分析了折返路径光学湍流激光成像探测技术发展的背景和意义,阐述了湍流大气中的折返路径激光传输物理过程及其数学模型。 利用构建的实验系统,获取了人造流场和自然湍流场中动态变化的激光散斑回波图像,分析了图像的典型特征。计算表明: 利用低通滤波算法可将激光光斑分解成低频的阴影和高频的散斑亮点图像;对相邻的两帧阴影图像进行互相关运算,可以获得 二维的横向风场矢量,从而实现湍流场及其中涡旋结构的可视化,同时显示出湍流场在空间上的各向异性。提出了若干有待探究 的科学问题,例如如何利用风场矢量提取光学湍流的尺度参数,以及如何利用散斑亮点结合背景纹影技术来分析湍流场结构等, 作为下一步的研究目标。

天文选址的决策和激光传输系统的设计和应用需要掌握大气光学湍流的时空变化规律。利用HTP-2型温度脉动仪测量近地面湍流, 用大气相干长度仪测量整层湍流积分效应。分析折射率结构常数C■■的实测数据, 得到近地面光学湍流月平均和季平均的变化规律。分析了早晚两个“转换时刻”不同参数的变化规律。根据广义Hufnagel-Valley模式反演得到夜间、白天及“转换时刻”整层湍流廓线, 比较了不同时刻湍流廓线的特点。在连续多年实测数据的基础上所得结论全面可靠, 具有重要的工程参考价值。

利用光纤湍流测量系统获得了合肥西郊科学岛上气象观测场内下垫面平坦的水面上方0.48 m、草地上方1.8 m和23 m高处的大气折射率起伏的观测数据, 采用R/S分析法计算了近地层大气光学湍流的赫斯特指数和分形维数, 统计分析了分形维数的日变化特征及概率分布特征。结果表明: 对于一天的不同时段, 分形维数在一定范围内动态变化, 且中午时段相对稳定; 在三种下垫面条件下, 全天分形维数的值大多在1.3~1.4之间, 其最可几概率位于1.35处, 从均值来看, 草地上方1.8 m的分形维数最大, 水面上方0.48 m次之, 草地上方23 m处最小。最后, 初步探讨了近地层大气光学湍流分形维数、间歇性指数和湍流发展程度的相关性。

根据大气光学湍流的光纤干涉测量技术原理及其信号表现形式，针对湍流相位变化的随机性和复杂性，提出了能够实时解调湍流随机相位差的相关解调算法，数值模拟了固定相位差、波形相位差以及符合湍流频谱特征的随机相位差的解调。结果表明，此算法的绝对误差小于10－3，满足湍流测量的要求。该研究为实现光学湍流相位差的动态检测提供了必要的理论方法。

介绍了利用载波调制型光纤Mach－Zehnder干涉仪测量大气光学湍流折射率起伏的原理，给出了载波调制信号的解调方法。实验研究表明，该系统测量大气折射率起伏方差的噪声水平为2．5×10^－16。在真实的大气环境下，通过与传统温度脉动仪的对比测试分析表明，两者的探测结果无论在量级上还是在变化趋势上都有很好的一致性，这标志着大气湍流的光纤测量技术已初步迈入实用阶段。