为减少目前微波光子领域到达角（AOA）测量易受相位、噪声等影响，实现二维平面内大范围的AOA测量，提出并实验验证了一种基于微波光子去斜接收的二维AOA估计方案。该方案接收端利用L型天线阵加入固定延迟时间的方法，可以估计一维AOA，利用该一维AOA可求解出二维AOA（俯仰角和方位角）。实验结果表明：在天线间隔为5 m，输入线性调频连续信号的信噪比为10 dB或-7.8 dB的情况下，所提方案的一维AOA的估计结果具有大范围的特点，且在-79°~74°内估计误差均小于2°，同时，计算得到的俯仰角和方位角在较大范围内都具有较高的精度。

提出一种基于绝对中位值偏差（MAD）的光流计算方法，并用于计算近地面大气湍流折射率结构常数Cn2。通过光流计算捕捉望远镜系统拍摄的前后多帧目标图像的抖动信息，得到传输路径上的到达角起伏方差均值，从而估算近地面大气湍流折射率结构常数。通过在合肥市进行了为期6天的观测实验，将模型估计的Cn2均值与观测路径上温度脉动仪的实测结果进行充分对比，最终得到估算值与实测值的平均偏差（BIAS）、方均根误差（RMSE）、相关系数分别为-0. 0202、0. 2391、0. 8230，充分证明所提方法可以有效估算近地面大气湍流折射率结构常数，为基于图像反演大气湍流参数提供参考。

湍流引起的恒定相位波前随机起伏会使大气通道波前到达角连续变化。 研究了在倾斜大气湍流通道中非Kolmogorov湍流作用下的新的平面波和球面波到达角模型, 其特征在于在1/l0附近的高波数下上升很小。湍流内外尺度对不同斜链路到达角的影响不同: 下行到达角起伏小于上行到达角起伏, 到达角起伏随着内外尺度的增大而增大, 随着接收机孔径的增大而显著减小。该结果将为卫星激光通信之类的相关应用提供一定参考。

针对室内非法信号源定位应用的特点, 提出一种基于到达方向 (DOA)估计的无源定位方法。采用具有解相干能力的基于特征空间的到达角 (ES-DOA)估计算法估计来波到达角度空间谱和对应的信号功率; 采用一种新的直达路径集成搜寻算法判断信号的直达路径方向, 并通过交叉测量法估计非法信号源的位置。仿真实验表明, ES-DOA算法在处理相干阵列信号时, 具有高分辨力和较强的抗噪声能力, 提出的直达路径识别算法能够在不同室内环境中准确识别信号的直达路径方向, 具有较强的鲁棒性。研究证明, 该定位方法具有较强的系统可实现性, 既能单站定位, 又可多站协同工作, 部署方便, 使用灵活, 是一种有效的室内非法信号源定位解决方案。

针对复杂海陆环境中的无线信号传播预测问题, 研究了适用于抛物方程的信号时延与到达角估计方法。将自由空间中抛物方程轴向波前信号视为本地副本信号, 然后利用信号的自相关特性, 将接收信号与副本信号进行互相关运算, 最后通过相关函数的峰值检索, 得到脉冲信号在复杂环境中传播的附加时延。采用数值算例, 验证了该方法的正确性和有效性。此外, 采用多重信号分类算法, 由抛物方程构建接收阵列的协方差矩阵, 并对其进行特征值分解, 然后利用信号子空间和噪声子空间的正交性, 实现复杂环境中的信号到达角估计。仿真结果表明, 相比于传统的平面波谱方法, 该方法具有更高的多径分辨率。基于上述方法, 并结合数字地图, 在典型的海陆环境中进行了仿真实验, 分析了蒸发波导对脉冲信号传播时延和到达角的影响。

为研究不同气象条件下近地面层湍流大气对光传输到达角起伏的影响,在校园内一块较平坦草地上开展了光传输实验。 采用半导体激光器作为光源,传输60 m至接收端,使用焦距为1300 mm的望远镜接收后由CCD相机采集光点灰度图片。 根据灰度图片上光点位置计算传输路径上的大气湍流折射结构常数C2n以及垂直、水平两个方向到达角 (Angle of arrival, AoA)起伏方差的比值。同时测量了传输路径附近的温度、风速等气象数据,计算稳定 度参数Richardson数。结果表明, Richardson数大于临界值0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值均 大于1.0; Richardson 数小于0.25时,垂直、水平到达角起伏方差比值在1.0左右起伏。由此可以看到, 稳定层结条件下,湍流表现为各向异性特征;不稳定层结条件下,湍流表现为各向同性特征。

在Kolmogorov湍流模型下, 建立了到达角起伏对星地激光通信误码性能影响的理论模型。基于该模型, 推导了星地激光通信系统误码率的闭合表达式。综合考虑光强闪烁、光束漂移和到达角起伏, 推导出三者共同作用下, 星地系统上行链路的接收光强概率密度解析式以及误码率的闭合表达式。文中采用的调试方式是适合星地激光通信的相干探测圆偏振调制。针对上行链路, 仿真分析了弱、中、强湍流下, 三者共同作用时, 星地激光通信系统的误码率, 并与不考虑到达角起伏条件下进行了比较。还分析了到达角起伏与误码率的变化关系, 以及在考虑发射功率受限的条件下, 三者共同作用对系统性能的影响。研究结果表明, 除了光强闪烁和光束漂移以外, 到达角起伏也是通信性能中不可或缺的因素。

基于湍流冻结假说,利用时空相关函数分析了使用大气相干长度仪(DIMM)测量横向平均风速的原理,并通过闪烁和到达角起伏测量风速的路 径权重函数确定风速传感器的安装位置。在弱湍流条件下,根据水平1 km传输实验测量的到达角起伏和光强起伏数据,分别计算横向风速并 与风速传感器同时测量的参考风速对比,发现利用到达角起伏计算的风速与参考风速有一定的相关性。该实验拓展了大气相干长度仪的使用功能。

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明: 随着传输距离的增加, 到达角起伏越来越小; 随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加, 到达角起伏也越来越大; 与部分相干光相比, 完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小; 随着波长和湍流强度的减小, 到达角起伏越来越小.