大气湍流

摘要： 为了深入研究大气湍流对光传播的影响,以大气湍流波前畸变理论和光学成像原理为基础,利用Zernike多项式展开法进行了大气湍流畸变相位图及光强图的数值模拟,数值模拟值与残差的理论值一致。设置不同的输入参数模拟各种不同大气湍流强度下的畸变相位图、光强图和Zernike系数,在基于深度学习的自适应光学系统中进行了相关测试,获得了较好的校正效果。

摘要： 大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。

摘要： 大气湍流对对流层内微波的传播具有重要影响,正确认识大气湍流的特性有助于提高电波传播模型预测的准确性和可靠性.本文利用天气数值预报(weather research and forecasting,WRF)模式预测气象要素,计算微波波段大气折射率结构常数,研究对流层内大气湍流的时空分布特性,并探讨其与温度、相对湿度和修正大气折射率的变化关系.研究表明:近海面微波湍流强度具有明显的日变化特征;对流层内微波湍流的垂向结构具有较为明显的分层;大气环境出现逆温减湿现象,湍流活动较强.这些研究成果可为微波在大气环境中传播的准确预测提供理论支持.

摘要： 不同偏振特性光束受大气影响特性不尽相同,合理选取最优偏振态光束作为激光通信系统光源,可大大降低通信系统受大气湍流的影响。研究不同初始偏振态激光光束在大气中传输的光强闪烁效应,给出偏振态激光光束经大气传输后闪烁因子的表达式。设计并制作多参数高精度可控激光光源,并采用大气湍流模拟装置来模拟大气湍流,对不同初始偏振态激光光束在大气湍流中传输的光强闪烁效应进行实验研究。结果表明:当偏振角θ取值范围为45°≤θ<90°时,光束经过大气湍流传输后的闪烁因子随着θ的增大而减小;当0°<θ≤45°时,光束经过大气湍流传输后的闪烁因子随着θ的减小而减小;左旋圆偏振和右旋圆偏振激光光束的光强闪烁因子随湍流强度的变化趋势基本相同;与线偏振激光光束相比,左旋偏振光和右旋偏振光在相同的大气湍流强度下其光强闪烁因子均小于任何偏振角度的线偏振光;通过对激光通信系统的偏振态进行优化,可以有效抑制大气湍流对激光通信系统的影响,降低接收端光强起伏,降低激光通信系统误码率,有效提高激光通信系统性能。

摘要： 以提高通信链路的稳定性为目标,针对传统算法如形心法、质心法等在大气激光通信中定位稳定性较差的问题,提出了一种滑动加权质心定位算法。改进了自适应阈值分割方法,提高光斑定位的精度;对光斑进行去背景噪声处理和中心噪声补偿,最大程度保留光斑有效灰度范围;通过非线性权重质心定位算法进行粗定位,加入滑动补偿机制后实现光斑中心的精定位。对该方法进行了理论及实验验证,结果显示,相比于传统的形心法、质心法、非线性权重质心定位法,本文提出的滑动加权质心定位算法对连续光斑中心的定位步长有不同程度的减小,理论结果最大可以减小21.5%,实验结果最大可以减小11.7%;且在同等面积的光斑中心掩膜内像素总强度更高、综合定位效果更好。

摘要： 幸运成像技术是一种事后图像恢复技术,能够有效减小大气湍流对图像质量的影响。传统的频域幸运成像算法的效果优于空域算法,主要由图像预处理、数据选择和数据叠加3部分组成。提出了一种基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)的频域幸运成像算法,并在现场可编程门阵列上构建了频域幸运成像的实验系统。本系统通过将二维转换为两个一维的处理方式对天文图像数据进行二维快速傅里叶变换(2D-FFT),采用频域数据的实部平方与虚部平方之和代替幅值进行数据选择,得到的高分辨率图像与基于中央处理器(Central Processing Unit,CPU)算法处理的结果基本相同。本实验系统能对2000帧128×128像素的图像进行频域幸运成像处理,比传统的基于中央处理器频域幸运成像算法速度快13倍多,实现了对传统频域幸运成像算法的加速,同时也为将来频域幸运成像的实时化提供了一种可行的技术方案。

摘要： 针对直升机降落过程中产生的中等强度湍流劣化紫外光通信质量的问题,提出了Gamma-Gamma信道下的紫外光近直视通信模型,推导出考虑闪烁衰减的误码率公式,并引入分集接收技术抑制湍流效应,采用仿真进行性能对比。结果表明,在中等强度湍流条件下,闪烁衰减导狡信噪比降低1.73〜2.1 dB,误码率增加92〜2.67×10^(4)倍;湍流强度越强,通信系统的误码率越高;在相同条件下,最大比合并(MRC)性能最佳,等增益合并(EGC)次之,选择性合并(SC)最差,且天线数量增加,能提升紫外光通信系统效能。在中等强度湍流信道中,采用分集接收技术能够有效抑制衰落影响,提升通信质量。

摘要： 为了提高光纤脉冲相干激光测风雷达性能,采用数学建模的方法来分析光学天线特性。利用后向传播本振原理,讨论光学天线口径对系统载噪比的影响,以及光瞳截断比对天线效率的影响;提出光学接收耦合效率的定义,研究不同大气折射率结构常数条件对耦合效率和测程的影响;通过搭建实验平台,测量不同距离门内的载噪比和频谱强度等参数,验证了仿真结果。结果表明,当远场探测距离在7km~10km范围内变化时,天线最优口径为100mm,光瞳截断比最优值为0.8;相较弱湍流情况,强湍流会使同一系统测程下降近30%。此研究为光学天线的优化设计提供了理论依据。

摘要： 与直接探测相比,相干探测具有响应速度快、检测灵敏度高和滤波性能好等优点,是提高无线光通信系统接收灵敏度的关键技术。总结了国内外在无线光通信系统相干探测领域的研究进展,同时介绍了西安理工大学在相干探测技术方面的研究工作,主要包括与无线光相干通信有关的大气湍流抑制、到达角起伏、振幅起伏、信道噪声、光信号偏振、本振光功率和光源线宽等因素对相干探测系统性能的影响以及副载波调制非光域外差探测系统在理想信道和非理想信道的性能分析。最后,对无线光相干通信系统的发展方向进行了展望。

摘要： 为提高多口径发射的自由空间光通信系统性能,以“海洋高速通信网络关键技术研究与验证”项目为背景,提出了平均误码率(BER)的解析表达式。通信系统采用典型的强度调制直接探测(IMDD),工作在由指数威布尔(EW)分布模型描述的湍流环境中。分析了系统在不同信道参数下的孔径平均效应,以及不同发射口径数和通信速率对平均BER的影响。仿真结果表明:低通信速率下多口径发射系统具有良好的湍流抑制能力,高通信速率下不同发射口径的到达时间差会增加通信系统的误码概率。

摘要： 深空测控网采用大规模天线组阵系统比单个大天线具有明显的优势,构建一个Ka频段的天线组阵系统无论对于星际测控通信还是天文观测都是一种高效费比、可持续扩展的技术方案.然而天线组阵系统工作于Ka波段时,由于天线间相位的快速起伏漂移将使得合成信噪比迅速恶化,这尤其对于深空测控上行链路信号的相位监测和闭环控制带来巨大挑战,所以对天线间大气相位扰动测量和数值模拟非常必要性.参考国外相关的干涉测量数据,首先分析了天线组阵大气相位扰动测量和统计分析方法,然后利用微波大气湍流模型,建立了天线组阵相位漂移抖动模型,对大气湍流引起的相位延迟扰动过程进行了仿真实现.利用模型产生的天线组阵相位抖动数值,可以测试和评估天线组阵信号合成处理系统的适用性.

摘要： 本文研究了不同调制格式包括OOK、DPSK、QPSK在gamma-gamma大气湍流信道下自由空间光通信的性能.利用MeijerG函数推导出自由空间光通信的性能指标平均误码率的闭合表达式.在不同大气湍流强度下分别给出了几个数值仿真实例,分析了大气折射率结构常数、传输距离、信噪比与自由空间光通信系统性能的关系.由于系统传输的信道是大气空间，系统的传输性能会受到大气光学特性的影响，大气湍流效应会导致传输光束的波前随机起伏，造成光斑漂移、强大起伏（闪烁）等，使传输的光束质量严重下降，从而进一步造成FSO系统的误码率增加、信道容量减小、中断概率增大等系统性能下降，严重影响了系统的稳定性和可靠性。另外，传输距离的增加也是降低系统性能的另一关键因素。

摘要： 为了研究某些机载光电系统中高能激光的大气传输特性,在分析功率谱反演法和Zernike多项式法构建大气湍流相位屏原理的基础上,采用该方法对大气湍流进行多相位屏数值建模仿真.仿真计算考虑了不同相位屏宽度、湍流强度、Zernike多项式阶数和有无低频补偿下相位屏的变化趋势.对数值模拟结果进行了分析,并通过结构函数对相位屏验证.结果表明:以上参数的选取对模拟相位屏的相位变换有较大影响,同时低频补偿和多项式阶数分别对谱反演法和Zernike多项式法相位屏影响较大;低频补偿和提高多项式阶数存在计算量大、计算复杂等缺点.因此,高能激光传输与控制系统需根据具体应用,合理选择参数.

摘要： 大气湍流能量耗散率是研究大气边界层环境和大气污染的基本参数之一.基于相干多普勒测风激光雷达数据的耗散率算法已经被提出并应用.传统的速度方位显示(VAD)扫描采用连续步进的电机,其径向速度测量精度受到多普勒谱宽增宽的影响,因此提出一种非连续步进VAD扫描以提高测量精度,并将雷达与探空气球测风结果做对比,验证了这种扫描方式的可行性.分别在合肥、济南和三沙市进行了外场实验,同时获取了水平风速风向,垂直风速和耗散率廓线,初步分析并比较了耗散率的时空分布特征.

摘要： 本文主要介绍西安理工大学在OAM(Orbital Angular Momentum,轨道角动量)复用领域的若干研究进展.轨道角动量多路复用是在继时分多路复用(Time Division Multiplexing,TDM)、码分多路复用(Code Division Multiplexing,CDM)、频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,WDM)和空间分复用(Space Division Multiplexing,SDM)技术之后出现的一个多路复用技术.研究了涡旋光束的生成、传输、波前校正以及检测,讨论了大气湍流对OAM叠加态的影响.研究成果为OAM复用通信系统的实现提供了理论基础和实验基础.

摘要： 可见光通信作为一种新的无线通信技术已经逐渐成熟并投入使用.为了在近海面环境中提供有效的可见光通信链路,建立有效的信道传输模型进而研究近海面可见光通信系统传输性能是非常重要的.在本文中,基于Gamma-Gamma分布模型,推导了近海大气可见光通信系统在强大气湍流环境中的平均误码率数学表达式.在此基础上,根据(Pierson-Moskowitz,PM)海浪谱,分析了近海面风速、大气折射率结构常数、传输距离、信噪比、大气能见度对可见光通信系统平均误码率的影响.本文结果可以对近海面可见光通信系统性能的评估,为可见光通信系统参数的选取提供参考.

摘要： 随着中国经济和城市化的快速发展,中国环境问题日益突出,霾污染天气出现爆发性增多,对霾的研究也愈加重视.本文基于2016年12月15～17日逐日和逐小时的苏州常规气象资料、自动气象站资料、空气质量指数(AQI)以及PM2.5等气溶胶粒子浓度资料,采用统计分析的方法,并应用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)后向轨迹模式HYSPLIT4,分析2016年12月15～17日中重度霾形成、发展及消散,以期更好地认识霾成因,提高霾污染天气的预报预警水平.2016年12月15-17日苏州中重度霾天气主要以PM2.5污染为主，极值为205微克每立方米，出现在17日02时。一方面北方污染物源源不断地输送，另一方面苏南地区受高压控制，低层风速小，水平方向扩散能力弱，造成外来污染物停滞，并与本地污染物不断集聚，为霾的维持和发展提供有利条件。近地层逆温存在，大气湍流混合作用弱，垂直方向扩散条件差，是此次中重度霾发生的重要因素之一。12月17日14时以后，气压梯度增大，风速增强，扩散条件良好，污染物浓度下降，中重度霾消除。

摘要： 大气湍流积分尺度和相关系数既是表征大气湍流特征的重要物理量,也是反映风场特性的重要指标,并巨在大气污染物扩散模拟与结构风荷载分析等应用中有着重要的意义.本文利用哈尔巴岭气象塔高频梯度湍流观测数据计算了该地区复杂下垫面情形下的冬夏两季节的相关系数与湍流积分尺度,并对其特征进行了初步的分析.相关系数随时间变化的曲线在不同方向、不同高度与不同季节有着不同的变化特征。近地层不同季节不同方向不同稳定度下的相关系数随时间的变化关系存在不同的特征。湍流时间积分尺度冬夏两季时间积分尺度出现峰值的时间不同，这应与热力作用相关，并巨没有存在一直Lu＜Lv或Lu＞Lv的情况。不同季节空间积分尺度随稳定度的分布的特征不同，冬季在近中性条件下，空间积分尺度较大。

摘要： 风场对飞艇的影响包括常值风和脉动风,其中脉动风含局部导数影响部分和迁移导数影响部分.然而现有研究中均采用Taylor冻结场假设,即不考虑局部导数部分的影响.本文通过统计数据及脉动风数值仿真说明,局部导数项对飞艇这类低动态飞行器的影响不可忽略.

摘要： 虽然湍流近地层相似理论是大气和气候模式中最重要和应用最广泛的一项参数化理论,然而,其适用性却随着边界层特征的变化而变化.本文利用安装在70m高的气象塔上的涡动协方差系统2017年全年连续观测数据,评估了近地面层中动量和标量之间及不同标量之间的湍流输送相似性.文章揭示了在不稳定边界层中湍流对动量和标量以及各标量之间的输送相似性随着摩擦速度的增加而增加,随着稳定度的增大而减小.本文进一步探讨了湍流相干结构的特征与边界层特征的关系.研究表明,湍流相干结构的强度随着摩擦速度的增加而增加,然而其强度不随稳定度变化.各向同性的小尺度湍涡对动量和标量的输送是相似的,通量的相似性主要由大尺度湍涡决定.

摘要： 本发明公开了一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置及方法，针对目前大气边界层风洞模拟装置及方法存在湍流积分尺度模拟能力不足、人工调控耗时长等问题，本发明在宏观上提出将风洞风速与格栅翼姿态协同控制的方法，在微观上提出变尺寸锯齿边缘的格栅翼外形设计方法，可以有效扩展大气边界层湍流积分尺度的模拟范围。同时，提出了采用机器学习自动寻优的控制方法，可以显著减小试验调试工作量，提高试验效率。此外，变尺寸锯齿边缘格栅翼可同时产生不同积分尺度湍流结构，有助于快速达到湍流充分发展状态。

摘要： 本发明公开了一种测量大气光学湍流信息的方法及光学系统，通过第一望远光学系统向外界发射出信号光以及获取该信号光被外界反射回的光，将第一望远光学系统获取的由外界反射回的光与本振光混合得到第一混合光；通过第二望远光学系统向外界发射出信号光以及获取该信号光被外界反射回的光，将第二望远光学系统获取的由外界反射回的光与本振光混合得到第二混合光；第一望远光学系统和第二望远光学系统的口径不同，根据第一混合光和第二混合光的能量比值，获得外界大气的光学湍流信息。本发明利用光学相干测量方法，利用口径不同的望远光学系统进行测量，与现有技术相比能够提高空间分辨率以及提高测量精度。

摘要： 本发明提供一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置及方法，根据信标模式对信标哈特曼传感器调焦距离进行设置，利用目标哈特曼传感器、信标哈特曼传感器分别接收目标光波、信标光波成像光斑图样，外部同步触发源控制目标哈特曼传感器CCD与信标哈特曼传感器CCD同步采集；利用波前处理机计算同时序目标光波、信标光波在微透镜组子孔径内的平均斜率、并进行差分运算；通过复原算法对差分式平均斜率、目标光波平均斜率进行复原与Zernike模式展开，可得非等晕性波前误差、目标湍流波前二维分布、波面方差、P-V值、Zernike模式方差，非等晕性相对误差等统计特性，以及相干长度、等晕角、信标等效直径等湍流特征参数。本发明光能利用率高、测量误差小，有广泛应用前景。

摘要： 本发明公开了一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，该方法以大视场夏克‑哈特曼波前传感器得到的多个目标的子孔径斜率为输入，以大气总相干长度测量设备测量的大气总相干长度作为约束，获取分层大气湍流强度参数。本方法可以弥补传统太阳差分图像运动监测仪加(S‑DIMM+)方法导致的高层大气湍流强度被低估的不足，提高分层大气湍流强度参数测量精度。

摘要： 本发明提供一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置及方法，根据信标模式对信标哈特曼传感器调焦距离进行设置，利用目标哈特曼传感器、信标哈特曼传感器分别接收目标光波、信标光波成像光斑图样，外部同步触发源控制目标哈特曼传感器CCD与信标哈特曼传感器CCD同步采集；利用波前处理机计算同时序目标光波、信标光波在微透镜组子孔径内的平均斜率、并进行差分运算；通过复原算法对差分式平均斜率、目标光波平均斜率进行复原与Zernike模式展开，可得非等晕性波前误差、目标湍流波前二维分布、波面方差、P-V值、Zernike模式方差，非等晕性相对误差等统计特性，以及相干长度、等晕角、信标等效直径等湍流特征参数。本发明光能利用率高、测量误差小，有广泛应用前景。

摘要： 本发明提供一种大气湍流抑制方法、装置及大气激光通信系统。其中，大气湍流抑制方法，通过设定一个预设光电流，并将接收到的大气湍流引发的光电流与预设光电流进行比较，调节APD的反偏电压，使大气湍流引起的干扰电信号与预设光电流的大气湍流引起的干扰电信号相同，从而将波动的干扰电信号转化为一个类似于直流的干扰电信号，从而抑制了大气湍流的波动以及衰落，同时，通过对空间激光通信的前端接收部分APD的增益进行自适应增益控制，来抑制大气湍流的波动以及衰落，成本低廉，占用空间小，适合轻量级飞艇的使用。同时采用大气湍流抑制方法的大气激光通信系统的误码率远低于固定增益下大气激光通信系统的误码率，提高了通信质量。

摘要： 本发明公开了一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，该方法以大视场夏克‑哈特曼波前传感器得到的多个目标的子孔径斜率为输入，以大气总相干长度测量设备测量的大气总相干长度作为约束，获取分层大气湍流强度参数。本方法可以弥补传统太阳差分图像运动监测仪加(S‑DIMM+)方法导致的高层大气湍流强度被低估的不足，提高分层大气湍流强度参数测量精度。

摘要： 本发明属于空间激光通信技术领域，提出了一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法及装置，包括激光发生器，光学发射仪，光学接收屏，陡峭度参数数据处理器；测量方法是激光发生器产生的光束通过光学发射仪准直和扩束后发射，发射出的准直光束通过大气湍流后被光学接收屏接收，然后根据光束在大气湍流传输时陡峭度参数的变化规律，利用陡峭度参数数据处理器获得陡峭度参数，进而反演计算出大气湍流广义指数参数。本发明所提供的测量方法与传统测量大气湍流参数的方法不同，实现测量方法的实验装置结构简单，无需特殊的、复杂的测量仪器，更易于实现精密测量，操作更方便，效率高，且成本更低。

摘要： 本发明公开了一种激光大气湍流传输特性的动态模拟装置，该装置包括激光器、探测器以及若干反射镜，还包括平移机构和相位屏，每个相位屏的表面起伏形貌符合科尔莫格罗夫功率谱的二维分布，各相位屏独立地由平移机构控制，在垂直于激光光束的平面内平动，以模拟激光大气湍流的动态相位畸变。本发明提供的技术方案利用微加工技术刻蚀的玻璃板制作相位屏并通过平移机构控制以实现激光大气传输的动态模拟，解决了现有技术中面临的仪器昂贵、装置复杂、分辨率低以及光衰减严重不宜传输强光的诸多问题。

摘要： 本发明公开的考虑光电探测噪声的大气湍流信道衰落参数估计方法，具体为：步骤1，建立光电探测噪声下的大气湍流信道模型并获得概率密度函数，光强起伏概率密度函数服从Gamma‑Gamma分布，噪声为加性高斯白噪声；步骤2，对光电探测噪声下的Gamma‑Gamma分布的概率密度函数求对数，得到最大似然函数估计表达式；步骤3，利用牛顿‑拉斐逊法求解得到信道参数估计的均方误差。本发明解决了现有技术中存在的估计Gamma‑Gamma信道参数时未考虑噪声导致误差增大的问题。