激光雷达测量大气湍流廓线

介绍了一种利用成像激光光斑测量大气湍流廓线的激光雷达原理。通过对分层大气湍流的光束波面变化的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用平面波近似算法反演湍流强度廓线。通过搭建的大气湍流廓线激光雷达实验系统获得了湍流廓线的实验数据,并且与系留飞艇搭载的温度脉动仪在同时段固定高度进行了对比实验,验证了近似递推算法的可行性。最后对实验中出现的误差进行了讨论。

用常规气象参数估算光学湍流廓线方法的比较

采用美国SPARC数据中心提供的高分辨率无线电探空数据,运用Tatarski公式,对由外尺度或湍流能量耗散率结合常规气象参数估算的折射率结构常数结果进行了比较,间接证明了Sterenborg将外尺度选取1 m时的合理性。并比较了Coulman和Dewan两个外尺度经验公式估算的折射率结构常数。对比分析表明:利用外尺度或湍流能量耗散,结合常规气象参数,都能够估算出折射率结构常数。因湍流能量耗散率观测十分困难,该方法的合理性和代表性需待实验检验。Coulman的外尺度公式只是简单的经验公式,其普适性也需实验检验。而Dewan的外尺度公式中含有实测风速参数,由对流层和平流层不同区域的外尺度公式估算的折射率结构常数相对合理。

Hufnagel-Valley湍流强度廓线的高精度实时反演方法

分析了Hufnagel-Valley大气湍流模型参数反演的必要性,根据实时测量的大气相干长度和等晕角,反演该模型中的两个可调参数,并提出了改进的反演计算公式。数值仿真结果表明,改进公式弥补了原有公式在近地面湍流较弱时,不能有效反演高空风速参数的不足;适合于反演不同的湍流条件,提高了湍流强度廓线的反演精度:以两种典型的风速模型为例,改进公式反演的参数,相对误差均在0.5%以内;同时改进公式也减弱了相干长度和等晕角测量误差对反演的影响。

湍流廓线激光雷达的数据处理方法

湍流廓线激光雷达是近十年出现的测量大气湍流强度廓线的新技术,目前数据处理已成为该技术的关键环节。对湍流廓线激光雷达的数据处理方法进行了详细地描述,重点研究了双光斑图像背景阈值计算方法与大气湍流强度廓线反演算法。比较了迭代法、最大类间方差法和统计法三种背景阈值计算方法分别在强信号与弱信号下的计算结果,得出统计法是比较适合双光斑图像的背景阈值计算方法。在背景阈值计算的基础上对图像进行分割并计算得到双光斑的质心距,统计多帧图像的质心距起伏得到达角起伏方差。然后利用HV-21模型模拟了从到达角起伏方差反演大气湍流强度廓线的算法,所得结果与原始值大小相近、整体变化趋势一致,但是不能反映原始值的细节变化趋势。

利用激光雷达测量湍流强度廓线的研究

介绍了一种新颖的利用激光雷达测量湍流廓线的原理,通过对经过分层大气湍流的光束波面误差的测量,获取各分层大气湍流的相干长度,据此利用一定的算法反演湍流强度廓线。通过大量的实验,验证了通过测量波面误差获得大气折射率结构常数这种方法的可行性．提出了在一定近似条件下利用平面波积分方程的递推算法反演大气折射率结构常数,获得了较为满意的相似度,并且与球面波算法进行了比较,分析了各自的反演效果。

基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量仪设计

对基于瑞利激光导星的大气湍流廓线测量系统进行了研究,系统利用脉冲激光在测量区域大气层内不同高度形成信标星,以此测量地面至信标星之间的大气湍流信息。本文在分析瑞利激光导星湍流廓线测试的原理和系统组成基础上,对系统关键参数进行了优化选取,并设计了激光发射系统和差分像移接收系统,最后对系统性能进行评估。结果表明：系统可对地面高度0.2~10 km范围内的大气进行湍流廓线测量,该技术在地基天文观测、星地激光通信、地基激光武器领域具有重要的应用价值。

基于多孔径闪烁的湍流强度廓线反演方法研究

以多孔径闪烁方法的理论为基础,分别讨论了孔径滤波函数和光谱响应函数对权重函数的影响.根据包括边界层项的Hufnagel-Valley5/7模型得到的闪烁指数,采用奇异值分解法反演了垂直方向的湍流强度廓线,结果的量级介于10-15～10-17之间,并随高度的增加不断减小,在量级和趋势上与理论模型基本一致;同时结合Shack-Hartman的实际测量结果,反演了水平方向1km传输路径上的湍流强度分布状况.水平方向反演结果的量级在10-14～10-15之间,随传播距离的变化趋势与实验场地的实际情况较为符合,随时间的变化趋势与合肥地区同期的统计结果基本一致.

DCIM激光雷达测量湍流廓线反演算法及数值仿真研究

提出了一种基于广义Hufnagel-Valley模型的差分光柱像运动(ICIM)激光雷达测量湍流廓线的反演算法,推导了数据平滑处理函数,通过对HV 5/7模型廓线数值仿真得出:真值反演时,反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.004个量级,反演廓线计算的ro、整层θ与理论值的相对误差绝对值均在0.5%以下;有10%随机误差时,20 km以下反演廓线与理论模型廓线最大相差约0.5个量级,20 km以上误差增大,反演廓线计算的ro和整层θ与理论值的相对误差绝对值约在10%和5%以下,满足实际激光大气传输应用;数据平滑处理函数不会影响反演廓线随高度的变化特性。最后仿真验证了反演算法的普适性,可用于DCIM激光雷达测量不同地区的湍流廓线。

湍流廓线激光雷达的研制

对采用光波波段测量大气湍流强度廓线的湍流廓线激光雷达进行了研究。利用焦点附近的大气瑞利后向散射作为测量信标测量湍流信息,当聚焦高度不同时,可以测得不同高度的整层信息,从而可以得到一系列高度的整层湍流信息,最后通过算法得到分层的大气湍流廓线。介绍了湍流廓线激光雷达系统的组成原理和系统结构,采用像增强器的控制系统使得系统的有效测试距离达到15 km;通过与传统测量方法的对比,得出了可以作为湍流强度廓线测量工具的结论。最后展望了该系统的应用前景。

一个新的海边光学湍流外尺度和Cn^2的廓线模式

2016年12月13日至2017年1月2日期间,在茂名博贺海洋气象科学实验基地,采用自行研制的湍流气象探空仪,获取了30份海边温、湿、压、风速、风向和C_n^2等探空数据.基于HMNSP99外尺度模式,利用海边的探空数据拟合得到一个茂名大气光学湍流外尺度经验公式.同时对实验测得的高空湍流廓线数据进行统计平均,然后基于Hufnagel-Valley模式拟合得到符合海边湍流廓线规律的统计平均模式(C_n^2sea model).根据Tatarski高空湍流参数化方案,将用茂名外尺度公式估算的C_n^2分别与探空测量的C_n^2以及用其他外尺度模式估算的C_n^2进行了比较.对其进行统计性分析发现,利用新拟合的茂名外尺度公式、HMNSP99,Dewan以及(Coulman等外尺度模式计算的log10C_n^2)与实测值的整体相关系数分别为0.924,0.848,0.763和0.651,在变化趋势和量级上都表现出较好的一致性;以上四种外尺度模式估算结果的误差都很小,其整体平均绝对误差和平均相对误差分别为0.514和2.963%,0.627和3.612%,0.943和5.439%,0.766和4.417%,新拟合的外尺度模式的误差最小.进一步验证了新的海边外尺度和C_n^2廓线模式的可靠性和有效性,此外还发现高空大气光学湍流的发生与风切变和温度梯度具有十分密切的关系,为光电工程在海边场景应用所需的大气光学湍流廓线模式提供支持.

Thorpe尺度估算库尔勒、茂名、拉萨大气光学湍流廓线

在新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区释放的探空气球,实现了温度、气压、风速等常规气象参数以及大气折射率结构常数的廓线测量。基于Tatarski湍流参数化方案以及以上地区探空数据,利用Thorpe尺度估算了新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区的高空大气光学湍流廓线,并将这三个地区实测的廓线与其对应的估算结果做了对比,结果表明:估算值与实测值在量级和变化趋势上表现出较好的一致性,相关性分别为69%,60%,68%;Thorpe尺度相较于其他估算湍流廓线的参数化方法输入参数少、更简便。

利用Thorpe尺度估算南极点大气湍流廓线

分析了南极点(South Pole)2012年常规气象参数探空数据,统计了南极点全年的边界层高度分布,利用Thorpe尺度估算了南极点夏季及冬季的折射率结构常数Cn^2、大气相干长度、视宁度、等晕角等参数和边界层高度以上及边界层内的视宁度及其对整层(0—25 km)视宁度的贡献,将之与文献结果比对。结果表明:估算的Cn^2在近地面随高度迅速递减,300 m后随高度缓慢减小,5 km以后出现一个鼓包,10 km后随高度稳定递减,都呈现湍流主要集中于300 m以下这一特点。用Thorpe尺度估算的南极点冬季整层视宁度为1.87",270 m以上高度视宁度为0.39",与文献报道较为吻合。Thorpe尺度相较于其他外尺度模式估算过程更为简便。

大气光学湍流廓线探测方法研究进展

激光在大气传输过程中,由于湍流折射率的随机起伏会引起波前畸变、光斑漂移、闪烁等一系列光学湍流效应,因此严重制约了遥感成像系统和激光通信技术的发展。通过分析大气光学湍流对多个领域的影响,指出了探测大气光学湍流廓线的重要意义。要想获取光学湍流的时空分布规律并准确评估光学湍流对光学成像或激光传输系统的影响,就必须对光学湍流进行准确的测量。以光学湍流特征参数为视角,介绍了目前国内外探测大气湍流廓线分布的方法和研究进展,总结了各技术方法的测量原理及优缺点。最后对拟开展的差分波前激光雷达探测大气湍流廓线的方法进行了简要介绍,该技术具有空间分辨率高且不存在聚焦焦移的探测优势。初步的仿真研究结果表明该雷达系统对大气光学湍流廓线的探测具有可行性。

利用Tatarski方案估算不同环境下的光学湍流廓线

大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响,满足光电工程的应用,准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式,利用探空仪测量的气象探空数据,对内陆(合肥)、海陆交界处(茂名)和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证,发现在变化趋势和量级上相近,为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外,还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。

湍流廓线激光雷达的数据库系统管理设计

介绍了湍流廓线激光雷达的工作原理,并对如何将采集的文件信息进行数据库的编程管理进行了重点讨论。在分析数据中使用了基于COM组件的VC++和MATLAB混合编程方式,美化了作图界面,为我们实时的剔除无效数据,更新数据,是否重新采集等提供依据。

日间大气光学湍流廓线探测技术的进展

大气会使望远镜成像质量下降,若要降低大气对望远镜的影响,就需要为望远镜选择优质的台址、安装自适应光学系统。由于受到太阳辐射的影响,日间大气湍流往往比夜间更为剧烈。现如今国内外已有多台太阳望远镜搭建了自适应光学系统。传统的自适应光学系统有观测视场小等缺点,新型宽视场自适应光学系统可以解决这些问题,但对大气湍流廓线的精确探测是其前提与关键;同时,以湍流为成像理论的天文高分辨率技术也需要对湍流进行较为细致的探测。因此,日间大气湍流廓线探测技术对天文观测有重要的价值。首先介绍了大气湍流相关参数;之后,重点介绍了声雷达、SHABAR、MOSP、SDIMM+、A-MASP等日间大气湍流廓线探测技术,总结了各种测量技术的原理和优缺点。

利用不同外尺度模型估算戈壁地区光学湍流廓线的对比研究

采用新疆戈壁地区3次对比试验数据,分析了Coulman、Dewan、Fried和Lukin 4种外尺度模型对Tatarskii公式估算折射率结构常数(Cn2)的影响。结果表明:温度脉动探空仪实测Cn2数据较Coulman和Dewan模型得到的结果大2个量级,比Fried模型得到的结果小1个量级,在10 km以上的范围,偏差尤为明显。只有Lukin模型得到的结果与实测值最为接近。利用实测Cn2值反算得到了外尺度廓线,整层平均值在38 m左右,比Dewan和Coulman模型得到的外尺度均值大1个量级。

大气光学湍流廓线估算方法研究进展

本文介绍了运用Thorpe尺度、Ellison尺度、神经网络等在Cn^2廓线估算和预报方法方面的最新研究进展。给出了Thorpe尺度估算南极点冬季和夏季Cn^2廓线、Ellison尺度估算西藏拉萨Cn^2廓线以及与探空实测值的比较,介绍了SA-BP神经网络算法流程图和结构图。最后对几种方法进行了讨论。

基于MASS方法湍流强度廓线反演影响因素的分析

讨论了通光孔径尺寸和湍流高度分层模型对权重函数的影响。在此基础上利用奇异值分解法,反演了不同通光孔径尺寸和湍流高度分层模型下的湍流强度廓线,并进一步分析了通光孔径尺寸和湍流高度分层模型对反演结果的影响。结果表明:采用较小孔径比、等比湍流高度分层模型的权重函数反演得到的湍流强度廓线更为合理。