雷达目标检测方法是有效的.     

基于反向传播神经网络估算大气光学湍流廓线

大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数.通过仪器实地测量大气光学湍流廓线时会受到人力、物力、财力等多种条件的限制,因此依据常规气象参数估算大气光学湍流强度具有十分重要的意义.提出一种结合遗传算法的反向传播(GA-BP)神经网络.首先,基于Tatarski大气光学湍流参数化方案,利用HMNSP99外尺度模式估算了大气光学湍流廓线;其次,尝试基于实测数据训练BP神经网络,并结合遗传算法估算大气光学湍流廓线.将两种方法估算的大气光学湍流廓线与实测的廓线进行对比,结果表明:GA-BP神经网络模式估算值与实测值的均方根误差(RMSE)比HMNSP99模式的RMSE小,表明利用GA-BP人工神经网络模式估算大气光学湍流廓线是一种可行的方法.     

机载气象雷达湍流定标问题的研究

湍流是影响飞行安全的重要因素,在利用机载气象雷达进行检测时,通常是通过回波信号的谱宽来判断目标的.但是回波信号的谱宽不仅与气象目标本身有关,还与雷达参数有关,检测时需要进行定标.从大气湍流微粒间相关性的角度讨论了机载气象雷达中湍流的定标问题.不考虑相关性时,通过公式推导,证明目标的方位角和距离等因素对于谱宽的测量是没有影响的.考虑大气湍流微粒间的相关性时,引入大气湍流的相关模型,研究了目标方位以及飞机速度对于谱宽的影响,并通过仿真给出了定性分析.     

深圳地区多普勒测风激光雷达的湍流观测

激光雷达可以快速实现对大气风场的非侵入测量, 获得精确三维风矢量。为验证测风激光雷达观测湍流的可 行性并获得湍流观测特征, 利用相干多普勒激光雷达在深圳杨梅坑进行湍流观测实验。依据 Reynolds 分解原理, 应用 小波分解获取湍流脉动并分析大气的湍流运动特征。结果表明: 观测地日平均湍流强度呈现“单峰单谷”结构, 与实验 期间气温的变化呈现较高相关性; 湍流动能引起垂直方向上的输送主要集中在日间 12:00 后, 与湍流耗散率的相关系 数达 0.77; 湍流功率谱密度在惯性副区内基本符合 Kolmogorov“-5/3” 定律。研究结果验证了测风激光雷达可以较为 精确地估算湍流参数。     

基于正交多项式拟合的风廓线雷达风谱识别

风廓线雷达是一种以大气湍流为主要探测对象的晴空测风雷达,由于大气湍流对电磁波的散射非常微弱,湍流回波常常被淹没,特别是在降水条件下更是如此。为了能准确识别湍流回波提高谱矩估计精度,文中提出了基于正交多项式拟合的风谱识别方法。结果表明,该方法在降水天气下能很好地保留湍流回波信息,在风廓线雷达谱数据处理中取得了良好的效果,具有很大的实用价值。     

风廓线雷达天线性能的限制条件分析

风廓线雷达主要用于测量晴空大气湍流的速度、强度等参量,能够实时提供大气的三维风场信息.文中从大气湍流特性出发,分析了晴空大气探测对雷达天线性能的要求;在满足Fresnel长度要求下分析了对雷达天线波束宽度的限制条件,以及雷达天线副瓣对探测结果的影响.实际探测结果表明,理论分析与实际测量结果是一致的.     

风廓线雷达探测模式分析与设计

通过对风廓线雷达回波信号原理和回波特点的介绍,分析了雷达信号与数据处理流程,根据雷达工作参数的取值对探测性能的影响,提出了风廓线雷达工作参数选择的顺序和原则:(1)根据高度分辨率和高度探测范围的要求确定脉冲宽度和脉冲重复周期;(2)根据对最大不模糊多普勒速度大小的分析,结合已选定的脉冲重复周期,确定相干平均次数;(3)根据测速精度的分析要求,结合已确定的最大不模糊多普勒速度值,确定谱分析时的快速傅里叶变换点数;(4)根据时间分辨率的要求,确定谱平均数。最后,设计了对流层风廓线雷达探测模式一览表,并介绍了实际应用效果。     

基于模糊逻辑的风廓线雷达目标检测技术

作为风廓线雷达探测目标的大气湍流信号,极易受地杂波、海杂波、降水、无线电信号、飞机、鸟、昆虫等一系列外界环境和信号的干扰,从而形成一种具有多峰特征的功率谱数据。为了有效抑制和去除杂波,提高风廓线雷达输出的数据质量,必须从功率谱数据中将大气湍流目标检测出来。通过分析大气湍流在风廓线雷达回波功率谱中体现出的特征,将其作为风廓线雷达目标检测的准则。文中提出了一种基于模糊逻辑的风廓线雷达目标检测方法,并进行了实际数据的处理和分析,验证了该方法的可行性和有效性。     

PCFT光束阵列在海洋湍流中的传输特性

为了研究部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输特性,基于拓展惠更斯-菲涅耳原理和魏格纳分布函数,结合海洋湍流的空间功率谱函数,理论推导了部分相干平顶光束阵列在海洋湍流中的传输因子、有效曲率半径、瑞利尺寸的解析表达式,数值计算并讨论了它们与光束的相干长度、海水温度与盐度变化、动能耗散率、温度方差耗散率等参量的关系.结果表明,在相同条件下,当传输距离超过400m时,相对于部分相干高斯光束、部分相干平顶光束和部分相干高斯光束阵列,部分相干平顶光束阵列受海洋湍流的影响更小,传输特性更为稳定.此结果对选择合适的光束在海洋湍流传输方面具有一定的参考价值.     

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。     

Spectral properties of partially coherent chirped Airy pulsed beam in oceanic turbulence

Spectral shifts and spectral intensities of partially coherent chirped Airy pulsed(PCCAP) beams propagating through oceanic turbulence are studied, where spectral properties of partially coherent chirped Gaussian pulsed(PCCGP) beams are also compared. The effects of optical parameters and oceanic turbulence parameters on spectral shifts at different observation positions are mainly discussed. It is shown that the spectral shift of PCCAP beam is richer than that of PCCGP beam, and there exists some critical positions for PCCAP beams where the spectral red-shift reaches its maximum. The spectral red-shift increases with increasing chirped parameter, correlation length or decreasing pulse duration. However, the increasing of spectral red-shift is accompanied by increasing dissipation rate of turbulence kinetic energy in unit mass liquid or decreasing relative intensity of temperature and salinity fluctuations, mean square temperature dissipation rate. A physical explanation of rapid spectral transition is also made.     

湍流大气中J0相关部分相干平顶光束的谱移

为了研究相干度为零阶贝塞耳函数的部分相干平顶光束的光谱特性,采用广义惠更斯-菲涅耳公式推导了J0相关部分相干平顶光束通过湍流大气的光谱分布表达式,分析了大气折射率结构常数、平顶阶数、光源的中心频率、相干性参量以及谱宽对谱移的影响。结果表明,光源的中心频率、光谱宽度、空间相干参量、湍流强度对轴上谱移量影响较大;另外,随着湍流的增强,光谱位移量减小;在自由空间中,平顶光束的阶数越高,对谱移的影响就越大,但在湍流大气中阶数对谱移几乎没有影响。     

MIMO水下无线光通信系统性能解析研究

为了消除海洋湍流引起的信号衰落和衰减,在基 于BPSK调制的水下无线光通信(underwater wireless optical communication,UWOC)系统中引入了MIMO(multi-input multi-outpu t)技术。在 假设海洋湍流模型为log-normal分布基础上,得出了球面波光束在弱海洋湍流传输的闪烁 指数计算公 式。借助于Gauss-Hermite正交积分近似公式,推导了UWOC系统分别采用SISO(single-in put single-output)、SIMO(single-input multi-output)、MIMO三种技术,且接收端 采用等增益合并法时, 系统误码率(bit error rate,BER)的解析公式。应用此解析公式,数值仿真观察了系统 误码率在不同 的信噪比下受三种海洋参数(即均方温度耗散率,单位质量液体中的湍流动能耗散率,温度 和盐度波 动的相对强度)以及系统通信距离的影响。仿真结果表明,UWOC系统采用MIMO技术,在较小 的 均方温度耗散率、较小的温度和盐度波动的相对强度、较大的湍流动能耗散率的海洋中,以 及通过较 短的通信链路都可以得到更优的误码率性能。