大气光学湍流对光电探测器性能的影响
大气光学参数对光传输的影响研究
大气光学参数对光传输的影响研究在光学通信、遥感、天文观测等领域中，大气光学参数对光传输起着重要的影响。
大气光学参数主要包括气象参数、光学参数和大气浓度参数等，它们会改变光的传播路径，进而影响光的传输过程。
首先，我们来看气象参数对光传输的影响。
气象参数包括大气温度、湿度、压强等因素。
其中，温度的变化会导致大气密度的变化，从而改变光的折射率。
随着温度的升高，大气密度减小，光的折射率也随之减小，使得光传播速度增加。
相反，温度降低会导致光传播速度减小。
这种由温度引起的折射率变化现象称为温度梯度。
湿度与光传输也有关联。
湿度越高，大气中水蒸气含量越高，会导致光的散射和吸收增强，光的传输距离减小。
此外，湿度的变化还会导致大气的折射率变化，从而引起光的偏折。
大气压强变化对光传输的影响相对较小，主要表现为大气的折射率变化。
由于大气压强与海拔高度成反比关系，光在通过高海拔地区时，由于气压较低，光的折射率也会相应降低。
其次，大气光学参数中的光学参数对光传输也有重要影响。
光学参数包括大气散射、吸收、透过率等，并且这些参数会随着光波长的不同而变化。
大气散射是指大气中颗粒对光的偏离原来传播方向的现象。
它分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指颗粒对光的能量进行重新分配，但光的频率和能量仍保持不变；非弹性散射是指颗粒吸收光的能量，再以不同的频率重新发射出去。
大气中的气溶胶和水蒸气是主要的散射因素，它们在大气中的分布情况和浓度变化会对光的传输产生影响。
大气吸收是指大气中分子和物质对光能量的吸收，主要包括气体吸收和大气杂质吸收两种。
气体吸收主要是由大气中的氛围分子（如氮气、氧气等）引起的。
它们对不同波长的光吸收的程度也不同，例如在红外波段，水蒸气会吸收相对较多的能量。
大气杂质吸收包括大气中存在的粉尘、烟雾、雾霾等因素引起的吸收现象。
这些杂质的存在会降低光的透过率，影响光的传输距离和传输质量。
最后，大气浓度参数对光传输也有一定影响。
关键湍流大气光学参数测量方法与技术研究的开题报告
关键湍流大气光学参数测量方法与技术研究的开题报告一、论文选题背景与意义近年来，光学遥感技术在大气环境监测和天文观测等领域得到了广泛应用。
然而，大气光学扰动——湍流，对光传输造成的衍射、散射、吸收等影响是不可避免的。
由于湍流的非线性特性和随机性，它对光的传输常常表现为空间和时间上的不规则变化。
这不仅给地面光学设备制造和光学遥感技术应用带来了挑战，也给天文望远镜的高精度测量和图像采集带来了很大的困难。
关键湍流是大气中产生湍流的主要动力学机制。
研究表明，关键湍流和湍流视场参数之间有着很强的相关性。
因此，在大气光学研究中，关键湍流视场参数的测量和研究具有非常重要的意义。
本论文旨在探究关键湍流视场参数的测量方法与技术，以提高湍流光学扰动对光传输的影响预测和控制水平，从而为光学设备制造和光学遥感技术应用乃至天文观测等领域提供有力的支撑。
二、主要研究内容与技术路线本论文的主要研究内容包括：1. 关键湍流视场参数的理论研究，包括湍流视场波谱、湍流相干长度等参数的定义和推导；2. 关键湍流视场参数的测量方法与技术研究，包括基于自相似性理论的自回归模型法、时间延迟多普勒速度传感器法等方法的原理分析和实验研究；3. 关键湍流视场参数的应用研究，包括大气透明度的预测和控制、光学设备制造和光学遥感技术的优化设计等方面。
本论文的技术路线如下：1. 理论研究与文献综述。
根据国内外关于关键湍流视场参数的研究现状和进展，总结和分析其理论基础和关键技术，明确研究方向和目标；2. 实验设计与数据采集。
根据自回归模型法、时间延迟多普勒速度传感器法等关键湍流视场参数测量方法的原理和特点，设计并构建实验平台，采集关键湍流视场参数的相关数据；3. 数据处理与分析。
选用MATLAB等数据处理和分析软件对实验数据进行处理和分析，得出关键湍流视场参数的定量化结果，并进一步对测量精度和可靠性进行评估和优化；4. 结果展示与应用。
根据关键湍流视场参数的实际应用需求，以大气透明度预测和控制、光学设备制造和光学遥感技术优化设计为例，将研究结果进行展示和应用。
大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展
第 30 卷第 6 期 2 0 09年6月
兵 工 学 报 A CT A AR MA M EN T ARI I
Vol. 30 N o. 6 Jun. 2009
大气光通信中大气湍流影响抑制技术研究进展
陈纯毅 , 杨华民, 姜会林, 冯欣, 王辉
( 长春理工大学 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022)
无限制地增大 , 但其计算结果只在 R2 l < 013 范围内 有效 , 通常将此范围称为弱湍 流区。 Ryt ov 方差计 算结果虽然只适用于弱湍流区, 但是却作为湍流强 弱的某种标志而大量地出现在各种文献之中 , 而且
2 在弱湍流区 , 有 R2 I U Rl . 对于强湍流区中闪烁指数
的求解 , 分别有 Andrew s - Prokhorov 和 Churnside 渐 [ 6] 进分析模型 , 这两种渐进分析模型都建立在 Ryt ov 方差基础之上, 二者都考虑了闪烁饱和问题。最近, Andrew s 等 [ 2 ] 又在大尺度起伏调制小尺度起伏思想 的基础上 , 提出了适用于从弱至强湍流区的闪烁指 数计算模型
Abstract: At mospheric t urbulence causes t he increases of bit - error - rat e ( BER) in atmospheric opt ical communicat ion links. Mit igat ion technolog ies of turbulence eff ect s can be used to improve the perf or mance and enhance t he data - rate and communication distance of opt ical communicat ion. T he lat est mechanism researches of t urbulence eff ects on opt ical communicat ion were brief ly summarized, and t he v arious influences of turbulences on that w ere described, such as int ensit y scintillat ion, beam w ander, ang le - of arrival f luctuat ion, phase f luct uat ion, beam spreading , etc. T he development of m it igat ion technologies of turbulence eff ect s w as summarized. Based on diff erent principles, various m it igat ion technologies were described in det ail, such as large apert ure receiver, diversity, part ially - coherent beam propag at ion, temporal domain processing & t hreshold opt imizat ion, adapt ive opt ics, et c. Focusing on their principles and im pact s, various m it ig at ion technologies w ere analyzed and discussed. L astly, the fut ure research directions w ere g iven. Key words: communication; opt ical communicat ion; large apert ure; diversit y; part ially coherent beam; tem poral domain processing; adapt ive opt ics
湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差
( 11b )
图 3 给出了前 65 阶 Zern ike 模式和 K2L 模式的截断误差, 可见对于同样的复原阶数, K2L 模式的
截断误差比 Zern ike 模式小, 这是 K2L 模式的一个优点。
理论上无论是采用 Zern ike 模式复原法还是 K2L 模式复原法, 选取的阶数越高波前复原的精度也
第2期
李新阳等: 湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差 I
151
其中 # 是伽马函数。 (4) 式构成一个对称的模式相关矩阵 CZ= < a aT > , 其对角线元素值反映了 Ko l2
m ogo rov 湍流下各阶 Zern ike 模式的方差。 考虑到湍流强度的影响后, 模式相关矩阵应为 CZ (D r0) 5 3,
F ig. 3 T he recon struction cu t erro r of Zern ike m odes and the K2L m odes
就丢失了, 这就造成模式截断误差
图 3 Zern ike 模式和 K2L 模式的截断误差
p
∑ ∃ Z, C
K
(p
)
=
[ 1. 0299 -
C Z, K (k , k ) ] (D r0) 5 3
2. 246 (- 1) (n+ n’- 2m ) 2 [ (n + 1) (n’+ 1) ]1 2# (n + n’-
5 3
)
∆mm ’
< a ja j’> =
2 # (n - n’+ 137) # (n’- n + 137) # (n + n’+ 233)
(4)
2
大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析
大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析
吴雄雄;王惠林;宁飞;张文博;刘吉龙;王明超
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2022(43)1
【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。
【总页数】8页(P1-8)
【作者】吴雄雄;王惠林;宁飞;张文博;刘吉龙;王明超
【作者单位】西安应用光学研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN205
【相关文献】
1.大气湍流对红外探测器光电性能影响的研究
2.影响光电侦察系统目标定位精度因素分析
3.航空侦察图像质量评估的适用方法分析
4.大气折射和湍流对光电测距精度的影响及其对策
5.航空光电侦察图像质量影响因素分析
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气象测绘中的大气湍流影响与校正方法解析
气象测绘中的大气湍流影响与校正方法解析引言：气象测绘是研究大气现象的科学领域，通过观测和记录天气条件、气候模式和气候变化以及其他与大气有关的参数，从而帮助我们理解和预测天气情况。
然而，大气湍流是一种不可忽视的因素，它对气象测绘的精确度和准确性产生着重要影响。
本文将解析大气湍流的影响以及相应的校正方法。
一、大气湍流的概念与特征大气湍流是大气中流速和温度等物理量的不规则、随机的空间和时间变化。
它是由于地表和大气层之间的动量和能量交换而产生的。
大气湍流的特征包括涡旋、旋涡、不规律性和随机性。
这种不可预测性使得气象测绘中的精确度存在困难。
二、大气湍流对测绘结果的影响1. 测量仪器性能：大气湍流会对测量仪器的工作稳定性产生影响，使得测绘结果具有一定的误差。
例如，它会导致测量传感器的抖动，进而影响气温、湿度以及风向风速等参数的测量准确性。
2. 数据采集和处理：大气湍流使得气象测绘中的数据采集和处理变得复杂。
传感器在不同位置和时间的测量值会出现明显的差异，这导致了数据的不一致性和不可靠性。
因此，需要进行相应的数据处理和校正。
三、大气湍流校正方法1. 模型模拟：基于数学模型来模拟大气湍流现象是一种较为常见的校正方法。
通过收集气象数据并结合统计推断和计算流体力学原理，可以建立适当的模型来预测和校正大气湍流的影响。
这种方法具有一定的可行性，但在实际应用中仍存在一定的限制。
2. 传感器技术改进：改进和更新测绘传感器的技术是另一种校正大气湍流的方法。
例如，采用更灵敏的传感器和传感器阵列来提高测量的空间分辨率和时间分辨率，从而减小大气湍流对测绘结果的影响。
此外，使用先进的数据处理算法和技术，可以提高数据精度和准确性。
3. 参考站点矫正：通过选择并设置合适的参考站点来校正大气湍流的影响。
参考站点应具有代表性，在地理分布、气候特征和观测仪器等方面与目标站点相似。
通过收集参考站点和目标站点的数据进行对比和校正，可以减小大气湍流对测绘结果的影响。
光电系统选址中的关键大气光学参数测量与分析
2023-11-04•引言•大气光学基本原理•关键大气光学参数测量方法•大气光学参数对光电系统的影响分析•光电系统选址策略与优化目•研究结论与展望录01引言研究背景与意义背景光电系统在军事、民用等领域有广泛应用，其性能受到大气光学参数的影响。
因此，对光电系统选址中的关键大气光学参数进行测量与分析具有重要意义。
意义通过对光电系统选址中的关键大气光学参数进行测量与分析，有助于提高光电系统的性能和稳定性，促进其在不同领域的应用和发展。
目前，国内外学者已经对大气光学参数的测量和分析进行了广泛研究，取得了许多成果。
然而，在光电系统选址过程中，针对关键大气光学参数的测量和分析仍存在不足。
现状随着技术的不断进步，大气光学参数的测量和分析将更加准确和精细。
未来，可以进一步探讨将先进的大气光学参数测量和分析方法应用于光电系统选址中，以提高光电系统的性能和稳定性。
发展研究现状与发展目标：本研究旨在通过对光电系统选址中的关键大气光学参数进行测量与分析，提高光电系统的性能和稳定性。
内容：本研究将开展以下工作1. 针对关键大气光学参数（如能见度、气溶胶光学厚度等）进行测量和分析；2. 研究大气光学参数对光电系统性能的影响机制；3. 探讨先进的大气光学参数测量和分析方法在光电系统选址中的应用；4. 为光电系统的选址提供科学依据和技术支持。
研究目标与内容02大气光学基本原理大气光学是一门研究光通过大气传播时所发生的光学现象和规律的学科。
大气光学的研究内容主要包括光的散射、吸收、消光和色散等。
大气光学在气象学、天文学、环境科学等领域都有广泛的应用。
大气光学概述大气光学现象天空颜色天空的颜色是由大气中气体和微粒的散射作用造成的。
日出日落日出和日落时，太阳的光线需要穿过较长的大气层，因此色彩更为绚丽。
彩虹当太阳光穿过雨滴时，会发生折射、反射和散射，形成彩虹。
气象条件如云层、雨滴、冰晶等对光的散射和吸收有显著影响。
气象条件空气污染物质如颗粒物、气溶胶等会增强光的散射和吸收，降低能见度。
大气光学知识点总结大全
大气光学知识点总结大全一、大气光学基础知识1. 光的传播特性光在地球大气中的传播受多种因素影响，包括折射、散射、吸收、色散等。
这些影响因素会导致光的传播方向、强度和频谱发生变化，对于光学系统的设计和应用都具有重要意义。
2. 大气介质地球大气是光学器件的一个重要参考介质，其密度、温度、湿度等参数对光学系统的性能有着重要影响。
了解大气介质的特性，对于光学系统的设计和定位至关重要。
3. 光的散射和吸收大气中的气体、气溶胶和云等对光的散射和吸收现象在大气光学中占据着重要位置。
它们会影响光的传播路径和范围，对于气象、环境、通信等方面都有重要意义。
4. 大气透明度大气透明度是指大气对可见光的透射率，它受大气中的气体、颗粒和水汽含量等因素的影响。
了解大气透明度对于天文观测、遥感探测等有着重要的意义。
5. 大气湍流大气湍流是指大气中由温度、密度、风速等不均匀性引起的湍流运动现象。
它会导致大气中的光场发生畸变，对光学系统的分辨率和性能都具有重要影响。
二、大气光学技术与应用1. 大气光学探测技术大气光学探测技术是指利用光学方法对大气进行观测和监测的技术。
包括大气透明度测量、大气散射与吸收特性研究、大气湍流分析等。
这些技术对于气象、环境监测等领域具有重要的应用价值。
2. 望远镜大气校正技术望远镜是天文观测和遥感探测中常用的光学设备，但由于大气的影响，其分辨率和成像质量会受到影响。
大气校正技术是指利用大气光学原理对望远镜成像进行补偿和校正的技术，使得成像质量更加清晰和准确。
3. 大气折射校正技术激光通信、光电远程探测等领域需要通过大气进行信息传输，但由于大气折射效应的影响，光信号会发生偏移和扩散。
大气折射校正技术是指利用大气光学原理对光信号进行校正和补偿的技术，使得光信号传输更加可靠和稳定。
4. 大气光学遥感技术大气光学遥感技术是利用光学方法对大气成分、温度、湿度等参数进行遥感探测的技术。
包括红外遥感、紫外遥感、光谱遥感等方法，对于环境、气象、气候等领域都有着重要的应用价值。
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Wavelength / !m
SWIR active
1.57
imaging system
MWIR
4.0
warning sensor
LWIR
10.0
warning sensor
Apeltule exposure time
diametel/mm
/ms
125
0.1
200
1
200
0.1
图 3 是在海拔 5 m 处水平传输 8 km~不同湍流强
Key words"Atmospheric turbulence% IR sensors% Modulation transfer function% Resolution
收 稿 日 期 2005-06-23 修 订 日 期 2005-08-02 * 基金项目 国家高技术 八六三 计划基金资助项目
作 者 简 介 朱 文 越 (1976- ) 男 安 徽 颍 上 人 博 士 生 主 要 从 事 激 光 大 气 传 输 和 大 气 光 学 特 性 的 研 究
2
度不仅与温度场的起伏 CT 密切相关, 而且与风速存 在较强的相关性O
2
90%的 CH 值及短波红外OSWIRO~中波红外OMWIRO和 长波红外OLWIRO探测器的 参 数 ;由 于 风 速 变 化 不 大 , 实际计算时,取平均值 2 m/sO
表 2 红外探测器系统参数 tab.2 Parameters of the IR sensors
第3期
朱文越等!大 气 光 学 湍 流 对 光 电 探 测 器 性 能 的 影 响
355
!引言
大气光散射~吸收和湍流效应等造成接收靶面上 的光强起伏, 降低了探测器的信噪比和空间分辨率, 导致光电系统在实际大气环境中的使用性能下降0 在 评 价 光 学 系 统 性 能 时 ,一 般 采 用 调 制 传 递 函 数 <MTF> 来描述探测器的空间频率响应, 而采用点扩展函数 <PSF>的 标 准 偏 差 来 表 征 系 统 的 分 辨 率 0D. L.Fried J. W.Goodman 和 M.C.Roggemann 等 人 较 全 面 地 讨 论 了 大 气 湍 流 对 光 学 成 像 的 影 响 [1~3],E. Azoulay 建 立 了 光 电 系 统 设 计 参 数 和 大 气 湍 流 之 间 的 定 量 关 系 [4~6], 这 些理论为评估光电系统在湍流大气中的性能奠定了 基 础 0 大 气 折 射 率 起 伏 的 结 构 常 数 Cn2 < 或 称 光 学 湍 流>反映了湍流大气对光传输的影响程度,一般采用 局地温度脉动或空间平均的光学参量起伏两种方法 测 量[7,8]0
2
探测器的有效口径0 对于均匀路径<水平光传输>,Cn
视为常数,球面波的横向相干长度 0 为:
-3/5
0=
2
21.614Cn
L
2
(3)
2
对于大气边界层的斜程传输,Cn 是高度的函数, 一般
可 以 用 Tatarskii 模 式 来 描 述[8]:
2 -4/3
2
Cn0 h 不 稳 定
Cn <h>= 2 -2/3
h H
dh
(5b)
0
式 中 : 为 天 顶 角 ;H=L'sec 0
点 扩 展 函 数 的 标 准 偏 差 PSF 被 用 来 描 述 大 气 湍
流导致的探测器的空间分辨率的退化, 可以通过将
MTF 拟 合 为 高 斯 函 数 来 求 解 :
TFturb=exp -
f
Reff
5/3 fit
22 2
= exp<-2 PSF f >=
基于光波振幅起伏的闪烁法对沿海某地冬季和 夏季近海面的光学湍流强度进行了较长时期的测量, 给 出 了 月 平 均 风 速 和 Cn2 的 概 率 分 布 值 <PDV>, 并 且 计算了典型红外探测器空间频率响应及分辨率随传 输距离和湍流强度等的变化关系0
"理论
MTF 定 量 地 表 征 了 光 电 系 统 频 率 响 应 能 力 的 退 化程度0 对于成像系统而言,由于大气湍流的影响而 导 致 的 与 时 间 有 关 的 MTF 可 以 表 示 为[4~6]:
5/3
MTFturb< , >=exp - Reff < >
(1)
式 中 : 为 空 间 频 率 , 周/rad; 为 真 空 中 的 波 长 ; 有 效
相 干 长 度 Reff < >为 :
1/3
Reff <
>=
0
1+0.37
0
D0 +vt
(2)Βιβλιοθήκη 式中:vt 为横向风速; 为曝光时间;D< >=D0 +vt ,为
ZHU Wen!yue, MA Xiao!shan, RAO Rui!zhong
(Atmospheric Optics Center, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences !Hefei 230031, China)
声 风 速 仪[11]0 图 1 是 在 沿 海 某 地 海 拔 5 m 处 大 气 表 层
2
测量得到的 Cn 和风速的平均日变化, 图 2 是累积概
率分布0
据图可知:海边
2
Cn
的平均值在
10 -16! 10 -13
之
356
红外与激光工程
第 35 卷
间,属于弱湍流和中等湍流,比内陆要低 1~2 个数量
1 e
(6)
fit
式中: = 为函数拟合0 因此,湍流受限的分辨率为:
= turb 2 PSF=0.21 Reff !!!!!!!!!!!!!!!!!!!(7)
对于口径为 D 的光学系统,其衍射受限的分辨率 optic=1.22 /D,调 制 传 递 函 数 [9]为 :
2 TF( ) = diff-ltd
第 35 卷第 3 期 Vol.35 No.3
红外与激光工程
2006 年 6 月
Infrared and Laser Engineering !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Jun. 2006
大气光学湍流对光电探测器性能的影响 *
朱文越!马晓珊!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)
表1~表 2 分别给出冬~夏季累积出现 概 率 50%和
表 L 折射率结构常数的累积概率分布值 tab.L Cumulative probability distribution value of
the refractive index structure constants
Summer Winter
摘要"采用激光闪烁仪和超声风速计对沿海某地冬#夏季的大气光学湍流和风速进行了较长时期 的 测 量!得 到 了 其 平 均 的 统 计 特 征 $ 并 据 此 分 析 了 大 气 折 射 率 结 构 常 数 的 累 积 出 现 概 率 为 50%和 90% 时大气湍流对光电探测器性能的影响$ 结果表明"(1) 对于水平传输!大气湍流对短波和中波红外成像 系统的影响随着传输距离或湍流强度的增加而超过系统的衍射受限占主要地位! 对长波红外告警系 统 的 影 响 可 以 忽 略 $ (2) 对 于 斜 程 传 输 !大 气 湍 流 的 影 响 随 天 顶 角 的 增 加 而 增 加 !在 天 顶 角 小 于 60!的 情 况 下 !大 气 湍 流 对 系 统 性 能 影 响 的 变 化 不 超 过 45%%而 在 天 顶 角 超 过 60!之 后 !大 气 湍 流 的 影 响 迅 速 增加!其影响最大可以超过 3 倍$
!0
arccos -
0
0
1-( / 0 )2 !! 0 其他
(8)
其中对于非相干成像系统,截止频率 0 =D/ 0
# 实验和计算结果
2
实验中 Cn 的测量采用自行研制的多波长激光闪 烁 仪 [10], 水 平 传 输 距 离 为 1 000 m, 光 路 高 度 约 5 m0
测 量 风 速 的 仪 器 为 加 拿 大 Campbell 公 司 的 CSAT3 超
2
图 1 不 同 季 节 CH 和 Vw 的 日 变 化
2
Fig.1 Diurnal variation of CH and Vw during different seasons
2
图 2 不 同 季 节 CH 和 Vw 的 出 现 概 率 月 平 均 结 果
2
Fig.2 Cumulative freguency of occurrence of CH and Vw measured for a time period of one month during different seasons
(4)
Cn0 h 稳 定
而沿路径 L 的斜程横向相干长度 0 表示为:
(1) 探测器在地面,目标位于高度 H<向上搜索>
0=
2
1.46k sec
H
2
Cn <h>
H-h H
0
-3/5 5/3
dh
(5a)
(2) 探测器在高度 H,目标位于地面<向下搜索>
-3/5
H
5/3
!
0=
2
1.46k sec
2
Cn <h>