实际大气中闪烁指数测量的数据处理

在闪烁指数定义的基础上,综合考虑背景光噪声、探测器固有噪声和散粒噪声等影响闪烁指数测量精确度的因素,修改了测量系统的数学模型,并对现有数据处理方法做出改进。在1 km距离上进行了激光水平传输实验,分别采用了现有方法和改进方法处理实验数据,并对获取的3种闪烁指数进行了比较。实验结果显示：修改后数学模型相比现有模型更符合实测值;相比系统本底噪声,探测器散粒噪声要高出一个数量级,将会严重影响测量准确度;在信噪比有较大波动的条件下,改进方法受到的影响小于现有方法;在信噪比较低时,改进方法的准确度优于现有方法。     

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。     

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。     

斜程大气湍流中激光回波的闪烁指数

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R大气折射率结构常数模型,考虑内尺度及从发射机到目标和从目标到接收机双斜程路径影响的条件下,应用修正Hill湍流折射率起伏功率谱,对反射器目标激光回波闪烁指数进行了研究。推导了回波闪烁指数随菲涅耳率的变化关系,数值分析了不同内尺度、传输距离、激光波长以及目标高度对回波闪烁指数的影响。结果表明：内尺度和目标高度对回波闪烁指数的影响要远大于波长和传输距离的影响。     

实际大气中激光闪烁的概率分布

根据湍流大气激光对数强度的最低几阶中心矩建立了一种最大似然概率分布模型,该模型可以方便和准确地描述实际概率分布,根据实验结果分析了激光地数强度的概率分布的偏斜度和陆峭度的特征。发现在弱起伏条件下,对数强度的概率分布一般接近于正态分布,当偏离正态分布时,概率密度分布的偏斜度总为负,陆峭度总是为正。     

斜程大气湍流中激光回波的闪烁指数

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R大气折射率结构常数模型,考虑内尺度及从发射机到目标和从目标到接收机双斜程路径影响的条件下,应用修正Hill湍流折射率起伏功率谱,对反射器目标激光回波闪烁指数进行了研究。推导了回波闪烁指数随菲涅耳率的变化关系,数值分析了不同内尺度、传输距离、激光波长以及目标高度对回波闪烁指数的影响。结果表明:内尺度和目标高度对回波闪烁指数的影响要远大于波长和传输距离的影响。     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

 理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

激光在湍流大气中传输的闪烁系数及其测量

理论研究了激光光束经过湍流大气后闪烁系数的变化规律,以ARM7的嵌入式系统构建数据采集模块,在采集激光光强因为大气湍流影响而变化的数据的基础上对存储的数据使用闪烁系数数学模型进行运算,运算结果通过网络传输,由PC端的界面显示变化曲线,从而了构造一个可以感测大气湍流的远程探测系统。用转动的相位板模拟湍流大气,利用所开发的测试系统测量激光光束通过湍流大气后的闪烁系数。实验结果显示高斯光束在湍流大气中的闪烁系数随传输距离的增加而增大,与理论模拟结果基本相符。由此可见该系统工作可靠稳定,可实时测量激光光束经过湍流大气的闪烁系数。     

部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数

实验测量了不同空间相干度的部分相干光在实际大气湍流中传输的闪烁指数。结果表明:随着入射光空间相干度的降低,闪烁随光传输距离增长而增加的趋势变得缓慢,甚至出现减小的情况。此外,与完全相干光的闪烁指数随着径向距离的增加而增加不同,部分相干光的闪烁指数沿着光斑径向距离的增加不一定增加,而有可能出现降低。相干度越低,该效应越明显。     

部分相干光在大气湍流中传输的闪烁指数

实验测量了不同空间相干度的部分相干光在实际大气湍流中传输的闪烁指数。结果表明：随着入射光空间相干度的降低,闪烁随光传输距离增长而增加的趋势变得缓慢,甚至出现减小的情况。此外,与完全相干光的闪烁指数随着径向距离的增加而增加不同,部分相干光的闪烁指数沿着光斑径向距离的增加不一定增加,而有可能出现降低。相干度越低,该效应越明显。     

Scintillation index of optical wave propagating in turbulent atmosphere

A concise expression of the scintillation index is proposed for a plane optical wave and a spherical optical wave both propagating in a turbulent atmosphere with a zero inner scale and a finite inner scale under an arbitrary fluctuation condition. The expression is based on both the results in the Rytov approximation under a weak fluctuation condition and the numerical results in a strong fluctuation regime. The maximum value of the scintillation index and its corresponding Rytov index are evaluated. These quantities are affected by the ratio of the turbulence inner scale to the Fresnel size.     

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.     

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。     

Irradiance scintillation index for Gaussian beam based on the generalized anisotropic von Karman spectrum

Experiments and theoretical investigations have shown that the atmosphere turbulence exhibits both anisotropic and non-Kolmogorov properties. In this paper, based on the anisotropic generalized von Karman spectrum and the Rytov approximation theory, new expression for the irradiance scintillation index of optical waves is derived for Gaussian beam propagating through weak anisotropic non-Kolmogorov turbulence. Compared with previously published results, it considers simultaneously the asymmetry property of turbulence cells or eddies in the orthogonal xy-plane, the general spectral power law in the range 3–4 instead of constant value of 11/3 for the Kolmogorov turbulence, and the finite turbulence inner and outer scales. Two anisotropic factors are introduced to parameterize the anisotropy of turbulence cells or eddies in horizontal and vertical directions. In the special cases of these two anisotropic factors equaling one and the finite turbulence inner and outer scales equaling separately zero and infinite, the derived expression can reduce correctly to the previously published results. Calculations are performed to analyze the derived results.