大气与环境光学学报
2023, 18(5): 426
1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 北京理工大学光电学院，北京 100081
3 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
4 32215部队
大气折射率结构常数是反映湍流强度变化状况的重要大气参数。针对反演时所需初始输入数据多、未运用单一类型数据反演的问题，提出一种以整层大气相干长度和整层大气等晕角数据为输入反演的新方法。基于广义的Hufnagel-Valley（HV）湍流模型，推导出和之间的理论关系式，以新疆南山实测的和数据为基础，反演计算得到广义HV模型的七个参数进而计算出廓线，再将七个参数值代入推导出的、理论关系式计算出单日值。仿真计算结果表明，拟合出的平均廓线和单日廓线，其变化趋势与香河模型相比，一致性较好，吻合度较高；单日计算值与实测值之间的日相关系数平均值达到了81.95%，最高达87%。该结果验证了所提方法的可行性，为研究廓线的反演提供了参考。
大气光学 大气湍流 大气折射率结构常数 大气相干长度 等晕角 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2101003
1 西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048
2 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室，陕西 西安 710000
无线紫外光在大气中进行非直视散射通信时，大气微粒的散射和吸收作用以及低空大气湍流的变化会对紫外光通信（UVC）性能产生强烈的影响。建立了低空大气湍流无线紫外光非直视（NLOS）单次散射通信链路模型，通过计算机仿真分析了收发端范围、折射率结构参数、指向角等不同因素下NLOS散射通信的光强分布特性、信噪比、信号衰减等系统通信性能，以及高度变化对白天和夜间UVC的影响。仿真结果表明：不同高度湍流变化下昼夜间无线UVC性能存在一定差距，水平通信、垂直通信和斜程通信时：在夜间的大气折射率结构常数相对于弱湍流情况增大一个数量级，信号能量平均衰减为原来的1/2.09、1/2.16、1/2.03；在白天的大气折射率结构常数相对于弱湍流情况增大一个数量级，信号能量平均衰减为原来的1/2.07、1/2.15、1/1.96。夜间通信受湍流的影响更大，白天的通信性能比夜间好，湍流对垂直通信的影响较大。
光通信 紫外光通信 湍流信道 大气折射率结构常数 光强分布特性 信号衰减 光学学报
2022, 42(24): 2406001
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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
基于光波大气传输理论，模拟了斜程大气路径下空基光学系统的成像过程，分析了不同条件下大气湍流对成像质量的影响，并与理论结果进行了对比。当系统口径小于大气相干长度时，分辨率随口径的增大明显提高，而在系统口径大于大气相干长度后，分辨率随口径的增大逐渐趋于一稳定值，最佳口径值为（为大气相干长度）。通过对不同折射率结构常数模型的仿真可以看出，随着传输距离的增加，最小可分辨长度先是逐渐增大，在传输距离大于50 km后，最小可分辨长度趋于一稳定值。由此可见，当传输距离小于50 km时，大气湍流对光学系统成像质量的影响较大。较弱的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响为2~3 cm，而较强的大气湍流对空基光学系统地面分辨率的影响可达到7~10 cm。对流层顶的高空湍流对成像效果的影响较为显著，若不考虑此高空湍流的影响，分辨率可提升1.4倍左右。
大气光学 大气折射率结构常数 数值模拟 成像质量 最小可分辨长度 分辨率 光学学报
2022, 42(18): 1801002
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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
大气相干长度是定量描述大气湍流强度的重要参数,提出一种通过对同一斜程路径进行双向大气相干长度测量、从而建立实时的湍流强度随高度的分布模式的方法,并进行了多日全天观测实验以验证所提方法。通过不同天气条件下得到的测量路径湍流强度时空分布的相互比较,以及对多日大气相干长度测量比值的统计分析,初步验证了所提方法的准确性。
大气光学 大气湍流 大气相干长度 大气折射率结构常数 模式 分布特性
1 华北电力大学 1. 电子与通信工程系
2 2. 河北省电力物联网技术重点实验室
3 3.保定市光纤传感与光通信技术重点实验室, 河北 保定 071003
研究了大气折射效应对星地量子密钥分发(QKD)系统的背景光误码率的影响, 研究过程中考虑了白天晴天、满月夜晚和无月夜晚三种不同的背景光条件。建立了分层结构的星地QKD信道传输模型, 模拟大气折射效应对信号传输距离的影响; 基于此模型仿真分析了考虑和忽略大气折射效应时只考虑背景光的误码率随天顶角的变化趋势。结果表明: 忽略大气折射效应将对背景光误码率产生较大的影响, 此外在无月夜晚背景光条件下可以获得相对最低的误码率。
星地量子密钥分发 大气折射 背景光 误码率 天顶角 satellite-to-ground quantum key distribution atmospheric refraction background light bit error rate zenith angle
1 陆军工程大学通信士官学校，重庆 400035
2 中国科学院国家天文台，北京 100101
3 中国人民解放军78092部队，四川 成都 610036
提出一种改进自适应粒子群算法并将其应用于大气光学湍流廓线模式的拟合研究。为提高粒子群算法的寻优速度，避免陷入局部最优，提出一种改进的自适应粒子群算法。采用当前粒子与全局最优位置的距离来调控惯性权重系数，进行非线性自适应变化；采取对称线性变化思想设计自我学习因子和社会学习因子，实现了各阶段寻优重点的自适应改变。把改进的自适应粒子群算法引入到求解阿里地区广义Hufnagel-Valley湍流模式中，拟合得到该地区早晚和四季的湍流模式廓线。仿真表明，本文算法的判定系数均在0.997以上，这与探空获得的统计平均廓线保持一致。对比其他自适应粒子群算法，本文算法的收敛精度基本一致但速度更快。本研究为基于Hufnagel-Valley湍流廓线模式拟合提供了新方法。
大气光学 大气折射率结构常数 湍流廓线模式 改进的粒子群优化算法 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0501002
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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
4 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
差分波前激光雷达是基于双孔望远镜探测的激光回波波前差分抖动方差来探测大气光学湍流强度的雷达系统。为评估与优化系统探测大气湍流的性能,进行了数值仿真。基于波动光学理论、大气湍流相位屏模型和大气消光模型来模拟激光在垂直大气路径上的传输,并结合网格采样的优化设计,得到了激光光束在传播路径上不同位置的光强分布。利用非相干光源成像原理,根据不同传输路径处的后向散射光强分布得到了探测器上两个光斑图像的分布信息。根据仿真结果,随着湍流强度的提高,光束波前畸变程度加深。成像光斑直径随着探测高度的增大而减小,探测高度为10 km时,成像光斑直径减小到2.45×10 -4 m。通过对比仿真的反演结果与仿真输入的HV5/7(Hufnagel-Valley 5/7)的结果,发现两者具有较高的一致性,这初步证明差分波前激光雷达探测大气湍流的原理及方法的可靠性。
大气光学 差分波前激光雷达 波光学模拟 湍流相位屏 非相干成像 大气折射率结构常数 光学学报
2021, 41(10): 1001002
1 西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048
2 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室,陕西 西安 710126
声波运动可以改变周围大气压强,进而影响大气的折射率分布。基于声波的波动方程和叠加原理,结合大气折射率的计算公式,求解出点阵列相干声源激发的人工大气折射率不均匀体的空间分布。基于Rytov近似,给出了点阵列相干声源激发的压强和光波闪烁指数之间的数值关系,分析了点阵列相干声源参数改变对光波闪烁指数的影响。结果表明：声源能激发产生大气折射率不均匀体,引起光波出现光强起伏。声源各个参数的改变,会引起光波闪烁指数出现不同程度的起伏变化。该研究结果初步探索了阵列相干声波激发人工大气折射率不均匀体参数对激光传输特性的影响。
大气光学 点阵列相干声源 大气折射率 闪烁指数 激光与光电子学进展
2021, 58(1): 0101001
