探测大气湍流的光强闪烁激光雷达

基于残余光强闪烁理论,分析了与大气湍流探测有关的激光雷达各项硬件参数并获得参数的优化范围,据此研制了一台用于大气湍流探测的光强闪烁激光雷达。背景基线、线性特征等性能测试表明,激光雷达各硬件工作正常,数据获取可靠。实验测量中获得了水平方向上闪烁指数和大气折射率结构常数随探测距离和时间的变化趋势,其中闪烁指数在450~2000 m探测距离范围内由0.001逐渐增大至0.350左右;大气折射率结构常数基本保持水平均匀性,在1.010-16~1.010-15m-2/3范围之内;大气折射率结构常数在10:00~21:00时间内大致呈现上午上升、下午下降、晚上上升的变化趋势,具有较明显的日变化特征。实验结果与理论和常规测量较为相符,表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流的探测距离变化和日变化特征信息。     

湍流大气中星载角反射器阵列回波的闪烁指数

利用Rytov方法结合ABCD传输矩阵理论, 推导了地-空-地双程湍流大气路径中单个角反射器回波在接收孔径平面上的强度协方差函数及闪烁指数公式. 根据角反射器阵列的各角反射器单元回波相位相互独立假设, 计算了接收孔径平面上的强度协方差函数、孔径平滑因子和闪烁指数, 比较分析了单个角反射器与角反射器阵列回波闪烁指数. 证明角反射器阵列不改变闪烁指数, 但大气湍流会引起光强起伏放大两倍的规律. 关键词： 大气光学 角反射器阵列 闪烁指数     

同步测量大气湍流折射率结构常数和内尺度的光学方法

 基于不同波长的光闪烁，采用修正的大气湍流Hill谱模型，提出了一种同时反演大气湍流内尺度及折射率结构常数的方法。假定内尺度在某一个范围内取值，对于不同波长的闪烁指数，如果当内尺度取某一定值时，由光传输理论计算的C²_n(λ₁,…)和C²n (λ₂,…)相等，反演成功。根据此原理设计了三波长闪烁计并在某地进行了外场测量。近地面大气湍流的内尺度一般在2~10 mm之间，且随折射率结构常数（其量级为10^-16~10^-13）的变化而变化，两者之间存在一定的正相关；任意两波长组合进行反演得到的内尺度(或折射率结构常数)值具有自洽性，其相关系数的最小值为0.81，因此证明了该方法的可行性。     

基于多通道盲识别的自适应光学图像事后处理

为实时恢复天文或空间目标的湍流退化成像,提出一种适应大气湍流动态变化的多通道自适应光学图像恢复方法.以自适应光学校正后不同时刻的目标成像作为多个通道,建立求解系统点扩散函数的线性方程,根据解出的点扩散函数利用超拉普拉斯算法,求解待观测目标的估计值.结果表明:不同时刻的点扩散函数之间存在互质关系,满足多通道盲识别的理论要求.利用建立的线性方程求解出的点扩散函数与原点扩散函数的均方误差在10^-30~10^-27量级,采用超拉普拉斯算法恢复出的目标成像与原始目标之间的均方误差在10^-5~10^-4量级.本文研究为湍流退化图像的实时恢复提供了理论基础.     

孔径接收下大气闪烁频谱的理论和实验研究

 基于孔径接收下的对数振幅时间相关函数，推导了弱湍流起伏条件下大气闪烁频谱的表达式，分析了接收孔径对大气闪烁频谱的影响。通过完成水平大气传输实验，实际测量了孔径接收下的大气闪烁频谱。实验结果验证了理论计算。结果表明，孔径接收下的大气频谱分为低频段和高频段两部分，低频谱为常数，高频谱呈幂指数关系变化，且幂指数为-11/3；随着接收孔径增大，频谱在各频率点上的幅值逐渐减小，其形状保持不变。     

双孔差分闪烁法测量大气湍流的理论与实验研究

根据cross-path理论, 推导出弱起伏条件下差分孔径光强起伏结构函数的精确表达式, 以此为依据, 从理论上提出测量大气湍流强度的双孔差分闪烁法. 在Kolmogorov湍流谱条件下, 分析了信标光直径和信标光高度对该方法中路径权重函数的影响. 在近地面开展了2 km路径的水平光单程传输实验, 将双孔差分闪烁法和单孔闪烁法的测量结果进行了对比. 实验结果表明: 在不同的天气条件和大气湍流状况下, 两种方法测量的折射率结构常数具有高度的一致性; 通过对折射率结构常数积分得到的球面波大气相干长度进行相关性分析, 发现两者的线性相关系数达0.96; 由此验证了双孔差分闪烁法的可行性和有效性. 该方法能够分离出主动信标双程传输的后向闪烁信息, 为主动信标准确探测大气湍流提供了一种新方法.     

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。     

GSSM缩比模型子孔径拼接误差分析（英文）

巨型科学可控反射镜(GSSM)缩比模型(GSSMP)的子孔径拼接误差的分析可以指导GSSM的面形检测工作.GSSMP子孔径拼误差包括子孔径刚体位移误差以及中频扰动.对子孔径刚体位移误差而言,合理的靶标布置以及最小二乘算法的使用,可将误差量级降低到计算机可分辨的最低程度,即不引入算法误差;同时也降低了对测试执行部件的精度要求.对中频扰动误差而言,可结合标准平面镜与干涉仪对实验环境中大气湍流的影响进行估计.除此之外,对子孔径拼接顺序带来的误差进行分析.最后,基于三十米望远镜的面形评价方法,即斜率均方根对上述误差进行换算表征.算法修正后,子孔径对准误差为10~(-6)μrad、子孔径平移误差为10~(-6)μrad、子孔径倾斜误差为10~(-6)μrad以及大气扰动误差为0.04μrad.利用信噪比来表征拼接顺序所带来的影响,使用一个子孔径作为基准进行拼接的情况下,拼接顺序带来的影响小于2%.本文的拼接算法,可以在较低的机械精度下,利用靶标对准与合理的拼接顺序,达到较高的拼接精度.     

近海面大气折射率结构常数统计特性分析

大气折射率结构常数(C2n)是衡量湍流强度的重要物理量之一。利用大孔径闪烁仪对烟台地区近海面环境下2014年1~6月份的大气折射率结构常数进行了测量,对实测数据进行频率计数、日变化以及月变化统计特性分析,并与其他地理环境下的C2n值变化特征进行对比。统计分析对比结果表明:近海平面C2n值主要集中分布在10-17~10-14m-2/3范围内,属于典型的中等偏弱湍流范畴;不同时段的C2n值没有呈现出其他环境常见的"转换时刻"变化特征,且夜晚与白天的C2n值无明显差别,日均值在10-16~10-14m-2/3范围内变化,同时结合标准差对测试期间C2n数据的离散程度进行了详细的分析。     

湍流内尺度对光波起伏频谱的影响

在不同湍流内尺度情况下,对大气湍流引起的光波光强闪烁和到达角起伏的时间频谱特征进行了实验研究。由于实际大气湍流的复杂性和不可控性,利用大气湍流模拟箱来生成具有不同内尺度的大气湍流实验环境。利用位置敏感探测器对光波的光强闪烁和到达角起伏进行了同时测量,并反演得到了光传输路径上的湍流内尺度。实验结果显示:湍流内尺度为2.7~5.0 mm,对应同一湍流内尺度,闪烁频谱和到达角起伏频谱在高频段以相同的幂指数关系下降,幂指数的绝对值与湍流内尺度的大小呈线性关系,随着内尺度的增大,频谱指数变化区间逐渐向低频方向移动。     

Temporal broadening and scintillations of ultrashort optical pulses

The purpose of this paper is to study the temporal broadening and temporal scintillations of ultrashort optical pulses. We present the general formulation of the temporal broadening and scintillation index of ultrashort (femtosecond) space-time Gaussian pulses propagating through weak optical turbulence and derive analytic approximations for the near- and far-field zones. We then apply the results to cross-link, uplink and downlink communication channels in a laser satellite communication system. We show that both the temporal broadening and scintillations depend mainly on the strength of optical turbulence and the outer scale and increase with these parameters. We also show that 10-30 fs pulses broaden significantly more and have greater scintillations than wide pulses. Furthermore, the horizontal and vertical/slant path temporal broadening are identical and the temporal scintillation indices exhibit similar behaviour.     

Scintillation of a laser beam propagation through non-Kolmogorov strong turbulence

Atmospheric turbulence causes strong irradiance fluctuations of propagating optical wave under the severe weather conditions in long-distance free space optical communication. In this paper, the scintillation index for a Gaussian beam wave propagation through non-Kolmogorov turbulent atmosphere is derived in strong fluctuation regime, using non-Kolmogorov spectrum with a generalized power law exponent and the extended Rytov theory with a modified spatial filter function. The analytic expressions are obtained and then used to analyze the effect of power law, refractive-index structure parameter, propagation distance, phase radius of curvature, beam width and wavelength on scintillation index of Gaussian beam under the strong atmospheric turbulence. It shows that, with the increasing of structure parameter or propagation distance, scintillation index increases sharply up to the peak point and then decreases gradually toward unity at rates depending on power law. And there exist optimal value of radius of curvature and beam width for minimizing the value of scintillation index and long wavelength for mitigating the effect of non-Kolmogorov strong turbulence on link performance.     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

南京北郊气溶胶质量浓度空间垂直分布反演

使用拉曼 米激光雷达在南京北郊进行常规性检测,通过分析激光雷达回波信号,借助气溶胶质量浓度的线性模型和指数模型进行气溶胶质量浓度空间垂直分布反演。为提高反演的精确度,对米散射信号进行近场修正,消除重叠因子的影响,拉曼散射信号进行小波分析等去噪方法处理。处理过的米散射信号用来反演0~3 km大气的气溶胶质量浓度,拉曼散射信号用来反演3 km~10 km大气的气溶胶质量浓度,然后通过2个信号拼接反演中低层气溶胶质量浓度。实验结果:2种模型反演的气溶胶质量浓度在不同时刻的相关性系数为0.991和0.973 6,具有一定的可信度。     

高斯波束在湍流大气斜程传输中的闪烁问题研究

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,将水平传输的修正里托夫方法推广到了斜程传输问题中。导出了高斯波束入射时,在零内尺度湍流谱模型及考虑湍流内尺度效应和外尺度效应条件下,从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程里托夫方差变化的计算公式。讨论了不同传播高度、不同湍流内、外尺度对高斯波束斜程传输闪烁指数的影响。最后将有关数值计算结果与实验测量结果进行了比较和验证。     

基于星地链路的垂直降雨场反演方法

在分析星地链路几何结构及传播模型的基础上,研究基于联合代数重建技术的星地链路反演二维垂直降雨场的方法.利用实测降雨资料构建3类降雨场,并搭建3条17 GHz垂直极化星地链路进行数值仿真.实验结果表明:单星地链路无法实现二维垂直降雨场的重构,反演场与真实场的相关系数分别为0.556,0.504和0.364;基于双星地链路的反演结果和真实场的相关系数均高于0.98,平均偏差分别为0.122, 0.159和0.537 mm/h,欧式距离均低于0.9 mm/h,熵的相对误差均小于1.6%,基本实现了二维垂直降雨场的反演;三星地链路的应用进一步提升了反演精度,相关系数接近于1,能够精准重构降雨场.实验结果验证了基于星地链路的垂直降雨场反演方法的可行性、准确性和有效性.星地链路的架设和维护简单,探测降雨范围广,易于在高原、山区、海岛等传统地面观测资料缺失的地区使用,可以作为已有降水测量手段的补充.     

部分相干光与相干光在湍流中的传输特性实验研究

相干光经湍流传输引起光强闪烁效应,理论研究表明利用部分相干光可降低该影响,而相关的实验验证鲜有报道。利用水介质的对流湍流池模拟产生了Rytov方差为0.04~0.16的湍流,进行了弱起伏区湍流中部分相干光及相干光的传输实验,由接收光强计算出其光强闪烁指数随湍流Rytov方差的变化关系。实验结果表明:随着湍流强度的增加,部分相干光与相干光的闪烁效应均增强,但部分相干光的闪烁指数小于相干光。将实验数据与Andrews等人建立的闪烁指数理论模型进行比较,得出了较为一致的结论。     

Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量

将每一个子孔径及相应的CCD面元作为一个光强探测系统,可以将Shack-Hartmann波前传感器用于湍流大气闪烁效应的测量.分析了该测量方法的基本原理,并结合其波前探测的功能.在近地面水平1km的湍流大气中,同时进行了闪烁和相位起伏的实验研究.将闪烁测量得到的Cn2与大口径闪烁仪测量的结果进行对比,发现两者的相关系数达0.838,验证了Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁效应测量的可靠性.对闪烁和相位起伏效应得到的Cn2的日变化进行了对比.结果表明,两者在变化趋势上具有较好的一致性;采用双对数坐标对两种结果进行相关性分析,发现两者的相关系数达0.798.这表明将Shack-Hartmann波前传感器用于闪烁和相位起伏效应的同时测量是可行的,拓展了该传感器的使用功能.