深度湍流条件下激光往返传输漂移特性的实验探究

为探究深度湍流条件下激光往返传输的漂移特性,基于修正的Rytov理论,推导了深度湍流条件下光束漂移角方差表达式。搭建了折返路径激光成像探测系统,实验获取了1 km和7 km传输路径上不同时段激光光斑的回波图像和大气相干长度。利用回波图像计算了漂移角均方差及其各向异性因子并与理论对比。结果表明:漂移角均方差和大气相干长度随时间变化具有明显周期性,两者变化同步,但趋势相反。1 km传输路径上,漂移角均方差在2~24μrad之间波动。而7 km传输路径上漂移角均方差在4~26μrad之间波动。通过对比Kolmogorov理论、Von Karman理论、Exponential理论和修正的Rytov理论模型下漂移角均方差与实测值的相对偏差发现:基于Von Karman理论的模型与1 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为18.20%,基于修正Rytov折射率功率谱理论的模型与7 km传输路径上漂移角均方差的实测值更为吻合,平均相对偏差约为21.09%。在1 km和7 km传输路径上,漂移特性均随着大气相干长度的减小而趋于各向同性。相关实验结果进一步揭示了深度湍流下往返路径传输激光漂移的机理,对于长距离空间光通信维持稳定通信链路具有一定参考价值。

星光成像的大气影响研究(Ⅱ):大气湍流

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之二,建立了湍流大气星光传输模型,研究了恒星成像的大气湍流影响。基于ERA5数据和光学湍流预报方法得到大气湍流参数廓线,计算了典型地区不同时刻及观测条件下星光的闪烁指数,对比星光闪烁的理论值,验证了数值计算的可靠性。研究了湍流大气中星光传输的闪烁效应及星像质心的抖动特性,得到了典型观测高度及观测天顶角情况下的恒星抖动量。研究表明:恒星抖动的到达角和到达角起伏与星光的闪烁指数呈正相关关系,提升星敏感器的观测高度、减小星敏感器的观测天顶角,能一定程度上减轻星光成像的大气湍流影响。

星光成像的大气影响研究(Ⅲ):大气折射

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之三,选取最佳星光大气折射模型,研究了星光成像的大气折射影响。利用美国标准大气的参数廓线数据,计算了平面平行大气、整层球面大气以及多层球面大气情况下的折射特性,从计算精度、迭代次数以及算法速度三个方面对比和分析了不同折射计算模型的优缺点,选取了精度和速度最佳的折射计算模型。基于该模型和我国典型地区不同时段实测的大气参数廓线数据,计算了不同观测条件及波长下大气折射引起的折射角、色散、横向位移和路径延长的分布情况,评估了不同大气参数由于输入参数的不确定性对折射计算的影响。研究表明:使用Cassini模型或等折射光线追迹法计算得到的折射角最为准确。提升星敏感器的观测高度或减小星敏感器的观测天顶角,相比于改变观测波长而言能极大程度上减轻星光成像的大气折射影响。除此之外,当输入参数存在噪声和不确定性时,提高温度的测量精度比抑制其他参数的噪声更能有效地减小折射计算的误差。

星光成像的大气影响研究(Ⅰ):天空偏振

工作于近地空间的星敏感器,其观测过程将不可避免受到天空背景辐射、大气湍流以及大气折射的影响。本文是星光成像的大气影响系列文章之一,研究了如何利用偏振滤波技术降低天空背景辐射对恒星成像的影响。基于激光雷达实测数据,计算得到了典型地区整层大气粒子的分布特性及散射特性,结合大气矢量辐射传输模型,研究了天空背景在近红外波段的偏振特性,获得了不同大气条件及观测条件下的天空偏振特性,分析了观测与太阳位置对不同波长天空背景偏振分布的影响。研究表明:使用波长较长且位于吸收带的近红外光进行观测或提升星敏感器的观测高度,可采用偏振滤波技术一定程度上抑制天空背景光。当观测方位角一定时,选取合适的观测角度可以保证在较低太阳高度时能使用偏振滤波技术降低天空背景辐射对星光成像的影响。

基于纠缠相干态的量子照明雷达

量子照明雷达旨在利用量子光场探测热噪声环境下低反射率目标是否存在.发射光源的纠缠特性使其较经典雷达具有独到的探测优势.纠缠相干态(entangled coherent state,ECS)作为一类在噪声环境下纠缠鲁棒性较强的量子态,近年来在量子科学的多个领域得到广泛的应用.本文研究了基于三类不同ECS态的量子照明雷达的目标探测性能,并以双模压缩态(two-mode squeezed vacuum state,TMSV)和相干态作为基准对比和分析了三类ECS态纠缠度大小与其探测性能之间的关系.研究发现:在目标为低反射率且发射光子数远小于背景噪声的情形下,三类ECS态的探测性能优于相干态,劣于TMSV态;此外,三类ECS态的探测性能可由其纠缠度的大小来决定.在其他照明条件下,使用量子照明雷达进行目标探测较相干态雷达并无明显的优势,三类ECS态的探测性能与TMSV态和相干态方案并无明显联系.

大气湍流引起的相位起伏对相干态量子雷达相位估计的影响

基于马赫曾德干涉仪模型并采用相位扩散主方程描述大气相位起伏效应对量子雷达的影响,给出了光场在相位扩散通道的演化过程,详细分析了大气相位起伏对相干态宇称探测量子雷达相位估计分辨率和最佳灵敏度的影响,并计算了大气相位起伏下相位估计灵敏度的Cramer-Rao极限。研究发现:相位起伏对于分辨率的影响可通过增加单个脉冲平均光子数来消除。在强相位起伏情况下,宇称探测得到最佳灵敏度会严重偏离散粒噪声极限,但是在弱相位起伏情况下,通过与Cramer-Rao极限的对比,发现宇称探测是一种准最佳探测方案。

大气湍流对接收光场时间相干特性的影响

激光在大气传输过程中其相干特性受湍流影响而下降,进一步影响相干探测过程的效率和性能.本文定义大气相干时间描述激光经大气传输后接收光场的起伏速度,大气相干时间与相干过程持续时间的相对大小决定了相干探测过程的性能.本文基于多层动态相位屏技术仿真激光大气传输过程,并系统研究大气参数、收发参数、波长等对大气相干时间的影响规律.研究指出大气相干时间与波长、接收口径、大气相干长度呈正相关,与风速呈反比;通过改进光学设计、光束整形、激光选频等方法能够有效减少湍流扰动的影响,提高接收光场的稳定性,进而改善湍流对相干探测过程的不良影响.大气相干时间是衡量湍流对相干探测影响的重要参数,本研究可为评估大气对相干探测过程的影响提供有力参考.

小鼠脾脏和外周血免疫细胞及部分细胞因子的增龄性变化

目的探索不同年龄小鼠脾脏和外周血免疫细胞、细胞因子的变化。方法24只雄性C57BL/6J小鼠分为幼年(1月龄)组7只、青年(2月龄)组7只、中年(12月龄)组7只、老年(17月龄)组3只。分别用流式细胞术和ELISA检测小鼠脾脏和外周血免疫细胞(CD3^(-)CD19^(+)B细胞、CD3^(+)CD4^(+)T细胞、CD3^(+)CD8^(+)T细胞、CD3^(-)CD49b^(+)NK细胞、CD11b-CD11c^(+)DC细胞、CD11b^(+)Ly6C^(med) Ly6G^(+)粒细胞、CD11b^(+)Ly6C^(hi) Ly6G^(-)单核细胞)的比例和细胞因子(IL-1β、IL-6、IFN-γ)的水平。结果中年组小鼠脾脏CD3^(-)CD19^(+)B细胞比例比幼年组、青年组显著降低(P<0.05),同样,老年组小鼠脾脏CD3^(-)CD19^(+)B细胞比例比幼年组、青年组显著降低(P<0.05);青年组小鼠脾脏CD3^(+)CD4^(+)T细胞比例比幼年组小鼠升高(P<0.01);中年组小鼠脾脏CD11b^(+)Ly6C^(hi) Ly6G^(-)单核细胞比例比幼年组、青年组小鼠明显升高(P<0.05)。外周血中,中年组小鼠CD3^(+)CD4^(+)T细胞比例比幼年组、青年组小鼠降低(P<0.05),同样,老年组小鼠CD3^(+)CD4^(+)T细胞比例比幼年组、青年组小鼠降低(P<0.05);中年组小鼠外周血CD3^(+)CD8^(+)T细胞比例比幼年组、青年组小鼠明显升高(P<0.05);中年组小鼠外周血CD11b^(+)Ly6C^(hi) Ly6G^(-)单核细胞比例比幼年组、青年组小鼠显著升高(P<0.01),老年组小鼠外周血CD11b^(+)Ly6C^(hi) Ly6G^(-)单核细胞比例比幼年组、青年组小鼠显著升高(P<0.01)。中年组、老年组小鼠脾脏IL-1β水平比青年组小鼠明显降低(P<0.05)。而中年组小鼠血清IL-6水平比幼年组、青年组鼠显著升高(P<0.01),同样,老年组小鼠血清IL-6水平均比幼年组、青年组鼠显著升高(P<0.05)。其余免疫细胞与细胞因子随月龄增长差异无统计学意义。结论随着月龄增长,脾脏中CD3^(-)CD19^(+)B细胞比例、IL-1β水平逐渐降低,外周血中CD3^(+)CD4^(+)T细胞比例逐渐降低、CD11b^(+)Ly6C^(hi) Ly6G^(-)单核细胞比例IL-6水平也逐渐升高,可能与不同月龄机体免疫状态相关。

湍流大气中随机粗糙表面激光回波空间相干性仿真

根据广义Huygens-Fresnel原理,推导了von Karman湍流谱条件下激光回波复相干度的理论解析式;基于湍流相位屏分步传输算法和随机粗糙目标表面模型,实现了激光回波光场的仿真计算.首先通过镜面反射回波光场的仿真分析,验证了算法的正确性;然后基于1.1 km的均匀传输路径,综合分析了随机粗糙目标表面特性和路径湍流强度对回波光场复相干度的影响.结果表明:回波光场的空间相干性随目标表面高度均方根的增大而降低,随目标表面相关长度的减小而降低;当表面相关长度远小于大气相干长度时,回波相干性会被严重破坏.该研究可为目标表面特性或利用已知表面获取路径湍流状态的相干探测提供有益的参考.

二甲双胍对精神分裂症模型小鼠行为和候选基因表达的影响

目的探究不同剂量盐酸二甲双胍对精神分裂症(SZ)模型小鼠行为和候选基因的影响,为临床治疗SZ提供新的思路和线索。方法将50只同批次C57BL/6J小鼠随机分为空白对照组、阴性对照组及盐酸二甲双胍低、中、高剂量实验组(200、400、800 mg/kg),每组10只。除空白对照组外,其他组腹腔注射谷氨酸N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体非竞争性拮抗剂地卓西平马来酸盐(MK-801)建立谷氨酸功能紊乱SZ小鼠模型;盐酸二甲双胍各剂量组造模同时预防性给药。对各组小鼠进行高架十字迷宫、旷场和Morris水迷宫等行为学实验。处死小鼠后,采用RT-qPCR技术检测脑组织AMPK、GRIN1、HDAC1和DGCR8等mRNA表达。结果在所有行为学检测中,空白对照组与阴性对照组差异具有统计学意义(P<0.05),表明实验动物模型构建成功。在高架十字迷宫和旷场实验中,盐酸二甲双胍高剂量组与阴性对照组差异均具有统计学意义(P<0.01),表明高剂量盐酸二甲双胍对MK-801诱导所致SZ的焦虑症状有明显缓解作用。同时,RT-qPCR结果表明高剂量二甲双胍可显著提升AMPK和GRIN1的mRNA表达(P<0.001),从而逆转阴性对照组中上述基因表达降低的趋势。结论高剂量盐酸二甲双胍对于SZ模型小鼠异常行为具有缓解作用,并可能通过AMPK和GRIN1相关信号途径发挥作用。这为临床治疗SZ提供了新的思路和线索。

高精度背景纹影流场探测系统研究

背景纹影技术通过比较光线经过流场前后的偏折量获取流场信息,在流场测量中优势显著。本文开展了背景纹影技术中位移检测算法和波前重构算法的精度测试,在合适的背景和算法参数下,Farneback光流算法的位移提取精度可达1/400个像元;波前重构中,反对称偏导积分法速度较快但是精度较低,可适用于实时处理,Guass-Seidl迭代法的速度较慢但是精度较高,可用于后处理。在此基础上,搭建了一套高精度背景纹影流场探测系统,并以实验室内酒精灯燃烧时产生的温压场和外场炮筒引爆时产生的声压场为初步观测对象,成功实现了不同环境条件下流场的定性显示和定量测量。

湍流图像退化中的模糊与畸变

基于光线传播以及相位叠加原理,构建了湍流图像退化模型,获得了湍流下目标对应的点扩散函数,并通过调制传递函数面积以及等晕角验证了仿真模型。同时,通过平均相关系数定义了像方近似不变区域,像方近似不变区域有助于对点扩散函数变化程度的理解。通过光线在湍流中的传播过程,猜测图像退化的模糊与畸变的程度和湍流的分布有关。为验证以上猜测,设置了两种极端情况下的湍流分布情形进行仿真实验,并通过调制传递函数面积以及像方近似不变区域对仿真结果进行分析。结果表明在同等湍流强度情况下,靠近镜头端的湍流会对图像造成更多的模糊效应,靠近物体端的湍流会对图像造成更多的畸变效应。基于此,解释了在湍流图像退化模型中采用先畸变后模糊是更为合理的操作,并建议湍流复原算法应根据退化结果中的模糊与畸变的程度采取相应的复原措施。

基于双向多尺度特征融合的湍流退化图像快速复原

提出一种基于双向多尺度特征融合的生成对抗网络(GAN),利用该网络对各种地基望远镜拍摄的受大气湍流影响的目标天体图像直接进行盲复原处理。首先通过长曝光大气湍流退化模型与清晰图片进行卷积来构建数据集,并进行网络训练,在模拟湍流图像数据集中测试网络性能。同时,实际获取了Munin地基望远镜(卡塞格林型望远镜)拍摄的受湍流影响的国际空间站图片,并用所提神经网络模型进行测试。各项图像复原评价指标表明:所设计的网络实时性较强,在0.5 s内可以输出复原结果,相比传统非神经网络复原方法要快10倍以上;所提网络的峰值信噪比(PSNR)提高2 dB~3 dB,结构相似性(SSIM)提高9.3%左右,对受真实湍流影响的退化图像也有较好的复原效果。