微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型

在微波遥感和卫星通信领域内，对流层湍流大气引起的信号闪烁现象的研究是至关重要的一个问题。引起接收信号闪烁的大气折射率起伏一般由大气结构常数(Cn^2来度量。根据ITU—R光波波段的Cn^2模型及ITU—R幅度闪烁标准偏差σχ的经验模型讨论了在微波波段影响Cn^2的主要因素；建立了微波波段的Cn^2模型。其优点是考虑了大气温度和湿度随高度的变化。根据湍流的幅度闪烁理论，在频率分别为12GHz，20GHz和30GHz时，用该Cn^2模型计算了σχ，并与ITU—R和Ortgies模型的预测结果进行了比较，结果表明一致性较好，说明该Cn^2模型是实用的。     

激光大气折射率结构常数测量实验与分析

在相距600 m的两地进行了静态激光大气传输实验,并对接收到的光强和光束到达角起伏进行记录.以每10min所记录的数据作为样本,计算出光强起伏方差和到达角起伏方差,并根据理论孔径平滑因子计算出点接收时的光强起伏方差,再分别根据光强起伏方差和到达角起伏方差计算出大气折射率结构常数.最后,得到一天之内大气折射率结构常数的变化曲线,并分析得出大气折射率结构常数在早晨和傍晚存在极小值.     

大气边界层折射率结构常数时间序列分析

在长期的大气光学湍流实际测量中发现,折射率结构常数本身也是起伏变化的,它不但有随太阳的升落而带来的日变化,在短时间内也会有较大的起伏和变化.本文对实际大气边界层测量的结果,用相关分析和谱分析的方法研究了大气折射率结构常数的时间序列.因为折射率结构常数表示的是大气光学湍流的强度,因此通过对折射率结构常数的分析,可以得到结构常数的特征时间尺度,加上风场的资料,可以得到边界层中湍流涡旋的特征尺度,了解大气光学湍流的间歇性.用这种方法分析了不同时间和几个不同高度上的特点,试图对大气光学湍流进行较全面的分析,为实际工程应用提供参考.(PG7)     

湍流影响下的近海面大气折射率剖面

海上近地层大气折射剖面是影响海上舰船雷达低空探测的主要因素,通常不考虑大气湍流的影响往 往导致雷达探测误差较大。基于海洋大气近地层相似理论,给出了利用近海面气象参数和海面温度确定平均大气折射指数和脉动折射率剖面的方法,建立了考虑湍流影响的近海面大气折射率剖面模型,并进行了数值模拟和初步的试验验证。建立的近海面大气折射率剖面模型对于近海面电波传播的准确预测和提高雷达系统的性能具有一定的指导意义。     

大气折射率结构常数Cn^2高度分布统计特性分析

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数,利用温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区（0-25km）折射率结构常数随高度的分布廓线,并对其进行统计矩和概率分布的分析,研究表明合肥地区大气湍流随高度分布基本符合对数正态分布,昼夜变化量约为0．8个量级,大气折射率结构常数Cn^2的概率分布存在昼夜差异,白天的Cn^2比夜间的Cn^2峰值要大2个数量级。     

大气折射率结构常数C2n高度分布统计特性分析

大气折射率结构常数C2n是表示大气光学湍流强度的一个重要参数,利用温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度的分布廓线,并对其进行统计矩和概率分布的分析,研究表明合肥地区大气湍流随高度分布基本符合对数正态分布,昼...     

闽西地区秋冬季节近地面大气折射率结构常数特性分析

分析了闽西地区近地面部分高度的折射率结构常数在部分月份的变化特点,结果表明:该地区的近地面折射率结构常数日变化具有较明显的局地特征;白天近地面折射率结构常数高度分布特点符合“-2/5”规律,夜间近地面折射率结构常数高度分布特点符合“-1/3”规律;在10～12月中,由于云量的影响,11月的湍流强度最弱,10月湍流强度最强;同高度条件下,晴天的折射率结构常数约是阴天的折射率结构常数2倍以上.     

近海面光学与微波波段大气折射率结构常数比较分析

大气湍流的变化影响红外和雷达波的传输,红外波段和微波波段在近海面受大气湍流的影响不同。折射率结构常数表征大气湍流强度,本文对近海面大气环境下的光波段和雷达波段传输的湍流强度做了理论计算和仿真分析,结果表明,在近海面气象条件下,各种光波长湍流强度比较接近,且大于微波波段湍流强度;光波段和微波波段湍流强度都随气海温差增大而增强。     

差分像移大气湍流廓线激光雷达的研制

大气折射率结构常数在自适应光学系统、天文观测以及大气湍流模型等研究领域都有着重要的意义。基于差分像移的大气湍流廓线的测量原理,研制了一套距离分辨的大气湍流廓线激光雷达。差分像移湍流廓线激光雷达相比传统湍流测量技术对仪器误差,比如震动和离焦不敏感,可以对目标进行实时的主动探测,并能够得到测路径上随距离分布的大气湍流廓线。介绍了差分像移湍流廓线激光雷达的基本原理与系统结构,利用该湍流廓线激光雷达进行了外场探测实验,探测距离信号发射点200~8 000 m的目标大气,距离分辨率为200~1 000 m,共13个采样点。采用50 Hz帧率的ICCD相机获取信号,每个采样点测量20 s,获得1 000张图像,计算出对应的差分像移,并进一步反演出对应的折射率结构常数,得到了大气湍流的距离分布廓线,最后对实验的结果与过程进行分析,验证了该激光雷达系统的功能性。     

用光纤准直耦合光路测量大气光学湍流

阐述了利用光纤准直器对组成的耦合光路的附加损耗产生的机理,证明大气湍流运动可引起该光路的附加损耗发生随机变化。根据湍流大气光传播原理,推导出了耦合光功率与光路参数和湍流参数关系式。分析表明：实际湍流大气造成的随机附加损耗主要取决于湍流强度。实验验证了利用该光路可在很短的空气间隙内获得湍流强度的变化信息。     

一种基于超短基线干涉仪的大气湍流参数测量算法

目前，对流层大气湍流造成的随机变化的相位误差已严重影响了高频段深空测控通信系统的工作性能.为了量化湍流强度，基于超短基线干涉仪系统接收的地球同步卫星信号，统计信号干涉相位的标准偏差，结合经典的Kolmogorov-Obukhov"2/3"扰动理论和随机场理论建立了大气湍流参数计算模型，实时获取表征湍流强度的物理量:大气折射率结构常数C_n2.分别在郑州、杭州进行了连续多天的晴天、雨天相位观测试验，利用试验数据计算C_n2，并利用气象探空数据经验模型进行了验证.试验数据计算结果显示:C_n2在郑州晴天的正午前后要明显高于早晨和傍晚，而在杭州雨天则没有明显的规律性.C_n2在10-15~10-13的数量级范围变化，与经验模型计算的结果相吻合，验证了算法的合理性和准确性.     

Optical array receiver for communication through atmospheric turbulence

An optical array receiver concept is developed and analyzed. It is shown that for ground-based reception, the number of array elements can be increased without incurring performance degradation, provided the array telescope diameters exceed the coherence-length of the atmosphere. Maximum likelihood detection of turbulence-degraded signal fields is developed for the case of pulse-position modulated signals observed in the presence of background radiation. Performance of optical array receivers is compared to single-aperture receivers with diameters ranging from 4 to 8 m, both in the presence of turbulence and in a turbulence-free environment such as space. It is shown that in the absence of atmospheric turbulence, single-aperture receivers outperform receiver arrays when significant background radiation is present. However, it is also demonstrated that for ground-based reception of deep-space signals, the number of array elements can be as great as several thousand without incurring any performance degradation relative to a large single-aperture receiver.     

Photoelectric restoring system for images degraded by atmospheric turbulence

The information content of any picture is limited by the resolution of the system which is involved in the image processing. For astronomic observation, the actual resolution is not usually limited by the diffraction limit of the telescope, but rather by viewing effects through the turbulent atmosphere. The interaction of turbulent air with the image-transmission and -detection system results in a decrease of the information content. Although the reduction of information content cannot be compensated for by any device, it is possible, however, to increase the information which is extractable by the human eye-brain system.     

适用于大气弱湍流信道的自适应码率极化码

为了提高光通信链路在大气弱湍流信道下的解码性能和传输效率,基于极化码的信息位嵌套特性,设计了一种自适应码率极化码。该码字在弱湍流信道中能充分地极化,纠错效果较好。为了调节码率,引入CRC校验码作为发送端的停止标志,逐次发送更低码率的码字直到译码结果通过校验,此时的码字码率即是保证可靠传输的最大码率。不同湍流强度下的仿真结果表明,在误帧率为10-8时,相比传统极化码,自适应码率极化码可以获得1.7~2.3 dB的性能增益。对自适应码率极化码的时延进行了仿真分析,并结合误帧率得到了自适应码率极化码的信息吞吐率,结果表明,在弱湍流信道中,自适应码率极化码的信息吞吐率能满足FSO的传输需求。     

Fluctuations of a focused beam wave for atmospheric turbulence probing

This paper demonstrates that a focused beam wave may be effectively used to probe the atmospheric turbulence. Unlike plane and spherical waves, the focused beam has two parameters, i.e., the beam size and the radius of curvature of phase front at the aperture which may be easily varied experimentally. General formulations for the amplitude and phase correlation functions and structure functions of a focused beam wave are given including the effects of wind velocity and time delay. The effects of the beam size and the focal length on the spectral and spatial filter functions and temporal frequency spectrum are examined in detail including the effects of separation, wind velocity, and time delay. Using these functions, procedures are shown to probe the form of the spectral density of the index of refraction, the structure constant, and the wind velocity along the path.     

大气扰动对深空通信天线组阵性能的影响

利用单站GNSS精密单点定位原理(Precise Point Positioning, PPP)解算天顶方向的对流层大气天顶延迟, 并对其一天内的变化进行统计平均, 结合经典的Kolmogorov-Obukhov“2/3”扰动理论和随机场理论, 基于对流层天顶延迟与大气折射率的时变相关性获得大气结构常数C_n, 并分析了不同大气扰动强度下的二元天线阵大气相位误差.通过计算我国北京、上海、昆明、乌鲁木齐四个甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)深空站处不同时间的C_n2, 评估各站点大气环境的扰动特性对X/Ka频段天线阵系统工作性能的影响, 统计结果表明:除了北京、乌鲁木齐站在1月份的相位误差相对较小外, 各站其他时间在Ka频段的相位误差大多数达到25°以上, 北京的7月和上海的4月甚至高达50°以上, 会严重降低天线阵信噪比合成性能, 影响地面站与深空探测器之间的大容量通信.     

大气湍流对拉盖尔-高斯光束传播质量的影响

为了从系统的角度研究大气湍流对涡旋光束传播 质量的影响,根据广义惠更斯-菲涅尔积分和Kolmogorov湍流大气原理,利 用傅里叶光学分析方法和光束分步传播法对携带有轨道角动量(OAM)的 拉盖尔-高斯(LG)光束在湍流大气中的传播进行理论分析与数值仿真, 导出角谱形式的衍射模型及其对应的抽样限制条件。利用桶中功率(PIB,power in bucket)计算方法,分析湍流强度对不同OAM值的LG光束质量的 影响;引入高斯光束和点光源,对比评估典型光束的抗湍流能力。数值仿真结果表明:受大 气湍流影响,随着LG光束在湍流大气 中传播距离增加,光束会聚能力变弱有明显扩散;光束本身特有的环状光强分布及其相应的 相位分布都受到不同程度的破坏,损伤 程度与光束本身携带的OAM数有关;点光源对湍流的影响最为敏 感;高斯光束具有与小OAM值的LG光束相比拟的抗 湍流能力,且比大OAM数的LG光束有更强的抗湍流能力。