中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
回顾了湍流大气中光学成像分辨率研究的发展历程：Fried得到了Kolmogrov大气湍流中成像分辨率的理论公式，提出了一个光学工程中广泛应用的Fried参量r0；研究发现当成像系统的口径大于r0时，其成像分辨本领由r0决定；多位学者探讨了大气湍流外尺度对成像分辨率的影响，发现当外尺度与成像系统口径相仿甚至更小时，大气湍流的影响会大大减弱。因此大气湍流外尺度的定量获取至关重要。但由于大气湍流外尺度的定义是定性的，它与大气参数以及各种光传播效应参量之间没有清晰的联系，各种方法得到的结果的一致性有待深入分析，需要一个定量的定义，并进行系统的测量研究。
大气光学 大气湍流 光学成像 分辨本领 湍流外尺度 光学学报
2023, 43(24): 2400001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
为研究强湍流效应下大气湍流外尺度与内尺度对高斯波束光斑漂移特性的影响，首先利用修正的von Karman谱，分别推导出高斯光束在聚焦和准直条件下传输的光束漂移方差表达式，并且利用实验数据进行验证；进而根据所推导的光束漂移表达式，利用数值分析方法，对不同内外尺度条件下的光束漂移特性进行研究。研究结果表明外尺度的增大会加强光束漂移效应，而内尺度的变化对光束漂移特性无显著影响。
强湍流 光束漂移 内尺度 外尺度 strong fluctuation beam wander inner scale outer scale 大气与环境光学学报
2023, 18(5): 420
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
大气光学湍流的存在会严重制约光学系统的性能。为了能够降低大气湍流的影响, 满足光电工程的应用, 准确地估算出不同场景下的大气光学湍流廓线具有十分重要的指导意义。基于Tatarski光学湍流参数化方案和广泛应用的外尺度模式, 利用探空仪测量的气象探空数据, 对内陆(合肥)、海陆交界处(茂名)和远海海洋这三个不同环境下的大气光学湍流廓线进行估算。将合肥和茂名两地的估算值与实际观测的廓线进行对比验证, 发现在变化趋势和量级上相近, 为该模式估算远海海洋的大气光学湍流廓线提供了依据。结果表明模式能够较好地估算出不同环境下的光学湍流廓线。此外, 还发现高空光学湍流的发生与风切变和温度梯度有重要关系。
光学湍流廓线 湍流参数化 外尺度 探空 optical turbulence profile turbulence parameterization outer scale sounding 红外与激光工程
2018, 47(11): 1111002
太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
为了研究随高度变化的大气湍流外尺度对斜程路径点目标回波闪烁指数的影响，基于修正Rytov方法，将斜程路径下双基系统及单基系统点目标回波的闪烁指数模型拓展至中度及强起伏湍流区域。该模型不仅包含内尺度因素，而且考虑了随高度变化的外尺度因素。数值模拟结果表明：当湍流起伏较弱时，外尺度对于闪烁指数的影响远小于内尺度；但当系统处于中度及强起伏湍流时，随高度变化的外尺度因素的影响作用明显，不可忽略。在激光通信、激光探测等系统中，可利用该研究结果对系统所处湍流区域引起的闪烁效应进行预测，以调整系统至最佳配置。
大气光学 闪烁指数 修正Rytov方法 外尺度 内尺度 中国激光
2015, 42(11): 1113001
太原理工大学 物理与光电工程学院，山西 太原 030024
大气湍流是影响光学成像系统分辨率不可避免的因素之一。为了研究大气湍流内外尺度、湍流轮廓线及探测高度对光学成像系统分辨率的影响，根据光学成像系统积分分辨率理论及修正Von Karman湍流谱，推导了斜程传输路径下考虑湍流内、外尺度的光学成像系统的分辨率积分公式。数值计算中应用ITU-R公布的随高度变化的大气折射率结构常数模型，结果表明：湍流内尺度对光学成像系统分辨率的影响要远小于湍流外尺度对分辨率的影响，而湍流内尺度又限制着外尺度对光学成像系统分辨率的影响；斜程传输时，湍流轮廓线的影响大于外尺度对积分分辨率的影响；光学成像系统分辨率在近地面受近地面大气结构常数的影响大，而当高度大于5 000 m时，光学成像系统分辨率受风速的影响大。
大气光学 光学成像系统 积分分辨率 湍流内、外尺度 修正Von Karman谱 atmospheric optics optical imaging system integral resolution turbulence inner outer scale modified Von Karman spectrum
1 中国计量学院信息学院，浙江 杭州 310018
2 哈尔滨工业大学可调谐激光器国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此，基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术，研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能，推导了在内外尺度下，分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能，天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大；内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率，提高通信系统的性能，且得出天线阵接收的最佳子天线个数。
自由空间光通信 弱湍流 分布式天线阵 误码率 相位误差 内外尺度 free space optical communication weak turbulence distributed antenna array bit error rate(BER) phase error inner scale and outer scale
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所,大气成分与光学重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院, 合肥 230026
3 中国科学院大学, 北京 100049
介绍了天气数值预报模式的运行流程、模式安装、模拟参数设置等.结合光学湍流的参数化方案,预报了大气光学湍流强度廓线,并与探空气球实测数据对比验证.结果表明,预报的大气光学湍流强度廓线符合高空光学湍流的一般特征和变化规律,但廓线的形状与实测存在一定的差异,并分析产生差异的原因.分析表明,提高预报精度需要改进高空湍流外尺度模式.
大气光学 天气预报模式 光学湍流廓线 外尺度 atmospheric optics weather forecasting model optical turbulence profile outer scale 强激光与粒子束
2015, 27(6): 061009
1 海军航空工程学院电子信息工程系, 山东 烟台 264001
2 山东省信号与信息处理重点实验室, 山东 烟台 264001
3 中国人民解放军94826部队, 上海 200433
Gamma-Gamma模型是目前无线光通信中常用的光强闪烁模型。针对其参数模型较为复杂，各种近似模型的使用无参考依据的问题，在高斯光束下，通过仿真计算的方法，分别研究了波形条件、孔径尺寸、传输距离、内外尺度、湍流强度以及波长六方面因素对Gamma-Gamma模型的影响情况。结果表明：波形条件、孔径直径、传输距离、湍流强度对其影响都是不可忽略的，而内外尺度、近红外波段波长的影响则可以忽略不计；同时，只要孔径直径与传输距离的比值保持不变，则Gamma-Gamma模型分布特性不变。这些结论可为实际应用中模型的简化和无线光通信设备参数的设置提供参考和依据。
大气光学 光强闪烁 Gamma-Gamma模型 内尺度 外尺度 孔径直径 波长 激光与光电子学进展
2014, 51(1): 010101
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
利用光传输实验的大气湍流模拟装置测量了光传输特性。采用到达角起伏和光强 闪烁两种方法来测试光传输特性。测试结果表明,温差1200℃时, Fried相干长度为0.740 cm;温差200℃时, 到达角起伏谱频率能达到100 Hz;光强闪烁强度频率可达100 Hz,湍流特征速度约0.1 m/s,外尺度约20 cm。湍 流模拟装置所测的性能指标和实际大气湍流性能较为接近,并且湍流强度具有较好的稳定性和可控性,能满足光传输实验要求。
大气湍流 光强闪烁 相干长度 到达角起伏 外尺度 atmospheric turbulence scintillation of beam coherence length arrival angle fluctuation outer scale
