远海海面大气光学湍流试验测量王倩梅海平李玉剑邵士勇-物理学报
光纤传感技术用于大气光学湍流测量
光纤传感技术用于大气光学湍流测量*梅海平苑克娥饶瑞中（中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心安徽合肥 230031)摘要：大气湍流造成的随机折射率起伏引起一系列湍流效应，如激光波阵面畸变、光束扩展、光斑漂移和光强闪烁等，严重制约了激光技术的应用，实时准确地测量湍流光学参数具有重要意义。
本文简要回顾了几种广泛使用的湍流光学参数测量方法，分析了其适用条件。
结合湍流测量需要，重点阐述了光纤传感技术用于大气光学湍流参数测量的可行性。
最后指出将光纤传感技术引入大气湍流光学参数测量对促进湍流研究工作的进展具有深远意义。
关键词：光纤传感技术大气光学湍流参数测量方法1 引言湍流大气是一种非均匀的随机介质，其折射率是空间位置和时间的函数。
通常湍流大气可看作包含各种尺度折射率的湍涡的集合，当激光波阵面通过湍流介质时，与湍涡边界发生相互作用，产生如光束漂移、光束扩展、光强闪烁和相位起伏等各种湍流效应，这些效应有时会严重影响激光系统的应用。
大气湍流同时受到诸多研究领域的重视，例如，它可降低地基望远镜的成像分辨率，从而成为天文学研究的一个主要问题[1]。
此外，在自由空间光传输研究中，人们一直对大气湍流予以高度重视[2-4]，因为激光在空气中传播数百米后，湍流效应引起的误码便不可忽视。
湍流大气光学从本质上来说是一门实验科学，可以说现今的大气湍流理论大都建立在人们对各种环境下大气湍流的长期实验观察结果的数理统计基础上。
随着理论与数值模拟研究的进展，湍流研究对测量技术的要求越来越高，比如现代高性能计算机运行计算湍流动力学或激光大气传输程序时，要求更高的测量精度和空间分辨率，可是常规的湍流测量手段已经难以满足实际需求。
然而，设计理想的湍流测量设备还面临着众多挑战，这至少有两方面的原因，一方面人们所渴望的测量能力往往受环境(如温度、湿度或盐分)、仪器本身物理性质(如体积、相应速度)或系统带宽的限制(频率响应特性)；另一方面，在某些情况下人们对所观察到的新现象物理过程的认识还不够全面。
海洋大气环境下运动平台上湍流通量和光学湍流测量问题探析
安 徽 师范大 学学报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊ ｕ ａ ｏ ｈ ｉ ｒ ｌ ｉｅｓ ｙ（ ｔｒ ｌ ｃ ｎ ｅ ｏｒ ｌ ｆ ｎ Ａｎ ｕ Ｎｏｍａ Ｕｎ０ ． ５ Ｎｏ． １３ １
美 国和 日本 等 国家 的大气 和海 洋科学 家发起 ， ２０ 在 ００年 一２０ ０４年期 间 ， 在全 球 大洋 中布 ３０ 浮标 ， 成 ００个 构 实 时和高 分辨 率 的全球海 洋观测 网． 观测 网提供全 球 海洋 深达 ２ ０ 的温 度 、 度 剖 面 资料 和 全球 范 围 该 ０ ０米 盐
海 洋上空 大气 参数 的观测 将有利 于 了解 海洋 与大气 间 的相互 作用 和海 洋对气候 的影 响机 理 ．
光波 在海 洋大气 传输 过程 中将与 大气分 子 、 胶 、 气溶 大气 湍 流发生 相互 作 用 ， 生 一 系列 线 形 或非 线 形 产 效应 （ 如分 子或 气溶胶 的散 射和 吸收 、 射 、 流效应 、 晕效应 等 ）将严 重 影 响光 束质 量 、 低 目标 对 比度 折 湍 热 ， 降 和 目标成 像分 辨率 、 降低靶 目标 的能量集 中度 和光学 系统 的跟 瞄精 度 ． 与激光大 气传输 密 切相关 的大 气光 学 参数 是大 气光 学湍 流 ． 我们 将折射 率场 的变化 主要是 由温度 起伏 引起 的湍流称 为光学 湍 流 ． 量度 光学 湍 流强 度 的量是 折射 率结 构常数 ． 陆地相 比 ， 与 海洋 上 的大 气光学 湍流测 量 比较 困难 ， 这包 括测 量平 台 （ 浮标 、 测 量船 ） 的不稳定 性带 来 的测 量误 差 、 劣 的环 境造成 的仪 器损 坏 、 恶 以及 海洋 环境 下 的 已知 和未 知 因素对 测 量
推算波浪多年一遇波高的新方法3
推算波浪多年一遇波高的新方法3尹宝树 何宜军 侯一筠 程明华 苏京志 林 祥中国科学院海洋研究所 青岛提要 采用卫星遥感推算多年一遇波高的新方法 对中国近海多年一遇波高进行推算研究∀运用卫星遥感散射计得到的风资料推算了整个渤海区域波浪多年一遇的波高分布∀通过与有实测资料 个点推算的结果比较表明 卫星资料和实测计算的误差随着重现期的增大而减小 最大误差百年和 年一遇波高为 而百年和 年一遇波高正是工程中最为关心的 说明运用卫星遥感散射计风资料推算渤海多年一遇波高可行且结果合理∀本研究方法为进一步运用和完善卫星遥感资料推算中国近海多年一遇波高场提供了一条新途径∀关键词 卫星遥感法 多年一遇 波高推算中图分类号 °多年一遇波高是海洋开发中的海洋工程最重要的设计参数之一∀获取波浪多年一遇的波高 目前国内外惯用的两种方法是 现场观测资料方法和数值模拟方法∀第一种方法难以获得连续 年以上的观测资料 更无法获得大范围区域的波浪年极值波高场 第二种方法可以通过选取典型天气个例 模拟出连续多年 年以上 的年极值 尹宝树等 从而可给出大范围区域的波浪多年一遇波场 但这种方法工作量大 选取的个例难免疏漏 也影响其代表性 另外 所用的数值模式本身的精度 特别是用于数值模式计算的风场难以准确 有一定的局限性∀卫星遥感的发展弥补了上述两种方法的不足∀卫星遥感资料已应用于海洋中许多物理现象的研究 王海瑛等 王东晓等 但应用于海浪多年一遇波高的推算较为少见∀现阶段 有两种传感器合成孔径雷达 ≥ 和高度计可以用来观测波浪 ≥∀合成孔径雷达 ≥ 资料重复率不好 价格十分昂贵 难以用来研究时间过程 高度计可以直接观测有效波高 但它只有星下点数据 空间分辨率很差 而且只能测波高!不能测波向∀因此 到目前为止 直接测波浪的卫星资料还难以用来推算多年一遇波高∀然而 卫星却提供了大面积!长时间观测海面风场的传感器))卫星散射计 ≤ 2εταλ这种传感器至今已积累了 年的全球风场资料∀如果能够有效地利用风浪算法以风场计算浪场 然后由浪场推算波浪的极值分布 将开辟一条计算波浪多年一遇空间分布的新途径∀本次研究已完成了从卫星散射计测风资料计算波浪场的算法 给出了渤海大范围海浪的极值分布∀尽管结果是初步的 需进一步完善 但它显示了卫星3国家自然科学基金资助项目 和 号 中国科学院知识创新项目 ≤÷ 2 ∀尹宝树 男 出生于 年 月 博士 研究员 ∞2收稿日期 2 2 收修改稿日期 2 2第 卷第 期 年 月 海 洋 与 湖 沼 ≤∞ ∞× ≥ ≤ ∂资料应用的巨大前景 对推动我国在这一领域的研究既有重要的理论价值 又具有重大的经济效益∀1 风的遥感资料来源和提取方法卫星散射计是一种微波传感器 它可以不受云层影响 全天候!全天时接受信息∀卫星上的雷达具有三个不同指向的天线 地面照射宽度为 ∀散射计的接受装置可获取同一点三个方向上雷达回波的后向散射系数 用于风场的矢量处理∀雷达回波后向散射系数的变化实际上对应于海面粗糙度的变化 而海面粗糙度的变化又是由风场所引起 因而 在理论上 后向散射系数与风场有对应关系∀但是 由于海面粗糙度与风场有时同步 有时滞后 具体情况无法确切知道 后向散射系数与风场的对应关系只能是统计意义上的关系∀111 资料来源使用的散射计资料来自∞ ≥2 和∞ ≥2 卫星 有 年半的时间序列 覆盖范围为全球海域 网格间距为 ∀112 资料提取方法欧空局提供的算法为 ∞∏ ≥Ρβ β ≈ β 5 η β 5式中 Ρβ为雷达回波的后向散射系数 β !β !β 均为风速及雷达入射角的函数 5为风向与波束方位角之差∀方程 构成了后向散射系数与风速!风向的复杂线性关系∀式中的各函数根据大量现场实验数据来确定 式便成为反映这种复杂关系的统计算法∀求解方程 可采用最大似然估计法 完成对风速和风向的反演∀风速反演误差为 Ù 或 风向反演误差为? β ±∏ εταλ∀可见 卫星散射计对风场的反演精度很高 空间分辨率也适用 可以为计算海浪提供合适的风场∀运用上述方法和欧空局处理的∞ ≥2 和∞ ≥2 卫星散射计资料 年至今的光盘产品∀读取了连续 年多的风速和风向 并提取了 年 月至 年 月整个渤海 χ≅ χ的网格点的风速风向遥感资料 以此来估计波浪多年一遇波高场∀113 资料代表性分析常规风场观测频率一般为几个小时 而卫星观测频率为一周左右 因而卫星资料难免漏掉一些大风信息 使多年一遇极值估计值偏低∀因而 在使用卫星数据之前 有必要估计一下 卫星风场是否有了极值估计所需的重要信息∀极值风场主要由大风数据来确定 我国北方的强风主要是寒潮大风 南方的强风主要是台风 因而中国的风场自然分为两大类∀寒潮大风具有千公里空间尺度 大风来临时对北方海区几乎全部覆盖 因而卫星观测的风场不会漏掉局部信息 只要时间序列足够长 卫星观测的风场应能反映风场的极值特征 从而较好反映波浪场的极值特征∀台风却只有百公里的空间尺度 而且台风移动很快 卫星观测风场难免漏掉台风的信息∀实际上 台风从产生到登陆 在整个台风路径上都包含了一次大风过程 而卫星几天一次的风场只包含了过境时的最大风场 路径上的其他∞∏ ≥ 1 ∞ ≥ ∏ ∏≤ 2 ×2•2 2 ƒ期 尹宝树等 推算波浪多年一遇波高的新方法部分的信息必然漏失∀因而 用卫星风场资料计算南方海区的极值风场不会很好 会在大范围内估计偏低∀为此 本次研究将首先针对受寒潮侵袭频繁的渤海区域 因为台风在渤海的波高多年一遇推算中不起决定作用 所以渤海寒潮大风推算的多年一遇的极值波高具有代表性∀2 运用风的遥感资料推算渤海多年一遇波高211 方法在渤海 χ≅ χ的网格点上 取其每个月的最大风速 每个点共 个值 根据在渤海已有的海浪和风的资料所得到的经验关系式Η φ υ 把每月的遥感风速代入此式 得到每月的最大有效波高形成由 个值组成的波高序列 本研究在各网格点皆使用此关系式 故近岸点的误差会大一点∀遥感风速是海面上 高度的风速 需把它订正到波高和风速经验关系的高度上的风速 约 ∀在每个网格点 把 个月的最大的有效波高 按由大到小排列 首先计算它们的累积概率Π Ηι Π Ηι ιÙΝ 其中Ν 是样本波高数据个数 Ηι为波高 ι , ∀假设该波高序列服从• ∏ 分布 陈上及 ∏Π Η ¬ Η Α Β Χ取二次对数得 ΠΧ ≈Η Α Β 图 渤海 年一遇有效波高等值线 分布图ƒ • √ ∏ ∏≥ ≤ ⁄是实测检验点式中 Π为累积概率 Α !Β !Χ 是待定系数 由各网格点月最大有效波高序列和相应的概率通过回归计算求得∀212 渤海多年一遇波高推算结果和实测资料比较根据上述方法 推算了整个渤海区域内 χ≅ χ各网格点上的年一遇波高值并给出了其等值线分布 图 ∀为了检验运用此方法所得结果的精度 选择了渤海 个有实测资料的检验点 β χ β χ∞ β χ β∞ ≤ β χ β χ∞ ⁄ β χ中国科学院海洋研究所 渤海石油检测公司 ∀渤海 2 油 气 田水文气象观测与研究 研究报告 ≠ 1 √ ° ≤ ∞ ≥ )∏ ƒ ∏ 1 ¬ √ 2⁄ χ ) ≠ ∏ )海 洋 与 湖 沼 卷β χ∞ ∀其中 和 两点分别有近一年的实测资料 而≤ ⁄两点仅有少量的短期实测资料∀所以重点对 ! 两点的卫星资料推算的结果与实测资料推算的结果比较∀作为例子 这里仅给出位于渤海中部 点的详细计算结果∀根据上述方法 运用最小二乘法推得 Α 1 Β 1 Χ 1 点极值波高所服从的• ∏ 分布为Π Η ¬ Η 11 1式中 Π为累积概率 Η为波高∀ 式与经验点的比较见图 由图 可知 所计算的累积率分布公式 与 个经验点累计率符合很好 可以认为此分布函数是合理的 由此可推算出各点的多年一遇波高∀图 点重现期概率分布ƒ ° ∏ ∏ ))表示公式 计算的累积率曲线 πππππ表示实测值计算的累积率表 给出了 ! 两点卫星遥感资料和现场实测资料推算的不同重现期的多年一遇波高 表 则由于≤!⁄两点仅由较短实测资料只给出了 年一遇的波高结果比较∀从表 和表 可以看到卫星遥感资料推算的多年一遇波高比实测资料推算的结果普遍偏低 这可能是由于遥感资料漏掉的信息所致∀不过从卫星和实测计算的结果看 两者的误差随着重现期的增大而减小 从定量上来说 由于卫星遥感遗漏的信息所致的最大误差百年和 年一遇波高为 年一遇波高为 而百年和 年一遇波高是工程设计中最为关心的 从这个意义上来讲 卫星遥感资料推算的结果具有很高的精度∀当然这个结果在渤海中部深水区更为准确 误差较小 靠近近岸误差较大 这从表 中≤!⁄点的结果及表 中 点的结果可见一斑∀总体上 从本研究卫星遥感资料与实测资料推算的结果看 卫星遥感资料推算多年一遇波高场还是令人满意的∀为进一步运用和完善卫星实测资料推算中国近海高分辨率大范围的多年一遇波高场提供了一条新的途径∀表1 Α!Β两点卫星和实测资料推算的不同重现期波高结果比较× ≤ √ ∏ ∏ ≥∏点位重现期 资料推算1 1 1 1 1 卫星1 1 1 1 1 误差 11 1 1 1 资料推算 11 1 1 1 卫星 11 1 1 1 误差 1 1 1 1 1 期 尹宝树等 推算波浪多年一遇波高的新方法表2Χ!∆两点卫星和实测资料推算的50年一遇波高结果比较× ≤ √ ∏ ∏ ∏重现期≤资料推算 卫星 误差⁄资料推算 卫星 误差1 1 1 1 1 13讨论通过运用渤海遥感风场资料推算多年一遇波高的研究 认为有以下几个问题值得注意和进一步研究∀311遥感风资料的取样遥感风资料是不定时的值 也不是等时间隔的观测 而且取样时间太长 所以该资料的信息可能漏掉最大值 但中等强度的风经常可取到 这样用此方法估计的多年一遇的值可能会偏小∀这一点从在渤海的计算中有所体现 但漏值产生的影响不太大∀312本方法在深浅水的适应性从渤海的计算结果可以看出 运用遥感风资料推算的多年一遇波高在深水区精度较高 而在近岸误差较大 这是由近岸海域地形的复杂性及网格较粗所致∀故要推算出整个海域高分辨率较高精度的多年一遇波高 必须在深水区运用遥感风资料推算多年一遇波高 相应地在近岸区运用高分辨率细网格数值计算模式进行近岸区多年一遇高波推算∀313本方法的应用前景和展望按照上面所提出的方法和建议 通过进一步的研究工作并配合一定的检验点观测 可以运用卫星遥感资料对渤海!黄海!东海及南海整个中国近岸海域做出一个高分辨率的多年一遇波高大面分布图∀从本文研究的结果看运用遥感风资料 散射计 配合一定的近岸波浪传播计算方法 得到计算区域的高分辨率多年一遇波高场是可行的∀这种方法的优点是可充分利用现有的遥感风资料 避免了现场资料观测的困难性和危险性 既可避免生命财产的损失又可大量节约观测经费 绘出整个中国近海沿岸区域多年一遇波高大面分布 为海洋工程建设及海上航行等提供安全保障 也必将大大推动我国近海海洋开发工作∀4结语本研究运用卫星散射计风场资料 结合风速和波高的关系式 推算了渤海整个区域的多年一遇波高分布场∀尽管研究结果是初步的 需进一步完善 但随着卫星资料的不断增多 此方法会显示出更大的应用前景∀参考文献王海瑛 陆洋 许厚泽等 1利用×Ù°卫星测高资料构造中国近海及邻域平均海平面和海面地形 海洋与湖沼 )王东晓 施平 杨昆等 1南海× °∞÷海面高度资料的混合同化试验 海洋与湖沼 )尹宝树 王涛 范顺庭 1海浪数值模式及其应用 海洋与湖沼 )陈上及 马继瑞编著 1海洋数据处理分析方法及其应用 北京 海洋出版社 )≤ ≤ ≥≤ ∞εταλ 1 2 √ ∏2 2 ° ∞∞∞ )±∏ ≠ ° 1≤ Ù√ ∏ ° ≥≥ 1 海洋与湖沼 卷≥ °) ≥ 1 √ ≤ °ΑΝΕΩΜΕΤΗΟ∆ΟΦΡΕΤΥΡΝΠΕΡΙΟ∆ΩΑςΕΗΕΙΓΗΤΧΑΛΧΥΛΑΤΙΟΝ≠ 2≥ ∏ ∞≠ 2 ∏ ≠ 2 ∏ ≤ ∞ 2 ∏ ≥ 2 ÷ΙνστιτυτεοφΟχεανολογψ ΤηεΧηινεσεΑχαδεµψοφΣχιενχεσ ΘινγδαοΑβστραχτ • √ ∏ × ∏ √ ∏ ∏√ ∏ ∏ ×2 ∏ ∏ ¬ √ ∏ √ ∏ ∏ √ √2√ ∏ √ 2 2∏ ∏ ∏ ∏ ∏ 2 √ ∏ ∏ ∏∏∏ ∏2 ∏ √ √ 2 √ √√ ∏ ∏2 ∏ √ √ 2 ∏ ∏ ∏ √√∏ ∏ √ ≤√ ∏Κεψωορδσ ≥ ∏ • √ ∏期 尹宝树等 推算波浪多年一遇波高的新方法。
海洋大气湍流对海军光电装备性能的影响
Ｖ０１ ． ＮＯ． ３９ ２
红 外 与 激 光 工 程
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２１ ０ ０年 ４ 月
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海 洋 大气 湍 流 对 海 军 光 电装 备性 能 的影 响
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大气湍流中光传播的数值模拟
大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2， 郭立新1 吴振森1（1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ）摘 要 光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。
文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。
进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。
研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。
关键词 大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟； 大气结构常数；中图分类号 TP391 文献标识码 A1 引言大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。
因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。
通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。
目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。
早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。
在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。
然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。
由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。
大气光学;海洋大气;光学湍流
大气光学;海洋大气;光学湍流1.引言1.1 概述概述：大气光学、海洋大气和光学湍流是自然界中与光传播和光学观测相关的重要现象。
大气光学研究的目的在于了解大气对光的传播和传感器观测的影响，从而提高光学设备的性能和准确度。
海洋大气研究的目标是揭示海洋和大气界面上光的传输过程，从而促进海洋环境监测和海洋资源开发利用。
而光学湍流研究则关注光在大气中传播时因空气湍流引起的波前畸变问题，其研究对于激光通信、天文观测等领域具有重要意义。
本文将深入探讨大气光学、海洋大气和光学湍流这三个领域的基本概念、影响因素以及与观测和通信的关系。
首先，我们将介绍大气光学的基本概念，包括大气中的散射、吸收和辐射等现象，以及大气光学的主要影响因素，如大气湍流、气溶胶和云等。
接着，我们将探讨海洋大气的特点和影响因素，包括海洋表面对光的反射、折射和散射等过程，以及海洋中的气泡、藻类和悬浮颗粒等因素对海洋光学的影响。
最后，我们将重点讨论光学湍流的定义、特征以及对观测和通信的影响，包括湍流引起的波前畸变和相位失真等问题。
通过对大气光学、海洋大气和光学湍流的综合研究，我们可以更好地理解和模拟光在自然界中的传播和退化过程，为光学设备的设计和应用提供理论支持和技术指导。
同时，这些研究也有助于提高大气环境和海洋生态的监测能力，推动相关领域的发展和应用创新。
在结论部分，我们将对大气光学、海洋大气和光学湍流的关联性进行总结，并展望大气光学和海洋光学研究的意义和未来发展方向。
希望通过本文的介绍和分析，读者能够更全面地了解和认识这些重要的光学现象，为相关领域的科研和应用提供有益的参考和启示。
1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为三个主要部分：大气光学、海洋大气和光学湍流。
每个部分将重点介绍相关的基本概念、特征和影响因素，并探讨它们对观测和通信的影响。
在第二部分，我们将深入研究大气光学。
首先，我们将介绍大气光学的基本概念，包括大气层的组成和结构，以及大气中的光传播机制。
基于大气湍流的光学成像系统性能研究
基于大气湍流的光学成像系统性能研究随着科技的不断进步，光学成像系统在现代生活中的应用越来越广泛。
然而，由于大气湍流对光传输的影响，光学成像系统的性能往往会受到限制。
因此，人们对于基于大气湍流的光学成像系统性能进行研究成为了一个热门的课题。
大气湍流是指大气中因温度、压力和湿度等参数的不均匀性所引起的气流的不规则运动。
这种运动往往会导致光的传输受到湍流涡旋的扰动，使光的传输路径发生弯曲、偏移和增加相位差等现象，从而影响光学成像系统的成像质量。
为了研究基于大气湍流的光学成像系统性能，科学家们采取了多种手段和方法。
其中，一种常用的方法是通过数值模拟进行研究。
科学家们根据湍流的运动特性，建立了合适的数学模型，利用计算机进行模拟计算，得到了光学传输路径的扰动情况，从而研究光学成像系统的成像质量。
这种方法具有灵活性强、成本低等优点，可以帮助科学家们更好地理解大气湍流对光学系统的影响。
另一种常用的方法是通过实验研究。
科学家们利用气象球、激光测风仪等仪器设备，对大气湍流进行实时监测和测量。
通过这些实验数据，科学家们可以获得大气湍流的运动特性和变化规律，进而研究光学传输路径的扰动情况。
这种方法具有直观性强、可靠性高等优点，可以为实际应用提供可靠的数据支持。
基于大气湍流的光学成像系统性能研究不仅仅可以帮助科学家们更好地了解大气湍流对光学系统的影响，还对于提高光学成像系统的成像质量具有重要意义。
在军事、遥感、天文等领域，光学成像系统常常需要在复杂的大气湍流环境中工作。
如果能够深入研究大气湍流对光学系统的影响，并根据研究结果进行系统优化和改进，就可以显著提高光学成像系统的成像精度和稳定性。
值得注意的是，基于大气湍流的光学成像系统性能研究还面临一些挑战和难题。
首先，湍流现象十分复杂，涉及的参数和变量众多，研究难度较大。
此外，湍流的运动特性和变化规律也存在一定的不确定性，对于系统性能的研究提出了一定的挑战。
因此，科学家们仍然需要继续努力，开展更深入、更广泛的研究，为基于大气湍流的光学成像系统性能提升提供更为有效的解决方案。
海洋环境下的大气光学湍流测量与模式研究
海洋环境下的大气光学湍流测量与模式研究海洋环境下的大气光学湍流效应严重制约着海洋场景下光学遥感成像、自由空间光通信以及激光大气传输等光电工程性能的发挥。
精准地评估光学湍流效应的影响程度依赖于湍流信息的获取,而大气折射率结构常数C2是定量描述大气光学湍流强度的重要参量,精确地获得海洋环境下的Cn2能够为涉及大气传输的激光工程系统在海洋场景下应用时的最佳工作时间窗口以及为光电系统关键技术参数的设置提供参考和指导。
尽管当前存在众多Cn2测量技术,但是受复杂的海洋下垫面的影响,通常需要耗费大量的人力、财力和物力,且难以进行长时间、大范围内的连续观测,不能满足海洋场景下光电工程应用的实际需要。
因此,有必要建立相应的Cn2模式,通过相对容易测量的常规气象参数估算C2n。
本文分别利用在南海海上综合观测平台上测得的近海面数据和远海海洋施放探空气球获得的探空数据,选取适当的Cn2模式估算了海洋环境下的Cn2,并与模式在其他环境下的估算结果进行了对比分析,以及通过定量的统计分析来评估不同模式的估算效果,验证模式的可行性和合理性。
本文的主要研究内容和结论如下:1.归纳总结了基于相似理论建立的如Bulk、Tatarski、Wynggard等多种边界层湍流模式,和基于Tatarski模式的Dewan、HMNSP99、Jackson等多种外尺度廓线模式。
在此基础上增加了人工神经网络模式和Thorpe外尺度模式。
2.利用位于国家气象局茂名博贺海洋观测站海上综合观测平台、茂名博贺海洋观测站岸基观测平台、合肥35米铁塔等测量的常规气象数据,对海洋大气边界层的Cn2、海陆交界处大气边界层的Cn2以及内陆地区大气边界层的Cn2进行估算和比对,并分析了模式估算的结果和可能引起估算误差的因素。
对海洋大气边界层的Cn2估算结果进行统计分析,发现同时考虑了温度、湿度、和温湿相干项对湍流贡献的Bulk法的相对误差为3.97%,略高于只考虑了温度对湍流贡献的Wynggard模式的3.82%,但是它与实测值的相关度为0.65,要明显高于Wynggard模式的0.56。
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将光纤湍流测量系统搭载于我国的 “远望号” 航天测量船, 首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多 点同步测量, 初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据. 测量共进行了 37 天, 测量数据处理 包括大气光学湍流强度的统计分析、采用 Greenwood 湍流空间相关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数 进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度, 以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数. 结果 表明: 海面大气光学湍流强度中等偏弱, 且无明显规律性的日变化趋势; 空间外尺度较小, 约为 0.2—0.3 m; 湍流谱标度指数符合 −5/3 次方的概率均为 25% 左右, 低于相应的近地面概率.
宏 -微脉冲激光激发钠信标回波光子数的数值计算与探讨 Numerical calculation and discussion on the return photon number of sodium laser beacon excited by a macro-micro pulse laser 物理学报.2015, 64(9): 094206 /10.7498/aps.64.094206
量的研究已有一些大型的海面观测实验, 例如国际 上已开展的热带海洋与全球大气/海气耦合响应试 验 (TOGA-COARE) [9]; 国内, 王洁等 [10] 和高会旺 等 [11] 采用船载三维超声风速计在北黄海、西北太 平洋等海域进行的实验观测.
湍流大气中星载角反射器阵列回波的闪烁指数 Scintillation statistics of a retro-reflected wave from space 物理学报.2013, 62(16): 164210 /10.7498/aps.62.164210
物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 65, No. 7 (2016) 074206
远海海面大气光学湍流实验测量∗
王倩1)2) 梅海平1)† 李玉剑3) 邵士勇1) 李学彬1) 饶瑞中1)
1) (中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心, 中国科学院大气成分与光学重点实验室, 合肥 230031) 2) (中国科学院大学, 北京 100049)
3) (中国卫星海上测控部, 江阴 214431) ( 2015 年 10 月 29 日收到; 2015 年 12 月 4 日收到修改稿 )
近地面大气光学湍流外尺度的实验研究 Experimental investigation of the outer scale in atmospheric optical turbulence near the ground 物理学报.2015, 64(22): 224216 /10.7498/aps.64.224216
近地面大气光学湍流空间相关特性的实验研究 Spatial correlation experimental analysis of atmospheric optical turbulence in the near ground layer 物理学报.2015, 64(11): 114212 /10.7498/aps.64.114212
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引用信息 Citation: Acta Physic DOI: 10.7498/aps.65.074206 在线阅读 View online: /10.7498/aps.65.074206 当期内容 View table of contents: /CN/Y2016/V65/I7
远海海面大气光学湍流实验测量 王倩 梅海平 李玉剑 邵士勇 李学彬 饶瑞中 Experimental investigation of open sea atmospheric optical turbulence Wang Qian Mei Hai-Ping Li Yu-Jian Shao Shi-Yong Li Xue-Bin Rao Rui-Zhong
关键词: 海洋大气光学, 湍流强度, 空间外尺度, 功率谱标度指数
PACS: 42.68.–w, 43.28.Vd, 47.27.eb
DOI: 10.7498/aps.65.074206
1引 言
大气光学湍流是指由大气湍流运动导致的大 气折射率的随机起伏, 它会引起在其中传播的光 波波前相位及振幅的涨落, 进而影响自由空间光 通信、高分辨率天文光学成像等光电系统在大气 环境中的应用 [1,2]. 长期以来, 人们一直注重从近 地面到高空光学湍流特征参数的实验测量与统计 分析, 并逐渐形成了多种应用模式 [3,4]. 但由于技 术条件受限等原因, 至今有关海面大气光学湍流 实验测量研究的报道极为少见. 目前, 已有学者 尝试利用超声风速仪和激光闪烁仪等设备在近海 岸至海岛之间开展海面大气光学湍流强度和尺度 参数的实验测量研究 [5,6]; 也有人利用参数化模型 结合气象水文资料来估算近海海上光学湍流的强 度 [7,8]. 但这些研究距离深入揭示海面特别是更为 辽阔的远海海上光学湍流的特征规律还有相当的 差距. 相比较而言, 目前针对海气热交换和湍流通