大气色散效应对信标应用的影响研究

计算了由于大气色散效应造成的信标光与发射主激光的实际天顶角之间的角间距,其中考虑了天气条件、地理位置、发射天顶角和信标波长等影响因素。结果表明：发射天顶角和信标波长对信标偏离角间距的影响较大,而天气条件和地理位置的影响相对较小。发射天顶角越大,角间距越大。信标波长应尽量靠近发射光波长,同时,应优选波长大于发射光的信标。     

大气色散对4m望远镜成像分辨力的影响与校正

本文分析研究大气色散对4 m望远镜成像系统分辨率的影响及校正方法。首先计算分析了大气色散对其成像分辨力的影响,计算结果表明,天顶角大于15°时,大气色散开始影响系统成像分辨力,天顶角大于45°时,对系统成像分辨力有着较为严重的影响,需要设置大气色散校正器来进行消除。本文列举了3种大气色散校正器的实现形式,分别比较了它们的优缺点,最后选择了胶合棱镜旋转补偿的形式来消除大气色散对4 m望远镜高分辨力成像系统的影响。基于4 m望远镜高分辨力成像系统的特点,将大气色散校正器放置于成像元件前的平行光路中,并利用光学设计软件对不同天顶角与大气色散校正器的旋转角度进行了仿真分析,该大气色散校正器的最大楔角为9.65°,旋转精度为±0.1°,对系统分辨力影响为1/1 000。分析结果表明,旋转精度完全能够满足系统成像分辨力的要求,证明本文对大气色散的影响分析和大气色散校正器的设计是有效的。     

大气色散与热点跟踪

计算了3.8μm和10.6μm两种波长的光在球对称折射率大气中的传播轨迹,并讨论了这种色散对热点跟踪的影响。     

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。     

在大气湍流斜程传输中拉盖高斯光束的轨道角动量的研究

大气湍流引起大气折射率随机变化,导致空间不均匀性.拉盖高斯光束在大气湍流中传输时,空间不均匀性会使光子波函数改变,引起轨道角动量的变化.本文讨论了拉盖尔高斯光束在大气斜程传输时,湍流介质改变光子轨道角动量而形成不同的光子态.计算了螺旋谐波各分量所占光束总能量的权重,分析了拉盖高斯光束的轨道角动量的变化规律.     

大气信道对激光脉冲延迟时间影响的仿真研究

分析了大气散射和吸收特性,并进一步研究了大气散射所引起的激光脉冲延迟效应,定量分析了在不同能见度、不同脉冲传输距离、不同散射系数和单程散射反照率的条件下,大气信道所产生激光脉冲传输延迟时间,为探测误差的校正提供了理论依据.通过对仿真结果的分析可知,在衰减系数不变的条件下,大气信道的散射越严重,散射所造成的路径延迟就越大,激光脉冲传输延迟时间也就越长;而大气的吸收效应越明显,激光脉冲传输延迟时间越短.     

大气弱湍流下星地光链路衰落特性影响因素分析

研究了弱湍流条件下星地光通信链路的衰落概率、平均衰落次数以及平均衰落时间3个重要参数的统计特性,并通过数值仿真分析了链路天顶角、光波长以及接收机海拔高度对链路衰落特性的影响。结果表明:减小天顶角和提高接收机探测灵敏度可以改善链路的衰落特性;1.55 m激光较0.85 m、1.06 m激光更适合于星地光通信;地面接收机应尽量建在2 000 m以上的高海拔地区。     

色散补偿对SBS效应抑制作用的研究

根据光传输系统中受激布里渊散射(SBS)效应产生的基本原理分析了色散对SBS效应的抑制作用,定性分析了不同色散补偿方法对SBS效应的抑制效果,得出了前置色散补偿可以很好地抑制光纤中SBS效应的结论,并用实际的光传输系统进行了实验验证,在入纤功率小于6dBm、信号速率为10Gbps、传输光纤为G.652的光传输系统、前置色散补偿为-800ps/nm情况下,可以提高系统的SBS效应阈值2dB左右。     

色散对单模激光系统非线性效应的影响

研究在强光场的作用下 ,激光系统中的腔内介质的折射率不再是常数而引起的非线性效应 ,即色散型激光系统的动力学行为。研究结果表明 ,这类系统的输出场会呈现双稳态 ,并利用极值法确定了描述这类色散型激光系统的Maxvell- bloch方程是现双稳态的参数临界点和双稳态区域     

折射率色散效应对晶体硅太阳电池反射率的影响

为了分析色散效应对晶体硅太阳电池反射率的影响,在考虑材料折射率色散效应的情况下,运用光学干涉矩阵计算了具有SiO2单层减反射膜和MgF2/ZnS双层减反射膜晶体硅太阳电池的反射率与波长的函数关系,并与实验结果和未考虑色散效应的计算结果进行了对比分析.结果表明：考虑折射率色散效应的计算结果与实验测量数据完全相符,而未考虑折射率色散效应的计算结果与实验测量数据相差较大,最大差值分别为21.5％和16.9％.     

静止轨道卫星红外探测大气透过率与蒙气差分析

静止轨道卫星采用CO2和水汽吸收波段进行红外探测,探测性能受观测波段的大气透过率影响显著,同时,大气折射率随空间位置的变化影响目标的定位精度。通过建立大气中探测路径几何模型,利用FASCODE软件计算出路径上2.7μm和4.3μm波段大气透过率和蒙气差并制成图表,蒙气差计算结果与理论估算一致。结果表明,2.7μm波段大气透过率在5～25km高度变化显著,35km以上透过率达95%;4.3μm波段大气透过率在5～45km高度变化显著,50km以上透过率达95%。两个波段的蒙气差相同,对目标位置的影响较少,天顶角8°以内,影响只有50m量级,超过8°,偏差随角度增长很快,到地球圆盘边缘时达到1km。通过插值,透过率数据和蒙气差数据可用于系统设计、性能评估和实时仿真。     

星光观测蒙气差补偿技术

为了消除大气内观星时蒙的影响,提高载体定姿精度,提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵,并完成了相关矢量坐标映射变换;接着在星敏感器坐标系内,用两矢量内积法求得视天顶距;最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组,作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真,10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真,给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微,仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下,蒙气差补偿模型也是适用的,补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定,并进一步对陀螺漂移完成补偿。     

星载激光测高系统的大气折射延迟改正模型研究

星载激光测高仪通过测量从卫星平台发射的激光脉冲在卫星与地面激光脚点之间的渡越时间计算两者之间的距离。由于光束经过大气层时发生的折射,导致卫星激光测高系统典型的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了大气折射延迟修正的理论与方法,分析比较了各种大气折射率模型,以全球首个对地观测星栽激光测高仪系统GLAS系统为例,给出了各种折射率模型的计算偏差,发现在常见温度和湿度范围内Owens375模型是一种精度较高的简化折射率模型;计算了GLAS系统高度角偏离天顶方向不超过10°的情况下,使用简单映射函数与CfA2．2映射函数模型的值,发现其差异不超过0．5mm。     

一种大气折射数据修正方法

讨论在靶场光学测量中,大气因素如何影响测量结果.通过建立大气折射率与测角误差之间的数学模型,用计算机软件对大气折射造成的测角误差进行修正.     

采用原子滤光器的新型激光信标方案研究

提出了采用法拉第反常色散滤光器（ＦＡＤＯＦ）的光电双反馈激光信标新方案。该方案通过数字控制系统和光反馈系统的共同作用，使激光信标系统的稳定性、抗干扰性和可靠性大大提高，并实现了上电自动工作。这种新型激光信标的频率稳定度优于５×１０－９，在３０ｍｓ内可将半导体激光频率稳定在法拉第反常色散滤光器任一透射峰上。该方案可与采用法拉第反常色散滤光器的新型跟瞄系统匹配使用，对建立卫星激光通信链路有重要意义。     

根据到达角协方差测量大气湍流外尺度

通过湍流大气中光波相位结构函数得到两点间的到达角协方差与大气湍流外尺度的关系,并利用差分到达角方差进行了归一化,进而得到大气湍流外尺度和差分到达角方差及到达角协方差的表达式。采用四孔到达角起伏测量仪进行了近地面水平路径的实验,测量结果表明在离地面6 m的高度上,湍流外尺度在4 m左右,并随时间变化,不同方向的测量结果有一些差别。     

低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究

为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式,自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART,并将其运用于漫射光偏振特性仿真.在模式中,基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解.将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较,验证了模型的准确性.在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下,模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征,讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响.结果表明,低太阳高度角条件下,随着波长增加,瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强,中性点向大天顶角方向移动;气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征,但对偏振方向影响显著,随着光学厚度的增加,天空偏振度值迅速降低;中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关;大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域;瑞利散射大气条件下,随着波长增加,大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱,特别在中性点附近及天顶区域,其影响逐步消失;随着气溶胶光学厚度的增加,其影响随之增强.     

大气湍流对天文望远镜光电导行精度的影响

讨论了由大气湍流造成的望远镜导行误差,这一误差将给望远镜光电导行的精度带来较大影响。其中使用单点源目标的导行精度受限于大气相干长度和大气相干时间,而多点源目标及面源的导行精度还与湍流随高度的变化有关。通过分析和仿真(数值模拟)结果表明,现代天文观测必须考虑大气湍流对光电导行精度的影响。通过延长曝光时间可以有效降低湍流大气的影响,同时也降低了光电导行的反馈控制频率。当导行信标为多星或面源则可在一定程度上降低高层大气湍流带来的光电导行误差,从而可以适度减少光电导行曝光时间,提高其反馈控制频率。     

大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响

折射是影响辐射传输的重要因素. 为分析大气折射对辐射传输的影响, 基于Monte Carlo方法, 给出了考虑大气折射的矢量辐射传输模型, 实现了均匀气层和耦合面处光子随机运动过程的模拟, 实现了直射光及漫射光Stokes矢量、偏振度和辐射通量等参数的计算. 在考虑和不考虑大气折射两种条件下, 验证了模型的准确性; 在纯瑞利散射条件下, 讨论了大气折射对不同方向漫射光Stokes矢量的影响; 在不同太阳天顶角、大气廓线、气溶胶及含云大气条件下, 分析了大气折射对辐射传输过程的影响. 结果表明: 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响主要体现在天顶角70°–110°区间, 且随着太阳入射角增大, 其影响更为显著; 不同大气廓线情形下, 大气折射对Stokes矢量的影响不一致, 其原因是不同大气廓线对应的折射率廓线存在差异. 含云及含气溶胶大气条件下, 大气折射对辐射传输的影响变弱, 沙尘型及海盐型气溶胶条件下, 折射对辐射传输的影响强于可溶型气溶胶情形; 不同形状气溶胶条件下, 大气折射对辐射传输的影响也存在显著差异; 不同云高条件下, 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响无显著差异, 但随着云光学厚度增大, 大气折射的影响减弱.