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.

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏,破坏了光波的相干性.研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律.主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析.通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30 km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性,对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考.

风廓线雷达对大气折射率结构常数的探测研究

基于湍流散射理论,构建了风廓线雷达(WPR)强度信息对大气折射率结构常数的估算方法。经过对WPR多种探测模式探测数据的估算分析,发现雷达参数的确切选用、信噪比(SNR)测量方法的合理性以及信号累积得益的认定对大气折射率结构常数的准确估算有较大的影响,为此提出适合WPR多种探测模式对该估算值规范化处理方法。利用北京两部对流层风廓线雷达五种探测模式于2005年获取的部分观测数据,进行了规范化计算及对比分析。结果表明,邻近时刻的不同风廓线雷达探测估算结果有较好的一致性,其垂直分布结构合理,呈指数形式,统计结果与国内外的分析研究结果较为吻合。

戈壁地区近地面大气折射率结构常数的统计分析

利用温度脉动仪对2010年4—12月库尔勒戈壁地区近地面大气折射率结构常数进行了测量,按月对测量数据进行了对数平均。根据对数平均值对日变化特征进行了分析,并对大气湍流强弱时段进行了统计。研究结果显示:戈壁地区大气湍流在日落时段较日出时段弱;日出转换时刻,均值湍流强度在10-15m-2/3以下,日落转换时刻,均值湍流强度在10-16m-2/3左右;4,6,8,9月份的近地面大气湍流强度较强,5,7,10月份居中,11,12月份较弱。

合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式

利用QHTP-2型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分布廓线，并以国际广泛应用的Hufnagel—Valley模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式廓线。研究发现：合肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季节变化，大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了随机起伏，并具有鲜明的跳跃式结构；合肥地区的高空湍流模式廓线较好地符合实测的平均廓线，能反映自由大气中湍流随高度分布的重要特征——指数递减和对流层增强。

超声波法测量大气折射率结构常数

用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪同时测量了常规气象参数和大气折射率结构常数C2n,分析并找出了该仪器给出的C2n在转换时刻与热丝温度脉动仪的测量结果差异较大的原因,是由于超声波法测量温度脉动精度太低,只能达到0.01 K。同时建立了另一种适用于超声波仪计算C2n的方法,即利用该仪器准确的常规气象参数计算C2n,其计算结果与热丝温度脉动仪的测量结果吻合较好。

微波波段大气折射率结构常数的仿真研究

大气折射率结构常数描述了大气湍流起伏的强弱,它表征了大气折射率随机不均匀性的剧烈程度。光波和无线电波在大气中传播时会受到大气湍流的影响而产生各种不良效应,如:光斑漂移、闪烁、相位起伏等。因此,对大气折射率结构常数的研究具有重要的意义。本文利用常规探空资料对微波波段大气折射率结构常数进行了仿真研究,结果表明:在低空,特别是大气边界层之内,大气折射率结构常数主要为湿度所贡献;在高空,大气折射率结构常数主要为温度所贡献。在微波波段,影响大气折射率结构常数最大的气象因子并不是温湿压的大小,而是它们梯度的大小,其中湿度梯度的大小对其影响最大,在实际的低空测量大气折射率结构常数时,主要考虑湿度梯度与温度梯度的影响。

大口径闪烁仪和涡动相关仪测量大气折射率结构常数的比较

利用大理国家气候观象台大口径闪烁仪(Large Aperture Scintillometer,LAS)和涡动相关系统(Eddy-covariance System,EC)在洱海湖滨农田下垫面的同步观测资料,初步分析了两种仪器测量大气折射率结构常数C2n的异同特征。结果表明,两种仪器测量的C2n具有较好的相关性,相关系数达0.73。LAS测量的C2n数量级为10-17~10-14m-2/3,EC测量的数量级为10-16~10-13m-2/3。在典型晴天、多云和阴天条件下,两种仪器测量的有植被水田和无植被旱地的C2n均表现出明显的日变化特征,日出后1 h和日落前1 h左右出现最小值,中午前后达到最大值,而且这种日变化趋势基本一致。测量结果在数量级上的差异是由测量高度、测量方法、仪器噪声、天气状况、风速风向、净辐射通量和大气稳定状态等因素造成的。

大气折射率结构常数C_n^2高度分布统计特性分析

大气折射率结构常数C_n^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(0～25 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,昼夜变化量约为0.8个量级,大气折射率结构常数C_n^2的概率分布存在昼夜差异,白天的C_n^2比夜间的C_n^2峰值要大2个数量级。

对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数相关性研究

基于大气湍流非相干散射理论,采用泰勒方法对湍流谱函数进行近似,推导获得了对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数的关系,即L-C模型;开展了对流层散射传播试验,基于WRF(Weather Research and Forecasting)数值模式对试验期间大气折射率结构常数进行预报;基于预报的大气折射率结构常数数据应用L-C模型预测对流层散射传输损耗,并与试验测试损耗值进行对比研究.结果表明,应用L-C模型预测的损耗值与实测值变化趋势吻合较好,均方根误差不超过6dB,并且传输损耗与大气折射率结构常数间的相关系数均大于0.7,表明了对流层散射传输损耗与大气折射率结构常数之间较强的相关性.这种对流层散射与大气折射率结构常数之间的相关性对于对流层散射传输的机理和建模研究都有重要意义.

海域条件下大气折射率结构常数估算方法研究

针对海域条件下,激光通信大气折射率结构常数C_n^2估算方法存在的固有问题,提出了采用多项式拟合和支持向量机的方法进行C_n^2估算模型修正,从理论上改进了起伏方差和闪烁方差模型中结构参数依据经验的取值方式,进而搭建观测平台进行验证性实验。实验结果表明:在相同的大气环境条件下,采用多项式拟合和支持向量机方法进行C_n^2估算,其一致性要优于经典的估算模型,同时支持向量机方法较前者估算一致性优势明显。因此,本文提出的C_n^2估算方法可以为定量评价试验海域大气湍流程度提供理论依据。

海域条件下激光通信大气折射率结构常数测量方法

针对海域条件下激光通信的精度要求,首先从理论上分析了大气折射率结构常数C_n^2经典估算方法存在的固有问题,并提出了采用多项式拟合和支持向量机对C_n^2估算模型的修正方法,进而在距离8.9 km的跨海域条件下搭建观测平台,进行C_n^2测量及修正模型验证性实验,从而获得光源自发射端至接收端的到达角起伏方差和闪烁指数。实验数据分析表明:采用多项式拟合和支持向量机方法进行C_n^2估算,其相似度一致性要远优于经典的估算模型,其中支持向量机方法的相似度一致性(相似度可达90%以上)及二次拟合效果优势最为明显,同时也证明了通过改进模型计算的C_n^2可作为定量评估大气湍流对海域激光通信精度影响的重要参数。

基于探空数据分析低云对大气折射率结构常数的影响

本文基于实测的热力湍流探空数据,使用WR95方法识别低云的垂直结构,对比分析了低云与晴空天气下大气折射率结构参数C_(n)^(2)、气象条件和大气稳定度的平均统计结果.结果表明,低层薄云对C_(n)^(2)起伏变化的影响微乎甚微,仅仅表现出轻微增大的趋势,云底C_(n)^(2)相对于晴空天气平均增大1.6倍,云顶之上最大程度增大2.5倍.低层中厚云在云顶处C_(n)^(2)相对于晴空天气增大了3.80—6.61倍,且云顶区域C_(n)^(2)增大的幅度大于云底区域.云底区域大气湍流特性受到地面热力驱动与低云冷却的联合作用,沉降气流与地面向上气流发生了耦合,增强了风切变,C_(n)^(2)在这一高度附近也出现了增强.综合对比晴空和有云天气C_(n)^(2)大小可知,云对C_(n)^(2)的增强效应大致在10–16量级.一方面,风切变在云顶处或者云顶之上达到最大值;另一方面,因为云顶短波辐射增温和长波辐射冷却的共同作用,云顶之上会形成不同厚度的逆温层,致使云顶处位温变化率急剧增大,Brunt-Vaisala频率N2值较晴空天气下增大了0.5—3.0倍;而云底区域N2均小于晴空天气.由于云层多尺度活动引发的湍流效应,势必会引起对激光传输大气效应评估和订正的偏差.正确掌握不同相态云层及边界处湍流的变化规律,也可以为进一步建立云层周围大气湍流的变化规律模型奠定基础.

活塞风作用下双竖井隧道内微波折射率结构常数的估算模型

基于Monin-Obukhov相似性原理和Bulk方法,采用Frederickson公式,结合双竖井隧道活塞风的运动特性,建立了不稳定空气环境下双竖井隧道内的大气折射率结构常数估算模型。结合实际项目,对双竖井隧道环境下的微波段的湍流强度进行了仿真计算分析。仿真结果表明:双竖井有良好的通风效果,适当的双竖井间距可有效降低隧道内的活塞作用系数,进而有效降低隧道内湍流强度;竖井间距与活塞风速等因素对于折射率结构常数的作用效果相互关联;与单竖井相比较,双竖井隧道阻塞比对折射率结构常数的影响程度较小。因此,合理设计通风双竖井,有利于隧道内无线电波的传输。

海洋上空折射率结构常数廓线估算

湍流问题从提出到现在已困扰人们300多年.虽然提出了一些可行的方案,但在可预见的未来这一问题仍将困扰人们.湍流主要由浮力热气泡和风切变产生,在地球表面和大气之间传递物质和能量. 2019年6月开展了第二次海洋季风实验(sea monsoon experiment-Ⅱ:SMEX-Ⅱ),实验过程中通过释放探空气球获得了海洋上空常规气象数据.通过Tatarski参数化模式,重点分析了海洋上空湍流拟合廓线的主要影响因素,边界层、对流层顶湍流的演变规律,以及离岸距离对湍流垂直廓线分布的影响.结果表明,外尺度对海洋上空湍流的分布起决定作用,边界层顶和对流层顶的逆增长区取决于温度梯度的骤变,陆地下垫面对边界层顶逆增长区的影响大而海洋下垫面对对流层顶的逆增长区影响大.基于试验数据分析的海洋上空光学湍流时空分布特性,为海洋的天文观测选址、激光大气传输和卫星遥感观测等提供了必要的参考.

无线光通信中大气湍流噪声测量研究

光信号的强度闪烁、光斑漂移、光束扩展、到达角起伏等大气湍流现象会影响光信号在大气中的传输性能。本文将这种闪烁效应看作是光通信系统传输中的乘性噪声,推导了大气湍流乘性噪声模型,并进行了实验测量研究。结果表明:按照晴天、雾霾天、雪天、小雨天、中雨天、大雨天及阴天的顺序,湍流乘性噪声对光通信的通信质量影响加剧,大气折射率结构常数逐渐增大,噪声信号的偏斜度与陡峭度随之增加,导致光强信号的衰落概率变大;同时随着信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)的增大,系统的中断概率逐渐减小;而在相同的SNR下,中断概率随着大气折射率结构常数的减小而减小。研究大气湍流噪声对无线光通信系统的影响具有重要的意义,它为大范围、高速的无线光通信技术带来重要的技术突破,对无线光通信技术的发展起到重要的作用。

大气温度分布特性及对折射率结构常数的影响

影响大气湍流运动强弱和时空结构的因子比较复杂 ,大气中平均流场和大气温度的分布都是不均匀的 ,特别是沿垂直方向的大气温度分布 ,决定着垂直方向的热力不稳定性和湍流的强弱。观测事实表明 ,随着季节和天气条件的不同 ,大气温度垂直分布有很大的变化。通过对我国安徽合肥地区整层 (0～ 2 0km)大气温度的观测资料的分析 ,得到了大气温度的垂直分布廓线和统计特性模式误差廓线 ;大气折射率结构常数C2 n 是表示大气光学湍流强度的一个重要参量 ,但大气折射率的测量较为困难 ,因此通常先测量温度起伏量 ,再用平均的温度和气压来计算得到C2 n。通过对温度和气压模式误差的分析 ,可以计算得到C2 n 结果的误差 ,重点分析大气温度分布特性及由此带来的模式误差 ,并讨论其对计算C2 n 的影响。

基于NOAA模式的典型地区大气湍流高度分布

研究大气传输问题中的大气湍流主要是研究湍流所造成的折射率随机变化规律。大气折射率结构常数Cn2是表示大气光学湍流强度的一个重要参数。主要利用温度脉动探空仪对大气折射率结构常数Cn2在合肥和北京两个典型地区进行了实地探测及计算分析,同时根据两个典型地区相应气象站点常规气象探空资料统计分析数据,通过NOAA模式得到大气湍流高度分布廓线,并与HV模式廓线和实际测量数据进行对比验证分析,为其他不同典型地区大气湍流模式分布特性的研究提供方法验证和参考依据。

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Cn^2.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Cn^2,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:Cn^2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.Cn^2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.

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出:相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25%,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。