利用闪烁激光雷达探测大气湍流的方法研究

摘要

湍流导致在大气中传输的光波产生光强起伏、相位起伏等湍流效应，对一系列光学工程的应用效果造成了严重的影响。利用激光雷达主动光学探测技术准确获取实时湍流强度信息在随机介质光传播研究和光学工程应用中具有十分重要的意义。
　　本文开展了光强闪烁激光雷达传输过程中闪烁效应的基础理论研究和影响因素分析，对实际测量的回波信号进行降噪处理，实现了水平以及垂直方向上的大气湍流强度探测。主要工作和结论如下:
　　(1)分析了光强闪烁激光雷达探测过程中双程光路的闪烁效应，对于单粒子散射近似，结合惠更斯-菲涅耳原理以及Rytov近似理论，分析了考虑孔径平滑效应以及大孔径接收条件下的双程传输闪烁效应，结果表明:满足大孔径条件的闪烁激光雷达在长距离湍流探测过程中，最终获取的残余闪烁指数为发射路径上的湍流效应引起的球面波轴向闪烁指数;在不满足点反射的条件下，激光雷达获取的闪烁指数为被漫反射体孔径平滑的入射球面波闪烁指数。
　　(2)结合Kolmogorov谱、修正Hill谱以及Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型，分析了闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数C2n之间的关系。针对水平探测路径，从理论和实验上分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况以及内尺度对闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度，结果表明:有限内尺度的C2n测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度时C2n的测量结果，且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关，则在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中需要考虑内尺度。
　　(3)分析了闪烁激光雷达回波光强信号分布的统计特征，使用极大似然概率分布对实际光强概率分布进行拟合，并与正态分布进行对比，结果表明:最低四阶中心矩的极大似然概率分布能够很好的描述回波信号对数光强的实际分布，通过偏斜度和陡峭度的分析表明对数光强实际概率密度分布虽然与正态分布有微小差异，但基本服从正态分布。利用考虑孔径的指数威布尔分布的拟合结果表明，拟合结果和实际计算结果存在一定偏差，但两者基本保持一致。垂直方向上计算得到的指数威布尔分布准确性很大程度上依赖于C2n反演的精度。
　　(4)在有限内尺度基础上，利用闪烁激光雷达实现了不同路径上大气湍流强度的探测。使用小波阈值法和EMD模态分解法对激光雷达回波信号进行降噪处理。水平路径上与闪烁仪的对比实验表明有限内尺度下C2n的变化大小和趋势与闪烁仪测量结果基本一致，也证明了EMD降噪方法的可行性;垂直方向上采用分层迭代算法反演了C2n廓线并与合肥夏季C2n廓线模型进行对比，结果表明:反演结果与模型整体变化趋势较为一致，但有限内尺度条件下的湍流强度值相对偏小，原因在于反演过程中因无法获取内尺度随高度的变化，假设了整条探测路径上内尺度为常数，造成测量误差，导致考虑内尺度情况下获取的C2n廓线不是最准确的。

目录

声明

摘要

引言

第1章 大气湍流特性及其探测技术

1．1 大气湍流基本特性

1．2 大气湍流特征参数

1．2．1 湍流外尺度

1．2．2 湍流内尺度

1．3 常用几种大气湍流功率谱模型

1．3．2 修正Hill谱

1．3．3 Rytov改进模型

1．4 非光学大气湍流探测技术

1．5 非主动大气湍流探测光学技术

1．6 主动大气湍流探测光学技术

第2章 激光大气传输湍流效应

2．1 激光大气传输解析方法

2．1．2 Markov近似

2．1．3 Huygens-Fresnel相位近似

2．2 激光大气传输一般线性效应

2．2．1 吸收与散射

2．2．2 相位与到达角起伏

2．2．3 光束漂移和扩展

2．3 激光大气传输闪烁效应

2．4 光强概率密度分布

2．4．1 对数正态分布和Gamma-Gamma分布

2．4．2 极大似然概率分布

2．4．3 指数威布尔分布

2．5 光强起伏频谱特征

2．6 孔径平滑效应

第3章 激光雷达双程传输路径上的闪烁效应

3．1 激光双程路径传输

3．1．1 双程传输基本过程和原理

3．1．2 回波闪烁指数

3．1．3 孔径平滑效应

3．1．4 水平对比实验验证

3．2 漫反射体目标

3．2．1 后向散射增强效应

3．2．2 回波闪烁指数

3．2．3 孔径平滑效应

3．3 本章小结

第4章 内尺度对闪烁激光雷达探测湍流强度的影响

4．1 内尺度对大气折射率结构常数测量影响的理论分析

4．1．1 水平路径

4．1．2 垂直路径

4．2 内尺度对大气折射率结构常数测量影响的实验分析

4．3 本章小结

第5章 闪烁激光雷达回波信号光强分布研究

5．1 水平探测路径回波信号光强分布

5．1．1 极大似然概率分布拟合

5．1．2 偏斜度和陡峭度分析

5．1．3 指数威布尔概率分布拟合

5．1．4 分析小结

5．2 垂直探测路径回波信号光强分布

5．2．1 极大似然概率分布拟合

5．2．2 偏斜度和陡峭度分析

5．2．3 指数威布尔分布拟合

5．2．4 分析小结

5．3 本章小结

第6章 激光雷达回波信号降噪及大气湍流强度探测

6．1 回波信号降噪

6．1．1 小波阈值降噪法

6．1．2 EMD降噪法

6．1．3 两种降噪方法对比

6．2 水平路径探测大气湍流强度

6．2．1 数据预处理

6．2．2 不考虑内尺度

6．2．3 考虑内尺度

6．2．4 对比实验

6．3 激光雷达探测大气湍流廓线

6．3．1 数据预处理

6．3．2 不考虑内尺度下湍流廓线的反演

6．3．3 有限内尺度下湍流廓线的反演

6．3．4 对比验证

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文主要工作和创新点

7．2 进一步研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与取得的其他研究成果