Remote probing of atmosphere and wind velocity by millimeter waves

A technique is developed to probe the atmospheric turbulence strengthC_{n}^{2}and the wind velocity along a path using millimeter waves as a tool. Data obtained in a line-of-sight millimeter-wave propagation experiment are processed and used as the source of information. The averagedC_{n}^{2}and wind velocity together with their gradients along the propagation path are calculated by inverting a set of integral equations. A numerical method is used to yield the least-square-error solutions. Comparison is made between the theoretically calculated wind velocity over a 33-hour period and that measured by a conventional anemometer.     

斜程大气湍流中成像系统分辨率的影响因素研究

大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响,根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱,推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型,结果表明:湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响,而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响;斜程传输时,湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响;光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大,而当高度大于5 000 m时,光学成像系统分辨率受风速的影响大。     

大气湍流位相畸变自适应光学校正的数值分析

实现了适应光学系统校正激光大气湍流位相畸变的数值模拟,研究了自适应光学系统的校正效率随湍流强度的变化规律以及横向风速对自适应光学校正效果的影响。结果表明,自适应光学系统能够校正湍流造成的激光波前位相畸变,提高靶面激光峰值功率密度,降低靶面激光强度起伏。湍流强度对于自适应光学系统的校正效率有比较大的影响,湍流强度较弱和较强,自适应光学系统的校正效率均不高;只有中等强度的湍流,校正效率最高。此外,横向风速对于自适应光学系统的校正效果也有比较大的影响．随着横向风速的增大,自适应光学系统的校正效果不断变差。     

Domain integral equation analysis of integrated optical channel andridge waveguides in stratified media

A domain integral equation approach to computing both the propagation constants and the corresponding electromagnetic field distributions of guided waves in an integrated optical waveguide is discussed. The waveguide is embedded in a stratified medium. The refractive index of the waveguide may be graded, but the refractive indices of the layers of the stratified medium are assumed to be piecewise homogeneous. The waveguide is regarded as a perturbation of its embedding, so the electric field strength can be expressed in terms of domain integral representation. The kernel of this integral consists of a dyadic Green's function, which is constructed using an operator approach. By investigating the electric field strength within the waveguide, it is possible to derive an integral equation that represents an eigenvalue problem that is solved numerically by applying the method of moments. The application of the domain integral equation approach in combination with a numerically stable evaluation of the Green's kernel functions provides a new and valuable tool for the characterization of integrated optical waveguides embedded in stratified media. Numerical results for various channel and ridge waveguides are presented and are compared with those of other methods where possible     

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。     

Atmospheric Phase Error in Coherent Laser Radar

Coherent laser radar (ladar) deduces the shape, velocity and vibration of a remote target by measuring the round-trip optical phase or the Doppler shift of target-scattered light. Phase fluctuations from wind-driven atmospheric turbulence generate micro-Doppler or velocity error at mum/sec levels. The turbulence-induced noise spectra of all geometric phase components of the ladar, the average phase power spectral densities of arbitrary ladar receiver modes, and the resultant Doppler noise spectra, are derived in the Rytov approximation for any isotropic stationary turbulence, any wind velocity profile, any Fresnel number and any source illumination pattern. In Kolmogorov turbulence the piston phase noise spectrum, and the average phase shift over a time interval, are well-approximated by simple universal asymptotic forms dependent only on atmospheric coherence length, turbulence-weighted average wind speed Vmacr, and aperture size D. The spectrum slope changes at a critical frequency of order Vmacr/D. The approximate results do not depend on the usually-unknown outer scale of turbulence     

高阶贝塞尔高斯光束在非柯尔莫哥诺夫大气中的传输特性

利用广义惠更斯菲涅耳原理计算高阶贝塞尔高斯光束(BGB)在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下传输的横向光强分布特性。该模型中,湍流对相位干扰的大小与距离和幂律有关。在远距离处,幂律对干扰大小的影响较为明显。通过Matlab进行数值计算的结果表明,远距离处(10km)的各阶BGB光束光强分布形式均有很大展宽,同时它们随幂律的变化也相对于短距离时更为剧烈。高阶BGB光束受到湍流干扰的影响要小于低阶光束。对于同阶光束来说,横向参数越大的光源在湍流中传输的展宽现象也越为明显。     

基于激光雷达脉冲特性的湍流风速估计方法

提出了一种基于激光脉冲距离权重函数的湍流风场速度估计的方法,可以解决多普勒信息探测晴空湍流风场中精细化的风速测量问题。算法以划分的距离门为单位对速度值进行空间平均,将各距离单元速度与激光脉冲距离权重函数进行卷积运算得到风速的局部估计值。并考虑高斯激光脉冲在湍流风场中的有效空间展宽传输特性,根据直接选取距离门中心位置的速度估计方法和快速的线性平均近似方法的处理过程,引入激光脉冲的传输特性来表达湍流径向风速的统计平均值,以实现湍流风速的测量以及激光雷达在探测湍流上的应用。实验结果表明,在有明显湍流条件的风场环境中,脉冲距离权重方法比线性平均方法在保留真实风场属性的前提下具有相对更小的速度标准差,显示出较好的风速修正效果,提高了激光雷达对湍流风场的测速性能。     

Numerical computation of the phase velocity of current on an infinite helix

A numerical method is given for the determination of the propagation velocity of current on a thin-wire helix. The tangential electric field is set to zero at a point on the conductor surface and the propagation constant is found by solving the resultant integral equation by digital computer using a direct-search technique.     

Hufnagel-Valley湍流强度廓线的高精度实时反演方法

分析了Hufnagel-Valley 大气湍流模型参数反演的必要性,根据实时测量的大气相干长度和等晕角,反演该模型中的两个可调参数,并提出了改进的反演计算公式。数值仿真结果表明,改进公式弥补了原有公式在近地面湍流较弱时,不能有效反演高空风速参数的不足;适合于反演不同的湍流条件,提高了湍流强度廓线的反演精度:以两种典型的风速模型为例,改进公式反演的参数,相对误差均在0.5%以内;同时改进公式也减弱了相干长度和等晕角测量误差对反演的影响。     

基于激光测风雷达的低空急流结构特征研究

低空急流对航空安全保障以及灾害性天气预警预报等具有重要意义。为了研究低空急流的结构特征,基于激光测风雷达收集的数据,对西宁机场2017-11-30~2017-12-01的气象资料进行了分析。结果表明, 低空急流风速随高度先增大后减小,强度和厚度随时间减弱,急流轴高度随时间升高,在急流中心出现了强的冷暖平流,并随急流减弱而减弱,急流顶风向随高度顺转,湍流较强,01:30时急流结构受到破坏,湍流强度达到最大; 21:00以后低空急流中出现湍流团,风速波动较明显,湍流团尺度先增大后减小。这一结果说明高激光测风雷达对低空急流的结构特征以及低空急流内部强度和脉动有很好的探测效果。     

利用Tatarski方案估算不同环境下的光学湍流廓线

大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响,满足光电工程的应用,准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式,利用探空仪测量的气象探空数据,对内陆（合肥）、海陆交界处（茂名）和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证,发现在变化趋势和量级上相近,为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外,还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。     

低速湍流中的气动光学效应实验研究

应用二维哈特曼(Hartmann)波前测量系统，对光束在二维低速热射流传输中的气动光学效应进行了测量。应用模式法，通过孔径斜率进行了波前重构，结果表明热射流使波前产生较强的随机畸变。同时通过对子孔径波前斜率的时间变化测量结果进行了相关函数计算，计算显示出互相关函数随空间相对位置表现出一定规律的变化，由此分析了热射流场中涡结构的运流速度、涡结构尺度等湍流中重要的特性。这些初步测量和分析结果表明通过哈特曼波前测量法既可研究光束在湍流场中引起的波前变化规律，同时还可以应用于湍流场流场参数的间接分析。     

湍流变化对多孔径光学系统成像特性的影响

为了研究大气湍流变化对多孔径光学系统成像质量的影响,针对Golay3结构建立了一个理论分析模型,推导了湍流影响下望远系统的点扩散函数（point spread function, PSF）的表达式。分别针对近似圆形和近似长条状分布的湍流结构对成像特性的影响进行了讨论,具体构建了两种湍流影响下的光场相位计算模型,并计算比较了两种湍流的调制传递函数（modulation transfer function, MTF）。结果表明,光路中存在湍流将导致系统成像质量下降。在近似圆形湍流中,湍流强度越小,系统MTF影响越小。不同强度湍流影响的MTF在归一化空间频率0.16、0.45和0.69处均下降0.05左右。在近似长条状湍流中,对流湍流风速越小,系统MTF影响越小。不同风速的湍流影响的MTF在空间频率0.16、0.42和0.69处分别下降0.25、0.09和0.05左右。比较两种湍流表明,近似长条状湍流对成像系统MTF影响更为明显。     

Rigorous, full-vectorial source-type integral equation analysis ofcircularly curved channel waveguides

A source-type integral equation method is presented to determine the propagation constants, the radiation losses, and the electromagnetic field distributions of the discrete (“guided”) modes in circularly curved, integrated optical channel waveguides embedded in a homogeneous background. The method can be extended to the case of a multilayered background, e.g. a ridge waveguide. The source-type integral equation forms an eigenvalue problem, where the electric field strength represents the eigenvector. This problem is solved numerically by applying the method of moments. Numerical results are presented for various rectangular channel waveguides situated in a homogeneous embedding and compared with those of other modeling methods     

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。     

一次大雪后大气气溶胶变化个例分析

2008年1月10日至2月2日我国发生了大范围持续性低温雨雪冰冻极端天气灾害,在1月29～31日雨雪已止、天气转晴的三天内,于合肥地区进行多种大气参数包括温度、相对湿度、风速、湍流折射率结构常数、气溶胶粒子谱分布、数浓度、散射系数和吸收系数等的连续观测,获得一批与冬季常规观测明显不同的实验结果.给出了这一个例中大气气溶...     

Suppression of galloping oscillation for a self-supporting opticalfiber cable

Estimation formulas for wind force coefficients for self-supporting (SS) optical fiber cable are derived. Using these formulas, a procedure for evaluating the critical wind velocity that triggers galloping oscillation is provided. An SS cable with projections is designed to increase the critical wind velocity     

基于Bulk方法的南海近海面大气湍流特征分析

大气湍流的复杂性以及利用光学手段测量近海面巨量时空范围内大气湍流的局限性,使得利用常规气象要素估算近海面大气湍流成为目前描述巨量时空范围内大气湍流的一种可行的方法。从莫宁•奥布霍夫相似理论出发,结合Friehe等人在分析近海面光学湍流问题上对温度,风速以及湿度脉动的综合考虑,依据1965年至1997年,(10°N~21°N, 110°E~120°E)区域内的常规气象要素,描述典型海域近海面大气湍流特征。结果表明,南海海域近海面大气湍流的平均强度在10-17到10-14量级之间,湍流强度随季节变化较为显著,总体上说,冬季南海大气湍流强度要大于夏季,而空间起伏不显著,滨海大气湍流略大于公海大气湍流,但数值比较不显著。     

利用数值天气预报产品预报海面光学湍流

利用数值天气预报模式预报产品开展了不同季节海面光学湍流数值预报研究,发现:南北纬30°之间海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化较小,南北纬30°以外高纬度海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化显著,夏半球光学湍流强度相对较弱、大气相干长度相对较大,冬半球光学湍流强度相对较强、大气相干长度相对较小.全球大部分海域,10.6 μm光波10m高度光学湍流强度大于10-15m-2/3,0.55μm光波10m高度光学湍流强度小于10-15m-2/3.若沿海面10m高度水平传播10km,全球大部分海域,10.6μm光波大气相干长度大于60cm,0.55μm光波大气相干长度小于6cm.利用两个不同数值天气预报模式同期产品制作的海面光学湍流强度预报全球海域分布特征相似,但模式水平分辨率越高,预报的海面光学湍流强度的水平分布特征越清晰.