弱风条件下斜程海洋湍流中涡旋光束的传输特性

光束在海洋介质中传输会极大地受到海洋湍流的影响。此外,涡旋光束轨道角动量的复用会极大地提高系统容量,因此研究涡旋光束在海洋湍流中的传输具有重要意义。在水平海洋湍流理论基础上,创新性地构建了斜程路径上海洋湍流相位屏模型,以相位结构函数为依据验证了海洋湍流相位屏的准确性,根据多相位屏法搭建准直高斯涡旋光束在海洋湍流中的上行传输链路模型。数值模拟并分析了不同天顶角、海洋湍流内外尺度及拓扑荷数等其他海洋湍流参数对准直高斯涡旋光束经海洋湍流上行传输的光强及相位分布、光束漂移、轴上闪烁指数和长曝光光斑半径的影响。结果表明:涡旋光束的拓扑荷数越小、天顶角越小,光束受到湍流的影响越大;在海洋湍流上行传输链路中,准直高斯涡旋光束的光束漂移、轴上闪烁指数及长曝光光斑半径随海洋湍流外尺度的增大而增大,且主要受传输距离的影响;理想情况下,取海洋湍流外尺度为无穷大,会高估湍流对光束的影响;由于涡旋光束的本身特性,拓扑荷数对光强及相位分布和长曝光光斑半径的影响也较为显著。

应用地基GPS遥感倾斜路径方向大气水汽总量

应用地基GPS沿倾斜路径方向遥测大气水汽总量,是获得测站周围水汽三维空间分布信息(水汽层析)的基础.本文介绍了地基GPS沿倾斜路径方向遥感大气水汽总量的原理和方法;首先用湿梯度、后处理残差联合计算接收机上空不同方位上大气水汽各向异性成分,在此基础上重构倾斜路径水汽总量.为验证GPS观测结果精度,用微波辐射计(WVR)与GPS一起进行了联合观测,不同观测地点和时间的对比结果表明,二者root mean square(RMS)误差小于4mm,证明应用此种方法地基GPS可较精确地反演出倾斜路径方向大气水汽总量,而且这种反演方法适合于近实时大气遥感探测.地基GPS测量具有全天候可连续观测等优点,可以弥补常规观测的不足,为气候研究提供高精度且连续的水汽数据资料;组网观测可以为数值天气预报提供好的初始场,提高模式预报精度.

地基GPS斜路径水汽反演技术及资料应用初探

斜路径水汽总量(Slant pathWater Vapor,SWV)包含了一定的水汽非各向同性空间分布信息,是区域地基全球定位系统(Global Positioning System,GPS)网进行三维水汽层析的主要数据源;测站所得到的SWV时间序列,直观地反映接收机测站周边水汽的不均匀分布和动态变化特征。采用天顶可降水汽总量(PrecipitableWaterVapor,PWV)反演技术,以及湿映射函数构建、大气水平梯度模型构建、残差处理等技术,建立斜路径水汽总量解算算法。通过同步并址观测的1141个样本比较,在高仰角区间,GPS与微波辐射计对斜路径方向上水汽总量的观测平均偏差5.8 mm,均方差4.4 mm。在结合雷达、微波辐射计等观测对暴雨个例的综合分析中,SWV系列时序产品能较好地表现测站周边水汽堆积和降水发生后的水汽减少等细微特征。SWV作为一种新的观测产品,为天气分析提供了能反映测站周边水汽的分布状况的新信息,为强对流天气预警预报和机理分析提供新的研究角度。

利用GPS的倾斜路径观测暴雨过程中的水汽空间分布

介绍了地基全球定位系统(GPS)沿倾斜路径方向观测水汽总量(SWV)的原理和方法;不同时间和不同地点的GPS SWV与微波辐射计反演的SWV符合较好,误差在3 mm左右,表明GPS可以较高的精度探测SWV。计算了区域GPS观测网在一次暴雨过程中不同空间方位上的水汽观测结果,为消除不同路径对SWV的影响,把SWV转化为天顶方向的值VSWV;分析了同一GPS站点对不同卫星方向VSWV的变化情况,以及不同GPS站点对同一个卫星方向VSWV的关系。结果表明,区域GPS观测网中倾斜路径观测可较好地探测不同方位上水汽的分布和变化;SWV相对于天顶方向的大气水汽总量PW而言,能更好地代表真实大气水汽分布;在探空或卫星观测等传统观测手段无法探测的情况下,GPS SWV数据可提供中小尺度暴雨结构中水汽分布和变化状况等有用信息。

地空激光大气斜程传输湍流效应的数值模拟分析

大气湍流效应是制约各种激光工程应用的重要因素之一。采用多层相位屏的模拟方法,针对地空激光大气的长距离斜程传输进行了大量数值模拟,通过变化天顶角、光束初始半径和激光波长等传输条件,定量分析了光束的有效半径、相对真空扩展倍数、光斑质心漂移均方根和63.2%环围能量的平均功率密度等统计参量在不同传输条件下受湍流的影响程度和变化规律。结果表明:天顶角越大,湍流效应越强,光束受到湍流的影响越大;波长越短,光束受到湍流的影响越强;光斑的漂移随光束初始半径的增大而减小,且与波长无关;在湍流效应和衍射效应的综合作用下,光束有效半径和63.2%环围能量的功率密度随波长和光束初始半径均不是单调变化。这可为激光工程应用提供一定的理论分析和性能预测依据。

1.064μm激光大气斜程散射建模及仿真

为了研究大气气溶胶对激光斜程传输的散射特性,建立了基于米氏散射理论的1.064μm激光大气斜程散射模型。利用MATLAB软件对模型进行仿真计算,分析了斜程散射光辐射参量的分布特性。并结合地面探测分析了探测器的方位及探测方向对散射光辐射照度的影响。结果表明,该模型为机载激光指示器系统的战术训练、地面激光探测提供了可靠的理论依据。

湍流大气中光波闪烁的斜程问题研究

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU R湍流大气结构常数模型 ,将水平传输的修正Rytov方法扩展到了斜程传输问题中。在零内尺度湍流谱模型下 ,得到了平面波入射时从弱起伏湍流区到强起伏湍流区闪烁指数随斜程Rytov方差的变化规律 ,最后讨论了闪烁指数随天顶角的变化情况。

利用BP-ANN和地基单站GPS数据反演大气折射率剖面

分析表明地基单站GPS接收机低仰角信号的斜路径延迟是适合进行大气折射率剖面反演的基础量,为此建立了五层BP-ANN(后向传播人工神经网络)用于大气折射率剖面的反演。利用青岛地区10年的历史探空数据进行网络训练和仿真反演,仿真反演结果与探空剖面有很好的一致性。

星地斜程大气信道激光通信可通率研究

用STK仿真分析了星地激光通信链路的可见时间和俯仰角。在能见度5 km的城市大气模式下,分别计算了定位于不同经度的2颗GEO卫星对3个城市通信的大气衰减及光强闪烁、到达角起伏等效应,由此分析了晴天、卷积云条件下的大气信道功率损耗,并通过设置链路最小功率阈值来建立星地间大气信道激光通信链路可通率模型。仿真结果表明,当发射功率为10 W时,对比得出东经75°的GEO卫星地面站可通率较好,晴天能见度大于5 km的平均可通率可达到93%;卷积云时平均可通率可达到66.7%,且3个城市中对海南的可通性最好,为星地激光通信外场实验提供了一定的依据。

地基GPS和微波辐射计倾斜路径水汽对比观测试验方案设计

为开展地基GPS接收机和微波辐射计斜路径水汽总量的对比观测试验,设计实现一套控制微波辐射计全自动追踪可视范围内某颗GPS卫星,以获取微波辐射计与该GPS卫星之间斜路径水汽总量的外场试验方案。根据观测设备的特点,在软件控制层面上,该试验方案集成GPS接收机和微波辐射计的I/O数据和控制文件,实现各种天气条件下的自动连续观测,获取的观测数据样本具有代表性。该试验方案的实施全程由计算机控制,既可避免可能的人为操作失误,又能节约人员劳务开支。初步的观测结果表明,试验方案能够满足倾斜路径水汽总量对比试验对微波辐射计定位精度的要求。

太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减

太赫兹大气传输是太赫兹科学技术及其应用的重要组成部分,它几乎渗透于所有的太赫兹应用技术领域.现有文献中所说的太赫兹大气传输基本都是水平路径的传输,而文章基于辐射传输、色散理论和Van-Vleck Weisskopf线型,结合喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)数据库,建立了太赫兹波沿大气层倾斜路径的传输衰减模型,对0.1~1THz频段太赫兹波沿倾斜路径传输的吸收衰减特征进行了数值模拟研究.分析了低端太赫兹大气传输的窗口结构,为太赫兹地空通信提供了理论参考.

对流层延迟模型映射函数研究

在介绍经验映射函数NMF和动态映射函数VMF1、GMF模型的基础上,利用ECMWF提供的格网数据,具体研究和分析了这3种映射函数1a中的时间变化特征及其随高程、纬度、高度角变化的特点,并比较了3种映射函数随高度角的变化对斜路径延迟估计的影响。

大气湍流中激光波束斜程传输的展宽、漂移特性

根据推广的Huygens-Fresnel原理推导了不同接收机高度斜程传输情况下波束的扩展半径。同时结合Mellin变换,导出了考虑外尺度情况下准直激光波束漂移方差模型,可以退化到不考虑外尺度时漂移方差。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气结构常数模型,结果表明,斜程大气湍流中波束的漂移方差、扩展半径依赖于接收机高度和初始波束半宽。随仰角的增加,波束的有效半径和漂移方差不断减小;累积效应斜程传输波束受大气湍流的影响比水平传输要小得多。

部分相干光在大气湍流中的光束扩展及角扩展

基于广义惠更斯-菲涅耳原理、交叉谱密度函数,利用修正Von Karmon谱模型以及ITU-R颁布的大气折射率结构常数模型,推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中传输时的束宽及角扩展表达式,讨论并对比斜程和水平两种传输方式下天顶角、传输距离、湍流强度、相干长度等参数对光束束宽与角扩展的影响,同时分别从相对束宽和相对角扩展的角度分析各种参数对于光束抑制湍流能力的影响,并给予相应的物理解释。结果表明:当天顶角小于π/3时,光束在斜程传输时的光束扩展和角扩展量接近于垂直传输,所受湍流影响很小。传输距离大于1 km时,束宽和相对束宽随传输距离的增加而明显增加。光束相干长度越大,光束所受湍流影响越大,而束宽及角扩展会随之减小。

微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型

在微波遥感和卫星通信领域内 ,对流层湍流大气引起的信号闪烁现象的研究是至关重要的一个问题。引起接收信号闪烁的大气折射率起伏一般由大气结构常数Cn2 来度量。根据ITU R光波波段的Cn2 模型及ITU R幅度闪烁标准偏差σχ 的经验模型讨论了在微波波段影响Cn2 的主要因素 ;建立了微波波段的Cn2 模型。其优点是考虑了大气温度和湿度随高度的变化。根据湍流的幅度闪烁理论 ,在频率分别为 12GHz,2 0GHz和 30GHz时 ,用该Cn2 模型计算了σχ,并与ITU R和Ortgies模型的预测结果进行了比较 ,结果表明一致性较好 ,说明该Cn2 模型是实用的。

激光辐照低慢小运动目标功率密度分析

针对激光毁伤低慢小目标问题,建立了1.06μm激光斜程照射低慢小目标的模型。通过对该模型的仿真计算,得到了不同大气能见度条件下,激光透过率与目标天顶角和目标高度的关系曲线,及不同初始天顶角条件下,归一化功率密度与时间的关系曲线。分析了大气能见度,照射天顶角及目标飞行高度对目标表面归一化功率密度的影响,确定了激光防御低慢小运动目标过程中,激光照射的最佳条件,当照射初始天顶角θ0=arctanvT/2h时,可以使得在照射时间内,照射到目标表面的能量最大。

关于斜程湍流大气中激光波束闪烁指数研究的综述

根据光波斜程传输理论以及随高度变化的ITU-R湍流大气结构常数模型,将水平均匀湍流介质情况下成立的修正Rytov方法扩展到斜程传输问题上,建立了激光高斯波束波从弱湍流区到强湍流区斜程路径考虑湍流内尺度和外尺度的闪烁指数统一模型,在大气结构常数为一定值时可退化到水平传输情况。数值计算分析了1.06μm、1.315μm、3.8μm和10.6μm等典型波长的波束闪烁特性,结果表明波长较短时,内尺度影响较大,且内尺度效应对闪烁的影响要大于外尺度效应,但在强起伏情况下,外尺度的影响也变得较为显著。

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。

部分相干光在斜程和水平大气湍流中的光强与扩展

基于广义惠更斯-菲涅尔原理、交叉谱密度函数,利用修正von Karmon谱模型以及ITU-R颁布的大气折射率结构模型,首先推导出部分相干高斯-谢尔光束在大气湍流中斜程和水平传输时的光强分布以及光束扩展解析式,然后分别从归一化光强分布和相对束宽的角度讨论并对比了斜程和水平传输时天顶角、湍流强度、光束相干长度等参数对光束光强分布和扩展的影响,并给予相应的物理解释.研究表明:1)部分相干高斯-谢尔光束在自由空间中水平传输时的归一化光强与斜程传输时的光强分布相同;2)天顶角越小,光束的归一化强度分布越集中,峰值光强越强,同时所受湍流的影响也越小.3)在斜程传输情况下,天顶角、湍流强度、光束相干长度等参数对光束扩展的影响与水平传输几乎一致.

径向阵列艾里涡旋光在倾斜大气湍流中的漂移特性

采用等Rytov指数间隔多相位屏法来模拟径向阵列艾里涡旋光束(RAAVB)沿倾斜路径通过大气湍流时的光斑质心漂移。对比并分析了拓扑荷、天顶角、湍流外尺度和涡旋离轴距离对光束漂移的影响。结果表明:光束在倾斜大气湍流中传播时,相同条件下,CAAVB的漂移现象比阵列艾里光束受湍流影响更小;相比于天顶角和湍流外尺度,拓扑荷对光束漂移现象影响更大,光束漂移随拓扑荷的增大而减小,随天顶角和湍流外尺度的增大而增大;离轴型RAAVB的漂移现象比轴上型更严重,且漂移随着涡旋离轴距离的增大而增大。