提出了一种利用激光阴影图像探测大气湍流中二维横向风矢量的方法,并开展了数值模拟和实验研究。通过移动无限长的相位屏模拟光传输路径上的横向风,采用基于归一化互相关原理的整像素搜索算法计算激光阴影的移动速度,并分析了路径上的横向风及其非均匀分布对激光阴影移动速度的影响。100 m长的激光阴影成像探测对比实验结果表明,在采样频率足够大时,激光阴影的移动速度与平均横向风速之间满足线性关系。超声风速仪的实测值与激光阴影法的拟合值相关系数达到0.949,这表明利用短曝光激光阴影图像获取路径的平均二维横向风矢量是可行的;且该方法能定量展现激光传输路径上大气湍流涡旋的发展和演化,对于大气湍流风场的遥感监测及相关工程应用具有重要的参考价值。

为了探究激光在自由高空湍流大气中传输的短曝光光斑特性,在云南高美古3200m的高海拔地区,选择远离下垫面的地势条件,开展了532nm固体激光1,2,3,4, 4.7km大气传输光斑成像探测实验。利用4000frame/s采样速率下的短曝光光斑数据,定性地描述了湍流大气中短曝光远场激光光斑的网纹状形态结构以及零星亮点的移动、消散和重构过程,并对激光光斑灰度值进行了定量的统计分析。结果表明:利用二维的光斑图像数据,可以较为方便地获得光强闪烁的孔径平均因子和理想的点闪烁指数,进而得到包括湍流强度和湍流内尺度在内的关键光学湍流参数;同时,也可对激光闪烁频谱、截止频率以及光斑的空间相关特性进行定量的判断。相关数据有助于研究高原或高空长程传输条件下的激光能量在目标靶面上的空间分布及其时间变化特性,为研究激光长程大气传输后光电系统的变化提供了一定的参考。