近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究

本文提出了基于光纤湍流传感器阵列的大气光学湍流空间相关函数测量原理, 并确定了具体的测量方案和数据统计方法. 利用光纤湍流传感器阵列在近地面开展了大气光学湍流空间相关特性的实验测量研究, 尽可能全面地展示光学湍流空间相关函数的各种形式. 结果表明, 大气光学湍流的一维空间相关函数主要表现为两种结构形态, 其一, 58.7%基本符合各向同性湍流空间相关函数模型, 其相关函数在一定尺度范围内呈现随尺度的增大而减小的趋势, 当超过该尺度时, 相关系数接近于0; 其二, 另有37.9%表现为与尺度无关, 相关系数维持在0附近小幅度随机振荡. 不难发现:光学湍流的空间相关特性主要取决于湍流的强弱和湍流是否得以充分发展, 同时, 湍流的相干结构将引起空间相关函数的小幅度振荡. 以空间布点探测直接获取光学湍流空间相关函数的方法, 不仅为分析湍流空间结构奠定了实验基础, 同时, 也为进一步建立非K湍流模型提供了理论开端.     

复杂地形近地面光学湍流

 本文分析了合肥一水库边,近地面大气折射率结构常数Cn₂的观测结果。表明Cn₂的水平分布和时间变化和气象条件有关,是近地面热量平衡变化的结果。由于大面积大热容量水体的存在,使Cn₂的变化有复杂多样的特点。文章得到了用气象要素,即气温、云量加上太阳高度分别估算近湖面和近地面Cn₂的经验公式。提出了估算复杂地形Cn₂的方法。     

复杂地形近地面光学湍流

本文分析了合肥一水库边,近地面大气折射率结构常数Cn2的观测结果。表明Cn2的水平分布和时间变化和气象条件有关,是近地面热量平衡变化的结果。由于大面积大热容量水体的存在,使Cn2的变化有复杂多样的特点。文章得到了用气象要素,即气温、云量加上太阳高度分别估算近湖面和近地面Cn2的经验公式。提出了估算复杂地形Cn2的方法。     

基于人工神经网络的近地面光学湍流估算

通过构建人工神经网络模型估算中国西北高原地区近地面光学湍流。对多层感知器(MLP)的结构进行优化,其输入层包括10个特征,隐含层包括40个神经元。探讨已建多层感知器的性能,结果表明:当训练集和测试集来自同一地区时,模型的平均相对误差为1.34%,折射率结构常数的实测值和估计值的拟合优度为0.94;当训练集和测试集来自不同地区时,多层感知器的泛化能力需进一步提高。     

近地面大气光学湍流外尺度的实验研究

分析了含有外尺度的Von-Karman湍流空间相关函数模型, 并利用光纤湍流空间传感阵列的实测数据, 根据拟合算法获得了大气光学湍流空间外尺度的值及日变化, 对模型的适用性进行了实验验证. 将空间相关函数理论与空间多点同步测量的数据相结合, 尽可能清晰地展现了几种适合用相关函数描述的湍涡尺度. 结果表明, 在1.8 m的草地上, 大气光学湍流的外尺度呈现出白天较大、夜间较小的日变化趋势, 正午前后均值约为0.44 m, 夜间约为0.3 m. 有三点需要说明: 其一, 当两点间距恰好等于外尺度时, 其空间相关系数为0.26, 当两点间距超过外尺度之后, 仍具有一定的相关性; 其二, 积分尺度代表了湍涡尺度的平均值, 该值略小于外尺度; 其三, 湍涡的最大尺度所对应的湍流空间相关性为0, 其值略大于外尺度. 不难发现: 湍涡三种尺度的日变化与湍流强度的日变化趋势非常相似. 以空间布点探测的方法获取湍流特征尺度, 结果直观, 而且能够直接验证湍流空间相关函数模型, 所以可在一定程度上促进湍流空间结构特性的研究.     

近地面大气湍流对自由空间量子通信性能的影响

为了研究近地面大气湍流对自由空间量子通信的影响,基于近地面大气湍流的Tunick模型,得到湍流气象参数与量子信道纠缠度之间的关系,针对量子退极化信道和幅值阻尼信道,建立湍流气象参数与信道容量之间的方程,分析湍流对量子信道利用率的影响,并进行性能仿真.结果表明:当压强为100kPa,风速为2m/s,温度为25℃,相对湿度分别为0.2和0.6时,量子信道的纠缠度分别为0.27和0.18,退极化信道容量分别为0.951 6和0.946 5,幅值阻尼信道容量分别为0.439 0和0.422 7,量子信道利用率分别为0.42和0.37.量子通信信道的各种参数与近地面大气湍流的气象参数有紧密联系,根据近地面大气湍流的气象参数,自适应调整量子通信系统的各项参数,可以提高量子通信的可靠性.     

小波分析在近地面湍流相干结构研究中的应用

基于频域小波分析方法研究了大气湍流相干结构特性,采用Mexican Hat小波函数分析了近地面风速脉动数据资料。根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式提取相干结构波形。结果表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,它反映了原始脉动信号中某个中间尺度上的运动,两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好地解释湍流的多尺度性和间歇性,反映了湍流相干结构的演变过程。在分析时间段内对风速相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布。     

近地面层大气非Kolmogorov湍流特征参数测量

分析了2011年1月13日至17日超声气温时间序列数据,不仅采用结构函数和谱分析方法得到了Kolmogorov结构常数C2n,而且提出了非Kolmogorov湍流特征参数测量方法,获得了非Kolmogorov谱幂率α、广义折射率结构常数珟C2n以及等效折射率结构常数珚C2n等测量结果。结论如下:1)实验期间一维温度谱幂率在-1.9-α1-1.5范围内的频数为77.9%,弱湍流时谱幂率与Kolmogorov-5/3谱相比偏平;2)单点温度结构函数法和单点温度频谱法测量C2n差别不大;3)C2n和珟C2n量级和变化趋势基本一致,差别主要体现在弱湍流时C2n比珟C2n小,往往发生在谱幂率偏平的时段;4)珟C2n与珚C2n量级和变化趋势基本一致,差别主要体现在珚C2n有一些起伏,且与给定波长λ和传输路径长度L的选取有关。     

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。     

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。     

近壁区湍流脉动压力相关项的理论模型

提出在湍流边界层近壁区采用三维波的理论模型描述湍流相干结构,根据理论模型计算了Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力输运方程中的脉动速度与脉动压力梯度的相关项,理论计算结果与直接数值模拟（ＤＮＳ）符合很好。表明该理论方法不仅有益于对湍流机制的了解,而且可能为湍流的近壁模型化开辟一条新的途径。     

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.     

近壁湍流的降阶模型及应用

由条带和流向涡的循环再生构成的近壁自维持过程(self-sustaining process, SSP)是壁湍流产生和维持的重要机制. 文章通过对最小槽道的直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)获得近壁自维持过程的流场数据, 采用正规正交分解法(proper orthogonal decomposition, POD)对该数据进行分析, 获得了不同流向和展向尺度的特征模态, 通过将Navier-Stokes方程在这些模态上进行投影, 得到近壁自维持过程的降阶模型, 并采用DNS数据对降阶模型的预测能力进行了评价. 该模型被初步应用于大涡模拟近壁模型的构造.      

近海平面大气湍流对光波传输影响的数值模拟

针对近海平面大气湍流的特点,采用多相位屏法,对平面波在不同湍流强度下的近海平面的传播进行了数值模拟。对最终的能量分布与在真空中传播相同距离的传播结果进行了比较。结果表明,湍流对光波强度的影响显著,且湍流强度越大,光波强度起伏越大。     

大气湍流随机相位差的相关解调算法研究

根据大气光学湍流的光纤干涉测量技术原理及其信号表现形式,针对湍流相位变化的随机性和复杂性,提出了能够实时解调湍流随机相位差的相关解调算法,数值模拟了固定相位差、波形相位差以及符合湍流频谱特征的随机相位差的解调.结果表明,此算法的绝对误差小于10-3,满足湍流测量的要求.该研究为实现光学湍流相位差的动态检测提供了必要的理...     

海洋湍流中光学成像相关问题研究

比较研究了海洋湍流与大气湍流中长曝光调制传递函数的差异,讨论了海洋湍流中短曝光调制传递函数(SEMTF)的适用性,并且详细研究了海洋湍流参数对系统分辨率的影响。研究表明:海洋湍流中温度起伏占主导地位比盐度起伏占主导地位时的成像质量更高,即包含更多原图像的高频细节。虽然用Fried短曝光理论研究SEMTF时在高频区存在缺陷,但随着透镜直径与空间相干长度之比以及光传输距离的增大,SEMTF在高频区的适用性增强。此外,随着海水功率谱温度与盐度的比率和海水温度方差耗散率的增大,海水单位质量湍流动能耗散率的减小,海洋湍流中光学系统的分辨率减小,即成像质量变差。     

近海面大气湍流中准直光束漂移特征的实验研究

光斑漂移是光束在湍流大气中传输时的一个重要效应。利用CCD成像技术在烟台地区近海面进行了准直高斯光束传输实验,并在实测数据的基础上,分析得到了近海面准直高斯光束的漂移特性。研究结果表明:水平漂移幅度大于垂直漂移幅度,对于1.21 km近海面路径而言,前者介于5.25~10.69 mm之间,后者介于4.45~8.59 mm之间,两者之比的平均数为1.33,小于其他环境下聚焦光束的比值,随着传输距离的增加,它们之间的差异逐渐缩小,夜间时段的比值大于白天时段的比值,并且近海面不同时段的光束漂移幅度差别较小。此外,还对测试期间的大气折射率结构常数进行了简要分析。     

可压缩均匀湍流中颗粒对湍流调制的数值研究

本文采用欧拉-拉格朗日点源方法对颗粒调制可压缩均匀各向同性衰减湍流进行了直接数值模拟,颗粒和流场之间通过双向耦合相互作用,初始湍流马赫数达到1.2,研究了不同密度(St_0)颗粒对湍流调制的影响,轻颗粒(St_0=0.1)略微增强流体的湍动能和旋转运动;临界颗粒(St_0=1.0)也增强流体的旋转运动;而重颗粒(St_0=5.0)则会削弱流体的湍动能和旋转运动。对于流场的可压缩性,颗粒由于其惯性都会削弱可压缩性,并且颗粒越重,削弱越强。