洛伦兹光谱线型的高层大气风场被动探测原理分析

通过探测高层大气中气辉(极光)辐射线的多普勒频移,可以反演出高层大气中的速度、温度和压强等物理量。以高层大气中的极光(原子氧跃迁所辐射的两条主要谱线)为被探测源,对于洛伦兹光谱线型高层大气风场的探测原理和方法进行了研究;给出了基于洛伦兹光谱线型高层大气的速度场、温度场和压力场的分布规律和理论计算公式;采用计算机模拟,描绘了洛伦兹光谱线型风场的误差曲线,表明了洛伦兹光谱线型在高层大气风场探测中占有相当重要的地位。     

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。     

高层大气风场洛伦兹光谱线型粒子辐射率探测研究

以高层大气中的极光谱线为被探测源,提出了一种高层大气(80—300km)风场洛伦兹光谱线型的粒子辐射率被动探测的新原理.采用该原理不仅可获得高层大气风场的速度、温度和压强信息,更重要的是还能同时探测到高层大气中辐射粒子体辐射率,解决了目前高层大气风场研究中只能探测高层大气风场速度、温度和压强却不能获知粒子的体辐射率的问题.给出了基于洛伦兹光谱线型的辐射源粒子体辐射率、大气风场速度、温度和压强的理论计算公式.采用计算机模拟对探测误差进行了分析,给出了体辐射率、风场速度、温度、压强的误差分布规律,为进一步丰富和完善高层大气风场探测提供了理论依据和实验基础,对航空航天、空间探测、环境保护、国家安全和国民经济建设都具有重要的科学意义和广阔的应用前景.     

差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究

差分吸收激光雷达回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系统的基础,但是现有的统计模型中均没有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响。针对已有统计模型的缺陷和应用需要,综合考虑了大气湍流导致的激光闪烁、目标反射斑纹、接收噪声以及发射功率波动对回波信号统计特性的影响,提出了一种改进的长程差分吸收激光雷达回波信号统计模型,分析了该模型的统计特性。仿真结果表明大气湍流导致的激光闪烁对回波信号统计特性的影响十分显著,同时也验证了该统计模型比已有统计模型更精确、更符合实际。     

新型遥感探测系统——白光激光雷达

 设计了一种新型的大气遥感探测系统——白光激光雷达,发展了一种雷达模式的宽谱范围长程差分吸收光谱探测方法。介绍了白光激光雷达系统结构和时间分辨光谱探测技术;阐述了飞秒激光在大气中自导光丝传输和产生的超连续白光的特性;利用该白光激光雷达系统对大气中氧气成分在685~694 nm和759~769 nm范围的长程差分吸收光谱进行了探测,并与Hitran数据库拟合计算的标准值进行比对,结果一致,验证了白光激光雷达遥感探测系统的正确性和实验方法的可行性。     

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。     

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。     

激光二极管光束在各向异性非柯氏大气湍流中的传输质量

以厄米-高斯混合模形式描述激光二极管光束的分布,利用光束二阶项矩阵进行计算,研究了光束束宽与光束传输因子之间的关系,并对各向异性大气湍流中广义指数和各向异性系数对光束传输因子的影响进行了分析。结果表明,对于不同的湍流强度,均存在不同的束宽使得光束传输因子最小。此外,大气湍流模型中各向异性系数的增大使得大气湍流对光束传输因子的影响相应减小。通过二维光束质量轨迹图的仿真,证实了各向异性系数对光束传输因子轨迹的影响将随着传输距离的增大变得更加明显。所得结果将有利于大气光传输理论的发展,并对大气光通信、激光雷达探测等应用有着重要意义。     

激光雷达信号大气衰减效应

激光雷达信号在大气中传输时,大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨等对激光信号的吸收和散射导致光信号能量的衰减是影响激光雷达信号传输的重要因素。另外,由于大气密度分面目 不均匀导致激光沿光路上的折射,大气湍流效应导致光束横截面上能量分布起伏、光束扩展和漂移等,这些对激光雷光信号的传输产生一定的影响。本文对激光在大气中传输的各种能量衰减机制进行分析和讨论,为激光雷达系统的设计提供理论依据。     

差分像移湍流廓线激光雷达测量误差分析

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上,经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式,提供了定量分析和改进系统性能的基础:在系统参数确定后,通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果,测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时,由于接收到的光子信号很强,光斑质心计算误差的影响很小,此时样本统计误差起主导作用;随着距离的增加,光斑质心计算误差的影响越来越大。     

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.     

IPDA激光雷达数据反演快速精确优化算法

研究了积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达中采用洛伦兹线型代替伏格特线型对机载平台探测CO₂柱浓度精度的影响。建立仿真模型,讨论两种线型在数据反演中对温度和气压的敏感性,以及探测相对误差变化随飞行高度的变化。结果表明：伏格特和洛伦兹线型得到的吸收截面,温度和气压敏感性,相对随机误差分别为0.860%,-0.703%和0.224%,基本没有差别,但是洛伦兹线型可以有效地提高光谱参数计算效率。机载IPDA激光雷达采用洛伦兹线型可以快速高精度反演飞行路径上CO₂柱浓度,降低了对系统计算能力的要求,有助于实现在飞期间数据实时反演和分析,以及实施针对突发事件的飞行规划,同时也有助于进一步实现机载激光雷达系统的小型化和集成化。     

激光传输大气参量测量精度要求的数值分析

 就激光大气传输湍流热晕相互作用下大气参量测量误差对激光传输效果（平均功率密度）的影响进行了数值分析,并以典型的激光传输条件为例,分析了对激光大气传输影响最为敏感的3个大气参量——风速、吸收系数以及湍流结构常数的测量精度要求。综合不同传输距离下大气参量测量误差对传输效果的影响,大气风速的测量精度要求为±10%,吸收系数及湍流结构常数的测量精度要求分别为±5%和±15%。     

基于相关计算的激光雷达二维风场探测

提出了一种基于相关计算的激光雷达三光束二维风场反演方法。三束激光从同一平面发射,通过计算三束激光时间序列上的回波信号相关性反演二维风场信息。详细阐述了三光束二维风场反演方法的原理和计算过程,基于此方法搭建了相关二维测风激光雷达系统,实现了30 m距离分辨率和1 s时间分辨率的二维风场探测。分析了系统中激光雷达夹角对测量结果的影响和相关计算时不同时间序列长度下相关系数曲线的变化,给出了合适的激光雷达夹角和时间序列长度。用该系统进行了水平测风实验,对比了系统探测数据和探测路径上风塔的风速、风向传感器数据,结果表明系统和传感器的数据具有较好的一致性。     

全光纤差分吸收激光雷达大气成分探测精度分析

为了提高全光纤差分吸收激光雷达的探测精度,研究近距离探测条件下使用光环形器的差分吸收激光雷达,这对提高气体探测精度具有重要的意义。分析了差分吸收激光雷达的探测精度与激光回波能量测量的关系,发现近距离条件下的气体探测精度将会受到环形器"串音"的影响,分析了不同探测高度下串音对探测精度的影响程度。结合CO2浓度探测的实例并通过仿真计算,得到了信噪比与探测相对误差随探测高度的变化曲线。结果表明,环形器中存在的"串音"会干扰激光回波信号,对探测信噪比与精度产生严重影响。该研究对设计与完善全光纤差分吸收激光雷达系统具有重要的借鉴意义。     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强     

相干多普勒激光测风雷达系统研究

大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。近20年来,相干激光雷达对风场的遥测被经常用于大气边界层风场的精确测量。首先介绍了相干激光测风雷达的工作原理;然后对其相关的指标体系进行了详细的分析和论证,主要包括工作波长、探测灵敏度、测速精度以及作用距离与发射功率的关系等技术指标;最后给出了目前较优的相干激光测风雷达系统的技术方案和技术途径。在此基础上,采用1.5μm窄线宽激光光源设计了一套全固态、小型化激光相干测风实验装置,并进行了相关实验。     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

激光在湍流大气中的干涉仿真

通过研究激光在湍流大气中的传输情况，旨在为光学高分辨率干涉成像提供理论依据。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流传输进行模拟，研究激光通过湍流大气的干涉情况。试验结果表明：孔径间距越大，干涉条纹越密；在传输距离为2km，大气湍流折射率结构常数C2n为10-14，即接近强湍流的情况下，可以形成比较好的干涉条纹。孔径间距较小时，干涉的明暗条纹清晰可见。在实际干涉成像中，可以选择适当的孔径间距来获得较好的干涉条纹，从而获得目标的高分辨率像。     

复宗量厄米-高斯光束在大气湍流中的传输特性

采用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方法和Wigner分布函数的二阶矩定义,推导出在直角坐标系下激光光束经大气湍流传输的远场发散角、束宽以及M2因子的解析表达式,并以复宗量厄米-高斯(EHG)光束为例,定量分析了EHG光束在大气湍流中的传输特性。研究表明,光束在大气湍流中传输后的M2因子与入射面上的M2因子、入射面的二阶矩、传输距离、波数以及湍流的影响因子有关;随着在大气湍流中传输距离的增加,EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子均会逐渐增大;大气湍流对高阶EHG光束的远场发散角、束宽和M2因子的影响更小;EHG光束在大气湍流中的M2因子与传输距离、湍流的折射率结构参数、光束波长、光束阶数以及基模高斯光束的束腰宽度密切相关。