大气光学湍流模型研究进展

综述大气光学湍流模型方法的发展历程和最新进展。大气光学湍流模型方法利用气象数据和光学湍流参数化模型,能同时获得台址的全面大气光学湍流参数,包括C_n^2廓线、大气相干长度、相干时间、视宁度、等晕角和湍流外尺度。介绍了利用气象参数来计算光学湍流的各种方法及其特点,回顾了国际国内进行光学湍流模型研究的主要研究单位与工作内容,提出大气光学湍流模型方法国内研究的发展方向。

近地层大气光学湍流的分形和间歇性特征分析

利用光纤湍流测量系统获得了合肥西郊科学岛上气象观测场内下垫面平坦的水面上方0.48 m、草地上方1.8m和23 m高处的大气折射率起伏的观测数据,采用R/S分析法计算了近地层大气光学湍流的赫斯特指数和分形维数,统计分析了分形维数的日变化特征及概率分布特征.结果表明：对于一天的不同时段,分形维数在一定范围内动态变化,且中午时段相对稳定;在三种下垫面条件下,全天分形维数的值大多在1.3～1.4之间,其最可几概率位于1.35处,从均值来看,草地上方1.8m的分形维数最大,水面上方0.48 m次之,草地上方23 m处最小.最后,初步探讨了近地层大气光学湍流分形维数、间歇性指数和湍流发展程度的相关性.

大气光学特性对目标成像影响的分析

大气吸收、散射和湍流效应导致地球大气中的图像恶化。大气光学特性具有复杂的空间和时间变化特性,不能简单地评价其对目标成像的影响。要透彻地了解红外成像系统在使用地区受大气影响的全貌,必须全面地分析各种可能的大气状态,使用概率进行评价。分析了导致图像恶化的大气因素和大气介质的调制传递函数。以大气消光系数和大气Fried参数为例说明了大气光学特性对红外目标成像影响的复杂性。介绍了图像恶化的修正方法以及应用这些方法时必须获取的大气光学参数和大气光学探测技术,为相关应用分析提供了示范。

中国典型地区大气光学特性及其应用

大气的光学性质决定了大气辐射平衡;各种先进光电技术的应用场景绝大部分都位于地球大气层内或通过大气路径,相关光电系统的功能受到大气光学特性不同程度的影响.大气光学特性(包括地表的光学特性和天空背景辐射特性)是光波在大气中传播和大气辐射传输研究必需的基础物理性质,在气象、气候和天文观测等基础和应用研究以及自适应光学技术、自由空间光通讯等光电工程应用中具有十分重要的作用.中国的自然环境十分复杂,相应的大气光学特性不能简单的套用国际上其它地区的模式.应进行中国大气光学特性的区域划分,在各个典型地区进行大气光学特性的系统测量和数据分析,对有关大量气象和大气光学特性观测资料进行分析研究,获得各典型地区大气光学特性的统计特征,建立可用于辐射大气传输、光波大气传播研究、光电系统分析与设计等的我国各个典型地区的大气光学特性的统计平均模式,研制光辐射大气传输及其光电应用软件包.

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布。结果表明:两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2 m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。

大气光学湍流光纤测量技术中的解调算法研究

介绍了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的原理,并对其中的载频调制和解调的过程进行了深入的研究.通过计算机对光学湍流随机相位起伏、载频调制与解调过程的模拟证明了直接调制光源型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流的可行性,提出大气光学湍流光纤测量技术中的一种新的信号处理方法.

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。

光纤传感技术用于大气光学湍流测量

简要回顾了几种常用的光学湍流洲量方法,分析了其适用条件和存在的主要问题。阐述了将光纤传感技术引入大气光学湍流测量领域的思想,并且提出了两种有望获得突破的技术方案,即光纤干涉法和光纤准直耦合法。实验研究表明,前者在2 cm的空气路径上,后者在10 cm的空气路径上即可获得明显的湍流信息。同时发现光纤系统的噪声和稳定性是制约研究进展的主要因素。

用光谱辐射计测量大气光学厚度的研究

本文给出了用光谱辐射计VF921-256测量大气光学厚度的实验结果，并对其与太阳辐射计DTF-1的同步测量结果进行了比对。实验结果表明：在比较好的大气条件以及对VF921-256测量中所应用的参考板的非朗伯特性进行校正后，两种方法的测量结果符合得较好。因此，在一定的误差范围内，VF921-256可以用于辐射校正中对大气光学厚度的同步测量。最后，本文对上面两种方法各自的测量误差也进行了进一步的分析讨论。

绵阳地区近地面层大气光学参数的测量与分析

利用大气光学参数测量系统对各种大气光学参数进行了实地测量,通过对实验数据的统计分析得出了绵阳地区近地面各种大气光学参数的初步变化特点,对绵阳地区的大气光学参数结构特性有了初步的认识,其结果为进一步进行激光传输和大气性质的遥感探测及实际激光工程应用提供了有益参考。

CCD摄像技术在大气光学传输特性监测研究上的应用

介绍以CCD摄像机为光学图像传感系统 ,通过定量测量景物 (目标 /背景 )亮度的大气传输衰减 ,来测定白天大气的光学传输特性的一种光学图像测量方法。介绍了系统的测量原理、方法、系统基本构成、基本技术指标要求和所采用的技术方案 ,给出该系统与激光雷达进行对比试验的结果。实验结果表明 ,经过一定的对比和标定 ,该系统可直接用来测量、监测白天大气的消光系数或水平气象能见度。

大气光学特性对激光工程影响的概率分析

大气光学特性具有复杂的空间和时间变化特性,它对激光工程的影响不能简单地评价。要透彻地了解激光工程系统在使用地区受大气影响的全貌,必须全面地分析各种可能的大气状态下激光传输的效果,使用概率进行评价。以合肥骆岗机场近地面0.946μm的激光水平传输2 km为例,在全年大气条件下从大气分子吸收、大气气溶胶粒子消光和大气湍流效应各方面详细分析了传输效果,得到了传输效果的概率分布特征,说明了大气对激光工程影响的复杂性,为相关应用分析提供了示范。

载波调制型大气光学湍流光纤测量系统的实验研究

介绍了利用载波调制型光纤Mach-Zehnder干涉仪测量大气光学湍流折射率起伏的原理,给出了载波调制信号的解调方法。实验研究表明,该系统测量大气折射率起伏方差的噪声水平为2.5×10^(-16)。在真实的大气环境下,通过与传统温度脉动仪的对比测试分析表明,两者的探测结果无论在量级上还是在变化趋势上都有很好的一致性,这标志着大气湍流的光纤测量技术已初步迈入实用阶段。

远海海面大气光学湍流实验测量

将光纤湍流测量系统搭载于我国的"远望号"航天测量船,首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多点同步测量,初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据.测量共进行了37天,测量数据处理包括大气光学湍流强度的统计分析、采用Greenwood湍流空间相关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度,以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数.结果表明:海面大气光学湍流强度中等偏弱,且无明显规律性的日变化趋势;空间外尺度较小,约为0.2—0.3 m;湍流谱标度指数符合-5/3次方的概率均为25%左右,低于相应的近地面概率.

大气光学湍流、模式与测量技术

折射率结构常数是研究光波在大气中传播的一个重要物理量.本文介绍了大气光学湍流的描述方法,近地面层、边界层和自由大气层光学湍流模式,大气光学湍流廓线的测量方法,以及国内外在该领域研究的重要成果.

华南山区秋冬季节大气光学湍流初步测量分析

通过使用大气相干长度仪测量了华南山区部分月份的昼夜整层大气相干长度,结合使用温度脉动仪获取的近地面部分测量高度的折射率结构常数数据,分析结果表明：在10、11、12月份中,白天11月的测量结果最大,夜间测量结果较为复杂,下半夜的测量数据小于上半夜的测量数据;从频数分布来看,白天中心值为8.5 cm,主要集中在6~12 cm之间,夜间中心值为13.0 cm,主要集中在10~18 cm之间,其平均值明显大于白天的结果;从近地面层对整层大气湍流强度的贡献来看,白天比夜间受到的影响更为明显。

现代大气光学及其在光电工程应用中的问题分析与展望(特邀)

讨论分析了现代大气光学研究及其在光电工程应用中几个方面的常见问题,给出了下列主要观点:(1)大气对光电工程应用的影响不容忽视;(2)光电工程设计需要考虑大气光学特性;(3)大气对光电工程的影响需要用概率来说明;(4)不能根据天气状况直接来判断大气对光电系统影响的程度;(5)作为统计平均量的大气光学参数不是唯一确定的;(6)用一个参数Cn2不能可靠地描述大气湍流的光学特性;(7)有必要进一步提高光电仪器大气探测结果的可靠性;(8)大气湍流对光电系统性能的影响难以完全被消除;(9)不需要投入很大精力去研究一些理想的问题。根据现状,提出了一些值得深入研究的大气光学问题。

500m激光传输路径大气光学参数遥测系统

本文介绍了 ５００ ｍ激光传输路径上大气光学参数遥测系统．它由温度脉动传感器、气 象参数传感器、单片机系统、微机及网络系统组成．该系统具有自动采集、处理、存储、实时显示 等功能，可得到大气光学湍流强度、温度脉动功率谱、大气温度、湿度、风向和风速等大气光学参 数的时间变化和空间分布．

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.

大气光学湍流强度估算和预报方法研究

本文简述利用常规气象参数,基于Monin-Obukhov相似理论估算近地面C_n^2和基于Tatarski公式估算高空C_n^2的方法和估算结果,并给出了利用中尺度气象模式WRF开展的预报C_n^2的研究成果.构建合适的光学湍流外尺度参数化公式,进行中尺度模式与微尺度模式嵌套,开展光学湍流参数化新方法的研究,是今后提高光学湍流估算和预报精度努力的方向.