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。     

远海海面大气光学湍流实验测量

将光纤湍流测量系统搭载于我国的“远望号”航天测量船, 首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多点同步测量, 初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据. 测量共进行了37天, 测量数据处理包括大气光学湍流强度的统计分析、采用Greenwood湍流空间相关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度, 以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数. 结果表明: 海面大气光学湍流强度中等偏弱, 且无明显规律性的日变化趋势; 空间外尺度较小, 约为0.2-0.3 m; 湍流谱标度指数符合-5/3次方的概率均为25%左右, 低于相应的近地面概率.     

大气折射率结构常数和湍流特征谱的计算

 分析了海面边界层大气湍流温度脉动的统计特征，结果表明：虚温的功率谱是随时间而演变的，表现在其标度指数随时间变化；比较了不同统计时间下计算的大气折射率结构常数，并根据大气状态的实时变化提出了一种计算折射率结构常数的变间隔时间平均算法。     

一般非Kolmogorov大气湍流路径上平面波闪烁的数值模拟分析

利用数值模拟的方法研究了平面波在弱湍流大气中沿水平路径传播时的闪烁特性,得到了传播路径上既包含Kolmogorov湍流(简称K湍流)又包含非Kolmogorov湍流(简称非K湍流)时,平面波的闪烁指数与光传播距离、非K湍流谱标度指数、非K湍流所占百分比等参数之间的关系。对比分析了平面波在混合湍流路径下的闪烁效应与在单独K湍流和非K湍流下的闪烁效应。结果表明:当路径上湍流为K湍流和非K湍流的组合,且非K湍流谱一定时,闪烁指数随传播路径上非K湍流所占百分比的增加而增加,随K湍流所占百分比的增加而下降;当传播路径上只有非K湍流时,闪烁指数随非K湍流谱幂率的增加呈先增加后下降的趋势。     

大气边界层各向异性的室内模拟研究

 边界层的各向异性研究对于了解实际大气的湍流特性和经典理论的适用范围均具有较大的意义。利用室内水槽实验模拟了实际大气边界层，使用小波变换方法分析了对数光强起伏谱的特征，将获得的标度指数与理论值进行比较，结果表明混合层在水平方向较为接近各向同性，而垂直方向则呈现一定的各向异性。     

基于宽频带温度脉动仪的大气温度起伏谱测量

常用温度脉动仪测量湍流的频谱, 频谱范围多在20Hz以下, 无法呈现大气温度起伏的高频特征。介绍一种宽频带低噪声温度脉动仪的设计方法, 研制出相应的仪器, 并进行了真实大气温度起伏测量实验。结果表明, 大气温度起伏具有丰富的高频信息, 温度起伏功率谱在更宽的频率范围内存在幂率不变性, 部分温度谱在高频部分出现拐点, 以更陡的幂率下降, 湍流谱的形状以及拐点出现的位置和湍流强度有一定的关系。拓宽了温度起伏功率谱的研究范围, 为光波传输的理论研究和技术应用提供了高频湍流谱信息, 为非Kolmogorov湍流研究提供了测量手段。     

拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的螺旋谱特性

研究了拉盖尔-高斯光束在湍流大气中的传输特性.在利托夫近似下,得到接收孔径处光束的螺旋谱的积分表达式.通过数值仿真得出大气湍流对光束螺旋谱的影响以及光束螺旋谱随各参数值的变化特性.仿真发现大气湍流会使螺旋谱发生弥散.而且随着拓扑荷,接收孔径半径,折射率结构函数及距离的增加,螺旋谱弥散加剧.经拟合得到描述螺旋谱弥散程度的无量纲方差V随距离成6次函数关系;与接收孔径半径及折射率结构函数成二项式关系;而与拓扑荷呈11次多项式关系.最后得出径向指数,束腰半径对螺旋谱的影响非常小,并且根据此结论推出光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 大气湍流 螺旋谱 无量纲方差     

用于波前补偿实验的对流湍流系统的光学特性

描述一种用于波前补偿实验的对流湍流系统，它用水或乙醇为介质，在采用了自行研制的平板式加热和冷却器后，不仅湍流强度易于控制，温度起伏谱和大气相似，具有较宽的惯性区和较好的重复性，而且比实际大气湍流更平稳。本系统除可用于自适应光学系统的波前补偿试验和湍流与热晕相互作用的研究外，还可用于其它激光通过湍流大气的模拟实验研究。     

模拟的对流边界层大气闪烁频谱特性研究

边界层是地面与自由大气的过渡带,对人类活动有重要影响.由于边界层上部位置较高,进行精细结构观测很难.在室内对流水槽(150 cm×150 cm×60 cm)中模拟了大气对流边界层的发生发展.将准直光通过模拟对流边界层得到光斑图像数据,对光斑图像数据进行频谱分析.根据光在湍流介质中的传输理论确定无标度区间得到边界层各高度处的标度指数.研究表明,均匀下垫面标度指数在混合层基本在-8/3左右,接近各向同性湍流的理论值.而夹卷层的标度指数,实验初期严重偏离理论值,但在实验后期,由于对流剧烈也逐渐接近-8/3,此时夹卷层也趋于混合均匀.夹卷层平均标度指数与对流Richardson数存在一定的关系.标度指数廓线随高度的变化特点与同时刻的热通量廓线和归一化光强方差廓线有比较一致的对应关系.     

Non-Kolmogorov湍流对光强影响的模拟实验

基于液晶空间光调制器进行了Non-Kolmogorov湍流的室内模拟实验,并对光强概率密度分布、光强闪烁指数及光强时间频谱进行了分析,完成了模拟实验结果与相关湍流理论之间的对比验证.实验结果显示:在弱湍流下,归一化对数光强近似服从正态分布,且随着湍流强度的减小,正态分布拟合系数增大;光强时间频谱高频段的幂律随着湍流功率谱幂律的减小呈减小趋势,与理论分析一致,但具体数值小于理论预测;闪烁指数则随着大气相干长度的增大而减小,在大气相干长度小于0.05 m的范围内闪烁指数急剧变化,在大气相干长度大于0.2 m之后趋近平缓,这一变化趋势与湍流幂律无关,与理论预测一致,表明湍流模拟实验能较好地再现湍流对无线光通信中接收光强的影响.模拟实验的误差分析表明,不同强度湍流的模拟实验其误差主要来源不同,可为实验的进一步改进提供针对性建议.     

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。     

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。     

Measuring the power-law exponent of an atmospheric turbulence phase power spectrum with a Shack Hartmann wave-front sensor

For non-Kolmogorov turbulence we develop a differential angle-of-arrival fluctuation coefficient, which is the ratio between the transverse and longitudinal differential angle-of-arrival variances, and a slope structure-correlation coefficient, which is the ratio between the transverse and longitudinal differences of the slope correlation function and the slope structure function, to measure the power-law exponent of a phase power spectrum with a Shack-Hartmann wave-front sensor: The differential arrival-of-angle fluctuation coefficient and the slope structure-correlation coefficient are both related to power-law exponent beta and are independent of strength parameter rho(0) of the turbulence. We compare the methods developed and use them to evaluate beta in recently completed horizontal atmospheric experiments for 1000-m laser beam propagation.     

海洋湍流中光波特征参量和短期光束扩展的研究

Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中,假设了海水有着稳定的分层.但是,实际海水通常不是稳定分层的,温度与盐度的涡流扩散率是不相等的.2017年,Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式,并校验了所得公式的正确性.研究发现：当温度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了;当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时,Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型,本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式,并验证了其正确性.研究还表明：海水稳定分层与否,短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.     

Lagrangian chaos and the effect of drag on the enstrophy cascade in two-dimensional turbulence

We investigate the effect of drag force on the enstrophy cascade of two-dimensional Navier-Stokes turbulence. We find a power law decrease of the energy wave number (k) spectrum that is faster than the classical (no-drag) prediction of k(-3). It is shown that the enstrophy cascade with drag can be analyzed by making use of a previous theory for finite lifetime passive scalars advected by a Lagrangian chaotic fluid flow. Using this we relate the power law exponent of the energy wave number spectrum to the distribution of finite time Lyapunov exponents and the drag coefficient.     

Numerical study of chaos based on a shell model

A shell model is introduced to study a turbulence driven by the thermal instability (Rayleigh-Benard convection). This model equation describes cascade and chaos in the strong turbulence with high Rayleigh number. The chaos is numerically studied based on this model. The characteristics of the turbulence are analyzed and compared with those of the Gledzer-Ohkitani-Yamada (GOY) model. Quantities such as a mean value of total fluctuation energy, it's standard deviation, time averaged wave spectrum, probability distribution function, frequency spectrum, the maximum instantaneous Lyapunov exponent, distribution of instantaneous Lyapunov exponents, are evaluated. The dependences of these quantities on the error of numerical integration are also examined. There is not a clear correlation between the numerical accuracy and the accuracy of these quantities, since the interaction between a truncation error and an intrinsic nonlinearity of the system exists. A finding is that the maximum Lyapunov exponent is insensitive to a truncation error. (c) 1999 American Institute of Physics.     

Non-Kolmogorov spectrum scintillation aspects of dark hollow and flat topped beams

The scintillation aspects of dark hollow (DH) and flat topped (FT) beams propagating in the turbulent atmosphere containing the non-Kolmogorov power spectrum are investigated. It is found that low scintillations will occur when the exponent of the power spectrum is just above the numeric value of 3. Initially, the rises in scintillations will take place as the exponent becomes larger, but later the scintillation reductions will be experienced as the exponent grows further, eventually minimum scintillations will be seen when the exponent has reached the value of 4. This will be the case, for scintillation variations against propagation distance, source size, wavelength, inner and outer scales of turbulence. Furthermore, it is found that at the small source sizes, DH beams will offer less scintillation than FT beams, while at the large source sizes, the reverse will be applicable.     

非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差分析

引入非科尔莫戈罗夫 (Kolmogorov)湍流情况下的归一化相位空间功率谱 ,针对 G倾斜和Z倾斜两种情形 ,分别推导了非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差与相位空间功率谱指数下降因子β和归一化大气湍流相干长度ρ0 之间的关系。结果表明 ,对于 2 <β <4 ,非科尔莫戈罗夫湍流情况下光学波前的到达角起伏方差随着β的增加而增大 ,β相同时 ,G倾斜方差总是小于 Z倾斜方差。