陆地和近海面大气光学湍流估算与测量

基于Monin-Obukhov相似性理论,采用MARIAH算法,利用成都和茂名两个地区、两个高度层上的温度、湿度、风速等常规气象参数估算折射率结构常数,并对估算值与温度脉动仪测量值进行比较分析。结果显示：利用常规气象参数估算得到的成都与茂名的折射率结构常数在变化趋势及量级上基本符合温度脉动仪测量值。成都和茂名的折射率结构常数估算值与测量值的相关系数分别为0.86与0.92,平均绝对值偏差分别为0.410与0.414。因此,采用MARIAH算法估算陆地和近海面大气光学折射率结构常数是可行的;茂名中午时刻的折射率结构常数峰值比成都大一个量级。     

利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度

在中国南部热带海域,基于超声风速仪阵列测量的大气三维风速可计算得到速度结构常数C_v²,结合折射率梯度可计算得到折射率结构常数C_n²,其中温度和湿度对C_n²的影响是通过折射率梯度体现。将超声单点虚温估算方法的计算结果作为标定,与本研究的超声风速仪阵列估算方法的144次计算结果进行相关性分析,得到平均相关系数为0.85,最高可达0.99,最低为0.71;通过误差分析,可得平均|Δlg C_n²|为0.3。研究表明：超声风速仪阵列能够捕捉高频光学湍流效应的变化情况,利用超声风速仪阵列估算近海面光学湍流强度可以从风速、湿度、温度等不同方面分析湍流效应,实现在无人值守情况下对光学湍流的连续、长期的全天候观测。     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出：相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出:相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

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。     

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。     

利用多源测量数据实时估算整层大气光学湍流

综合利用微波辐射计、风廓线雷达、自动气象站、温度脉动仪及历史探空资料等多源测量数据可实时估算整层大气光学湍流。本文通过构建实时大气参数廓线,计算边界层高度,在边界层和自由大气层分别采用指数递减模式和Dewan外尺度模式估算大气折射率结构常数（Cn2）廓线,拼接后积分实现了大气相干长度（r0）的实时估算,并与相干长度仪实测r0进行了对比。通过误差分析可知,r0的模式估算值与实测值在大气层结不稳定状态均方根误差最小,相关性较好,在稳定和近中性状态均方根误差较大,相关性较差,尤其在近中性状态均方根误差最大。研究结果表明,利用多源大气测量数据,采用分层估算的方法实时估算整层大气光学湍流是可行的,具有一定的工程应用价值。     

激光雷达湍流大气探测

基于湍流对激光束的扩散和漂移效应,提出了一种采用激光雷达观测湍流强度的方法。湍流对光束产生扩散和飘移作用,使激光光束偏离激光雷达接收视场,造成后向散射光能量损失。对比常规散射回波信号与畸变回波信号的差别可以测量湍流强度。实验表明该方法与其他方法的测量结果具有一致性,证明了该方法的有效性。     

近海面大气折射率结构常数统计特性分析EI北大核心CSCD

大气折射率结构常数（Cn^2）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Cn^2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Cn^2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Cn^2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Cn^2数据的离散程度进行了详细的分析。     

利用气象要素估算海洋大气近地层光学湍流

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正,建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型,并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时,温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时,海面湿度越小,光学湍流越强;在较低湿度条件下,尤其在红外窗区,湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时,光学湍流先随海面风速增大而增强,后随风速增大而减弱;当气温大于海温时,光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时,与可见光和近红外波段相比,红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时,两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下,大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3,伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强,C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大,并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。     

随机并行梯度下降算法拟合大气湍流廓线统计模式的研究

掌握湍流基本规律及其廓线结构分布,是大气光学理论与应用研究中的关键问题之一。利用随机并行梯度下降算法对大气湍流廓线统计模式拟合进行了研究。在已获合肥地区整层大气折射率结构常数C2N平均廓线的前提下,以广义Hufnagel-Valley湍流模型为基础,拟合获得了该地区不同时间与不同季节的湍流模式廓线。研究发现,该方法获得的该地区湍流模式廓线在整层大气高度上均能很好地同实测平均廓线相符合,且两者所表征的整层湍流特征参量也能保持非常好的一致性。对寻求基于Hufnagel-Valley模型的通用湍流廓线模式拟合方法进行了有益的探索。     

基于Monin-Obukhov相似理论估算近地面光学湍流强度

基于Monin-Obukhov相似理论实现了用常规气象参数估算近地面光学湍流强度Cn2的两种方法。主要输入的参数是两个高度上的气温、相对湿度和风速参量,并将结果与实际测量的Cn2值进行了比较。两高度温差ΔT是模式中最敏感的参数,避免使用难以准确测量的下垫面粗糙度、地表面/海表面层上温湿度等参量作为输入参数,使将来采用各气象台站测量的常规气象参数历史数据估算湍流强度成为可能。     

对流边界层顶部光学湍流的室内模拟研究

对流边界层顶部夹卷层是边界层和自由大气之间的过渡带,夹卷层的湍流结构是其主要特征之一。由于夹卷层的位置较高,进行精细结构观测很难,对此认识较少。利用尺寸为150 cm×150 cm×60 cm室内对流水槽模拟了大气对流边界层的发生和发展。将准直光通过模拟对流边界层,根据光在湍流介质中的传输理论得到混合层顶部夹卷层的温度结构常数的特点,在夹卷层内,归一化的温度结构常数满足相同的规律;在高度0.8zi处,温度结构常数最小,随着高度增加,温度结构常数增大,zi处达最大,然后又随着高度减逐渐小,在高度1.2zi处湍流消失。在边界层顶部zi处,归一化的温度结构常数处于一定的变化范围,归一化温度结构常数处于0.08~0.3之间,这可能与夹卷层的大尺度结构有关。     

Basic Pattern in Atmospheric Turbulence Model

From the controlling equations of atmosphere motion, Prandtl's mixing length theory is used to derive the atmospheric turbulence models, such as Burgers equation model and Burgers-KdV equation model. And then the projective Riccati equations are applied to solve these atmospheric turbulence models, where much more patterns are obtained, including solitary wave pattern, singular pattern, and so on.     

平顶光束通过湍流大气传输的光谱特性

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了平顶光束在湍流大气中的光谱传输方程,详细研究了其光谱特性,并给出了合理的物理解释。研究表明,轴上点光谱为蓝移,随着离轴距离的增大,光谱由蓝移逐渐变为红移,轴外点存在多阶光谱跃变现象。随着湍流的增强,光谱位移量和光谱跃变量减小、光谱跃变现象消失。特别分析了平顶光束与高斯谢尔模型(GSM)光束通过湍流大气传输的光谱跃变之间存在的差异。     

大气温度分布特性及对折射率结构常数的影响

影响大气湍流运动强弱和时空结构的因子比较复杂,大气中平均流场和大气温度的分布都是不均匀的,特别是沿垂直方向的大气温度分布,决定着垂直方向的热力不稳定性和湍流的强弱。观测事实表明,随着季节和天气条件的不同,大气温度垂直分布有很大的变化。通过对我国安徽合肥地区整层(0～20km)大气温度的观测资料的分析,得到了大气温度的垂直分布廓线和统计特性模式误差廓线;大气折射率结构常数Cn^2是表示大气光学湍流强度的一个重要参量,但大气折射率的测量较为困难,因此通常先测量温度起伏量,再用平均的温度和气压来计算得到Cn^2。通过对温度和气压模式误差的分析,可以计算得到Cn^2结果的误差,重点分析大气温度分布特性及由此带来的模式误差,并讨论其对计算Cn^2的影响。     

受大气湍流影响的光学波前模拟方法研究

介绍了模拟自适应光学系统中受大气湍流影响的光学波前的四种方法，即基于Zernike多项式的K—L函数展开法、小波法、Fourier法以及ARMA法。分析比较了四种方法模拟精度和速度。结果表明，前两种方法不论是精度还是速度上都比较好，更适合湍流波前的模拟。     

计算海面激光反射特性的几何光学方法研究

研究了计算海面激光反射的几何光学方法。首先根据JONSWAP非稳态海谱模型数值模拟出二维随机粗糙海面,再采用几何光学方法对入射激光光束在海面上的反射光进行建模,最后计算出海面激光光斑反射光强的空间分布。编制了相关的计算机程序,分析了在不同入射角度和不同风速下的激光光束反射特性。计算结果表明该方法对研究二维随机粗糙海表面激光反射特性有一定参考价值。     

Acquisition Time for Ground-to-Satellite Optical Communication System in Weak Atmospheric Turbulence with Spatial Diversity

Abstract

In this article, various issues involved in a ground-to-satellite optical communication link (i.e., acquisition time, uncertainty area, and channel noise) are discussed. Acquisition time of a free-space optical link is evaluated for coherent (sub-carrier BPSK and QPSK) and non-coherent (OOK and -PPM) modulation schemes over weak turbulent channel with transmit diversity. In the analysis, both uncorrelated and correlated beams are considered. It is seen that an increase in transmit diversity order helps to improve the acquisition time, irrespective of turbulence strength in the atmosphere. At high correlation, a marginal change in acquisition time is observed with the increase in diversity order.