双向大气相干长度测量获取湍流模式及日变化分析

大气相干长度是定量描述大气湍流强度的重要参数,提出一种通过对同一斜程路径进行双向大气相干长度测量、从而建立实时的湍流强度随高度的分布模式的方法,并进行了多日全天观测实验以验证所提方法。通过不同天气条件下得到的测量路径湍流强度时空分布的相互比较,以及对多日大气相干长度测量比值的统计分析,初步验证了所提方法的准确性。     

激光雷达大气湍流测量方法研究

 报道了一种用激光雷达方法测量大气湍流的技术，利用发射激光束在空间所需位置产生一个聚焦光斑，通过此光斑处的大气分子瑞利散射机制形成一个空间的人造散射光源，接收系统对此光源的散射光进行探测，测量出从地面到此空间散射光源之间的大气湍流参数。给出了对武汉上空大气湍流测量的初步结果。得到了不同高度层的大气相干长度随时间的变化特性、平均值和起伏均方差，并对实验测量和模型计算的大气折射率结构常数在相应高度段的积分值进行了比较，二者积分值都在10-12量级，得到的结果基本相符。这种测量方法的实现，为测量空间不同方位、不同距离的大气湍流提供了一种新的手段。     

激光雷达测量大气湍流廓线

 介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。     

四孔差分像运动测量大气相干长度的方法研究

 介绍了最新研制的基于四孔差分像运动法到达角起伏测量仪，利用该仪器测量的4个方向（两组正交方向）上的到达角起伏方差，从而推算出大气相干长度。在近地面水平路径的实验中发现，不同方向上的测量结果获得的大气相干长度值有一定的差别。测量结果表明：大气湍流存在一定的各向异性，在实际应用中应考虑这个因素；在一些应用场景下，大气相干长度应根据至少一组正交方向的测量结果来分析确定。     

基于气象参数戈壁沙漠地区近地面大气湍流建模

 提出一种适合戈壁沙漠地区的近地面大气湍流模型。通过测量近地面层不同高度处温度、湿度、压强和风速等常规气象参数,结合模型可给出近地面层大气湍流强度。模型计算的近地面层大气湍流强度通常白天值最大,中午前后出现较宽的最大值区间,在日出时段和日落时段出现较明显的最小值,夜间呈不规则变化,该结果能够很好地反映近地面层大气湍流强度的变化特性。在影响大气湍流强度变化的参数中,大气温度的变化趋势直接影响着大气湍流强度的变化：通常白天大气温差较高时,大气湍流强度较强;大气温差较低时,大气湍流强度较弱;大气温差起伏较大的时刻,大气湍流强度的变化也会较大,大气温差起伏趋势与大气湍流强度变化趋势有相似之处。     

高斯-谢尔模光束在大气湍流中传输的相干特性研究

文章分析了高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时相干长度的变化, 并与真空传输做比较, 真空传输相干长度的变化只与光源参数有关, 大气湍流中传输相干长度的变化受光源参数和湍流的共同影响. 真空传输光束扩展造成相干长度增大; 大气湍流中, 传输距离较短时, 相干长度由于光源扩展而增加, 当传输距离较大时, 湍流效应增强引起相干长度下降. 因此, 单纯从相干长度方面分析大气湍流带来的影响不够完备. 为排除光源扩展影响, 利用相干长度与光斑尺度的比值进行分析, 发现大气湍流会造成比值的下降. 在数值仿真的基础上对上述结果给出了解释. 关键词： 部分相干 大气湍流 高斯-谢尔模 光束扩展     

利用湍流廓线获得斜程大气相干长度的实验研究

 用两种方法获得有限高度斜程大气相干长度。一种方法用安置在测量铁塔上的温度脉动仪以及多普勒声雷达测量了大气边界层下部折射率结构常数廓线，用以计算有限高度球面波斜程大气相干长度；另一种方法用系留气球搭载一个点光源，在地面用差分光学系统接收球面波到达角起伏法测量了实时斜程大气相干长度。对实验结果进行了比较和分析，二者都反映了实际大气斜程相干长度的时间变化特点。两种方法结果的相关性比较好，因此两种方法都可以在大气光学传输研究中应用。最后在实验的基础上对湍流廓线计算球面波斜程大气相干长度作了讨论。     

基于大气相干长度的湍流模糊图像复原

利用地基光学望远镜观测空间目标时,大气湍流是影响成像质量的主要因素。由于大气湍流引起成像波面的畸变,导致望远镜所获得的图像模糊。为了从模糊图像中复原出目标的原始图像,提出了一种基于大气相干长度的湍流点扩展函数估计方法,进行了理论推导,并利用Sobel方法对迭代相同次数后的盲卷积复原图进行像质评价,找出像质评价结果峰值处对应的大气相干长度;再将此值代入点扩展函数的估计公式中,得到点扩展函数更加准确的估计;然后利用此点扩展函数对湍流模糊图像进行盲卷积图像复原,最后得到目标的复原图像。从多种像质评价结果来看,该方法无需测量大气相干长度,且复原效果较理想。     

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式；一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加；相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小；湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。     

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

 用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。分析了湍流尺度的日变化规律，给出了其频数分布。结果表明：两地内尺度的均值为十几mm，外尺度的均值约为2 m；内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂，而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似；沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的，因此，在估算实际大气湍流对光学系统的影响时，需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。     

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

 大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏，破坏了光波的相干性。研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律。主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析。通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性，对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识，为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考。     

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法:一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。     

Atmospheric stability of surface boundary layer in coastal region of the Wol–Ryong site

In order to provide statistically reliable information of a wind energy site, accurate analysis on the atmospheric stability and climate characteristics in a certain area is a prerequisite. Two 2-D ultrasonic anemometers and one cup anemometer, located perpendicular to the prevailing wind direction, were used to measure the atmospheric wind environment at a height of 4.5 m in coastal region of the Wol–Ryong, Jeju, South Korea. The study is aiming to understand the atmospheric stability about a coastal region, and the effect of roughness length. We calculate the Monin–Obukhov length for division of atmospheric stability about unstable regime, neutral regime and stable regime. The distribution of diurnal Monin–Obukhov length is highly sporadic in the coastal region due to the effect of radiant heat from the surface or other environmental effects. In order to calculate the roughness length in coastal region, three different methods are applied in terms of the surface roughness, flow fluctuation and gust wind, which are called logarithmic profile, standard deviation and gust factor methods. In the study, the atmospheric stability was insignificant when applying these three methods. In the results, three different roughness length scales sufficiently showed the effect of obstacle and surface conditions around the measurement position. On the basis of an overall analysis of the short-term data measured in the Wol–Ryong area, Jeju Island, it is concluded that for the development of future wind energy resources, the Wol–Ryong site could be a good candidate for a future wind energy site.     

大气相干长度测量中几个关键技术指标的分析

为规范大气相干长度的测量,保证测量数据的准确性,通过对大气相干长度测量中采样频率、采样时长、曝光时间等关键问题的分析,并结合国内外相关研究成果,确定了差分像运动测量仪的采样频率应不低于100 Hz、采样时长应不短于20 s ,单帧图像曝光时间应不长于沿测量光路的格林伍德时间常数,样本数应不少于2 000帧。     

Partially coherent vortex beams propagating through slant atmospheric turbulence and coherence vortex evolution

Using the extended Huygens-Fresnel principle and the quadratic approximation of the phase structure function, and taking the Gaussian Schell-model (GSM) vortex beam as a typical example of partially coherent vortex beams, the explicit expressions for the cross-spectral density function and average intensity of GSM vortex beams with topological charge m=+1 propagating through slant atmospheric turbulence are derived, and used to study the propagation properties of GSM vortex beams in atmospheric turbulence along a slant path and evolution behavior of coherence vortices. It is shown that the spreading of GSM vortex beams along a horizontal path is larger than that along a slant path in the long atmospheric propagation. The propagation through horizontal atmospheric turbulence can be treated as a special case of the altitude-independent structure constant. The position of coherence vortices in slant atmospheric turbulence does not coincide with that in horizontal atmospheric turbulence, and the dependence of position of coherence vortices on the zenith angle, wavelength and reference point is illustrated by numerical examples. A comparison with the previous work is also made.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯-谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顶光束的光谱跃变现象消失.     

Spatial correlation properties of apertured partially coherent radially polarized beams in turbulent atmosphere

Based on the extended Huygens–Fresnel integral, the analytical formulae for the cross-spectral density matrix of the partially coherent radially polarized beams diffracted at a circular aperture in turbulent atmosphere are derived. The unapertured and free-space cases can be viewed as the special cases of our general result. By using the degree of coherence formula, the spatial correlation properties of the apertured partially coherent radially polarized beams in turbulent atmosphere are studied. The analyses indicate that the spatial correlation of the apertured partially coherent radially polarized beams are more affected by the atmospheric turbulence with the larger structure constant, the smaller truncation parameter, the larger coherence length, and the farther propagation distance.     

大气湍流对部分相干电磁平顶光束传输的影响

基于相干性和偏振性统一理论,采用Rytov相位结构函数平方近似推导出了部分相干电磁平顶光束在湍流大气中传输的偏振度、相干度和光谱强度公式,并研究了湍流对其传输特性的影响.研究表明,偏振度和相干度与源光谱的带宽无关.大气湍流使得不同阶数的部分相干电磁平顶光束的偏振度经长程传输后均趋于其初始值.大气湍流使得部分相干电磁平顶光束与电磁高斯一谢尔模型光束相干度的差别减小,并导致相干度的振荡和相位奇异现象消失.大气湍流使得相干性较好的部分相干电磁平顸光束的光谱跃变现象消失.