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。     

用常规气象参数估算光学湍流廓线方法的比较

 采用美国SPARC数据中心提供的高分辨率无线电探空数据,运用Tatarski公式,对由外尺度或湍流能量耗散率结合常规气象参数估算的折射率结构常数结果进行了比较,间接证明了Sterenborg将外尺度选取1 m时的合理性。并比较了Coulman和Dewan两个外尺度经验公式估算的折射率结构常数。对比分析表明：利用外尺度或湍流能量耗散,结合常规气象参数,都能够估算出折射率结构常数。因湍流能量耗散率观测十分困难,该方法的合理性和代表性需待实验检验。Coulman的外尺度公式只是简单的经验公式,其普适性也需实验检验。而Dewan的外尺度公式中含有实测风速参数,由对流层和平流层不同区域的外尺度公式估算的折射率结构常数相对合理。     

雪面上光学湍流的测量与估算

 用合肥35 m铁塔测量系统,测量了2008年1月28 日至2月1日雪面上折射率结构常数,并用bulk方法和涡旋相关法估算了折射率结构常数,给出了大气层结稳定条件下的相似函数。结果表明：实验期间,大部分时间雪面上大气处于近中性和稳定状态;采用该相似函数,bulk方法和涡旋相关法估算的折射率结构常数与实测结果一致性很好;雪面上折射率结构常数也存在一定的日变化,但与草坪、海洋、沙漠等下垫面相比小1~2个量级,变化范围为1.9×10^-16~1×10^-14 m^-2/3。     

戈壁地区近地面折射率结构常数统计特性分析

利用温度脉动仪对大气折射率结构常数进行测量,通过在铁塔上不同测量高度架设温度脉动仪,对戈壁地区近地面层开展长期连续测量。从各测量高度折射率结构常数的累积概率、偏度与峰度、季节变化、高度经验关系等四个方面对大量实验数据统计分析,结果表明:测量地区大气折射率结构常数白天和夜间的累积概率以18m为区别界限,表现出明显的不同;所有测量高度折射率结构常数的概率分布均表现出右偏、平峰特性;季节变化对低层折射率结构常数的影响更为明显;测量地区折射率结构常数随高度变化的经验公式表明,白天折射率结构常数随高度递减接近"-2/3"指数,夜间折射率结构常数的高度变化则是表现出层次性,低层折射率结构常数随高度递减接近"-0.16"指数,而高层变化则接近"-1.05"指数。     

利用闪烁和漂移效应测量大气折射率结构常数的对比分析

 在近海面大气边界层中进行了1 km路径的水平光传输实验，结果表明：利用闪烁和漂移效应推导的大气折射率结构常数之间存在着较大的差异。定量的理论分析揭示了两者不一致的原因在于：闪烁效应主要对路径中部的小尺度湍涡敏感，漂移效应则对发射端附近的大尺度湍涡敏感；随着内尺度变大，漂移效应测量的折射率结构常数将大于闪烁效应测量的折射率结构常数，当内尺度达到20 mm时，前者的测量结果是后者的3倍；当外尺度变小时，漂移效应的测量结果小于闪烁效应的测量结果，当外尺度仅为1 m时，前者的测量结果为后者的1/2；大气折射率3维功率谱的幂律的变化对测量结果的影响非常大，当幂律大于-11/3时，闪烁效应测量的折射率结构常数大于漂移效应测量的折射率结构常数， 最大差异接近于25倍， 当幂律小于-11/3时，漂移效应的测量结果大于闪烁效应的测量结果，两者的差异甚至可达两个量级。     

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。     

近海边高空光学湍流的探空测量与模式比较

 用自行研制的探空仪测量了近海边高空湍流廓线。探空气球携带微温传感器以4 m·s-1速度上升至20 km测量大气湍流，微温传感器附加在59型气象探空仪上，可同时测量垂直空间分辨率为30 m的气压、温度和湿度以及折射率结构常数。运用Tatarskii公式计算了高空湍流外尺度，分析了边界层湍流和自由大气层湍流特征。与AFGL AMOS模式、Hufnagel模式以及北京天文台兴隆站的探空拟合曲线进行的比较发现，海边测量的高空湍流强度比其它模式大2个量级，折射率结构常数随高度从表面层较大值以近似相同的递减率缓慢地减小，对流层顶附近没有出现较强的湍流区，外尺度测量值小于30 m，并得到外尺度的拟合曲线。     

两种估算近海面大气光学湍流强度方法的比较

选取随船观测的三亚地区2016-01-06至2016-01-09连续4天的折射率结构常数C_n~2及温度、风速、相对湿度三种常规气象参数,基于后向传播神经网络和逐步回归理论,分别建立两种模型并对C_n~2进行了连续3天的估算。结果显示,两种模型估算的结果在变化趋势及量级上均符合近海面光学湍流的一般特征和变化规律,并且可以表现出C_n~2的基本日变化特征,整体相关系数分别为0.8661和0.8496。选取了平均绝对误差、平均相对误差、均方根方差以及相关系数等统计量来衡量估算结果。分析表明,两种模型均能准确地估算出近海面的C_n~2,但在夜间弱湍流发生时估算值略高于测量值。为进一步提高估算的准确度,需要改进模式在夜间的估算效果。     

常规气象参数估算南极泰山站近地面大气光学湍流强度

选择最好的天文台址放置大口径望远镜一直是天文学家追求的目标.天文台址的选择与近地面层湍流强度大小以及随高度递减的快慢密切相关.与中纬度最好的天文台站相比,南极大陆具有极低的红外天空背景辐射、极低的可降水含量、极低的气溶胶和尘埃颗粒物含量、非常小的光污染、晴天日数多,无疑成为下一代大型光学/红外天文望远镜在地球上寻找地基站址的理想场所.本文建立了光学湍流强度估算方法,第一次对南极泰山站近地面大气光学湍流强度进行估算.模式输入的气象参数是2013年12月30日至2014年2月10日移动式大气参数测量系统在南极泰山站测量的数据,折射率结构常数C_n~2的估算结果与温度脉动仪实测的C_n~2进行了比较,并对估算方法进行了敏感性分析.测量结果和分析表明:南极内陆近地面C_n~2具有明显的日变化特征,夜晚C_n~2达2×10~(-14)m~(-2/3),比白天强,日出和日落时刻附近出现最小值.C_n~2的模式估算和实验测量的比对表明了模式用来估算南极近地面C_n~2的可行性.C_n~2的模式估算和测量差异最大值往往出现在日出和日落时刻附近.由于南极内陆大气大部分时间处于稳定状态,选用不同的结构常数函数估算的C_n~2值差别不大,0.5 m,2.0 m两高度温差测量精度是影响C_n~2估算值的主要因素.     

焦距法测试自聚焦透镜折射率分布常数

本文介绍了一种测量自聚焦透镜折射率分布常数的方法─—焦距法，并进行了原理公式推导，和精度分析，其测量不确定度为±１×１０￣（－３）；其次，简要地介绍了实验方法。实验结果证明了焦距法是测量自聚焦透镜折射率分布常数的简单实用的方法，它具有装置简单、数据处理也不复杂的特点，是一种非破坏性的测试方法。     

一维大气边界层光学折射率结构常数的数值模式

 提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。通过解大气边界层风速、位温度、绝对湿度预报方程,表面热平衡方程和土壤热传导方程，得到地表温度、表面层的动量通量、显热通量和潜热通量。再由Monin Obukhov相似理论，从湍流通量和温度结构常数的经验关系计算出折射率结构常数。     

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。     

一维大气边界层光学折射率结构常数数值模式的实验检验

提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。一次输入日期、时间、经纬度、温度、湿度、风速、粗糙度、土壤参数，云量等相关参数，可得到24h内的温度、湿度、风场、折射率结构常数等量。通过与实测对比表明，无论是月平均折射率结构常数还是某天的折射率结构常数，模式计算与实测数据都符合得很好。模式计算的向下总辐射量与实测数据基本一致。     

一维大气边界层光学折射率结构常数数值模式的实验检验

 提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。一次输入日期、时间、经纬度、温度、湿度、风速、粗糙度、土壤参数，云量等相关参数，可得到24h内的温度、湿度、风场、折射率结构常数等量。通过与实测对比表明，无论是月平均折射率结构常数还是某天的折射率结构常数，模式计算与实测数据都符合得很好。模式计算的向下总辐射通量与实测数据基本一致。     

湿度起伏对可见光波段折射率结构常数的影响

大气折射率起伏主要是由温度和湿度起伏引起的。提出一种研究湿度起伏对折射率结构常数影响的新方法,即从超声风速计测量的虚温信号中提取出湿度起伏的信息,可计算出湿度起伏、温湿相关项的结构常数。采用自行研制的温度脉动仪和超声风速计分别在湿度差异较大的干燥的戈壁滩和潮湿的海边进行实验,并用实验时的气象参量对湿度起伏进行了模式计算。测量和模式计算都表明：湿度起伏本身对Cn^2的贡献很小,可忽略不计,湿度起伏对Cn^2的影响主要是通过与温度起伏相结合来实现的,在一般情况下,这种贡献不到10％。但在湿度较大,特别是日落前Cn^2处于最小值附近,温湿相关项的贡献可超过10％。     

An electromagnetic parameters extraction method for metamaterials based on phase unwrapping technique

Abstract

A new method of extracting effective permittivity and permeability of metamaterials has been developed in this paper. Scattering parameters are used to represent effective wave impedance and refractive index of the metamaterials. Considering analytical continuation of effective refractive index of the metamaterials in the upper half of a complex angular frequency plane, a phase unwrapping technique has been implemented to solve branch ambiguity of the refractive index caused by complex inverse cosine function. An empirical formula to estimate the starting frequency in the phase unwrapping technique has been developed to improve the efficiency of the parameter retrieval procedure. Numerical results including five slabs of rods and split-ring resonators (SRRs) and a structure composed of two SRRs and four capacitively loaded strips are given to demonstrate good accuracy, high efficiency, and noise insensitivity of the proposed retrieval method.