简要回顾了几种常用的光学湍流测量方法,分析了其适用条件和存在的主要问题.阐述了将光纤传感技术引入大气光学湍流测量领域的思想,并且提出了两种有望获得突破的技术方案,即光纤干涉法和光纤准直耦合法.实验研究表明,前者在2 cm的空气路径上,后者在10 cm的空气路径上即可获得明显的湍流信息.同时发现光纤系统的噪声和稳定性是制约研究进展的主要因素.

图像匹配是计算机视觉和图像处理中的重要研究内容.分析了图像匹配中的难点问题及其关键技术,研究了组成匹配算法的四个要素,介绍了近来出现的新思路和新方法,对匹配算法进行了分类和性能比较,提出了实际应用中有待进一步研究的内容,如算法的集成、神经网络、遗传算法和基于高层语义的应用等.

大气折射率结构常数随高度和时间变化较大,在研究光学湍流统计模式时,不同的统计方法对应统计模式的结果有一定的差别,这个差别会对模式的实际应用产生影响.从大气光学湍流的时空变化特征出发,得出大气光学湍流基本满足对数正态分布的结论,讨论了算术平均和对数平均在平均结果上的不同,研究了二者平均结果的关系,进一步研究了不同的平均方法对计算大气相干长度带来的影响.

根据数值计算的抽样原则、传输介质的特性及传输效应等,对激光大气传输数值模拟中计算参量的选取进行了比较全面的分析,总结了选取计算参量时应遵循的基本要求.针对湍流效应、稳态热晕效应数值模拟中横向抽样网格间距和传输步长的选取分别进行了分析,并得到了这些计算参量与大气传输效应特征参量的关系,从而为激光大气传输的数值仿真提供依据.

利用激光大气传输四维程序对激光在大气中传输时产生的相位不连续点的数目进行了数值计算.计算结果表明,相位不连续点的数目不仅与描述光强起伏量的大气湍流强度、传输路径长度和传输光的波长有关,而且还与湍流的内尺度有关.另外,通过对湍流较弱但传输路径较长的强闪烁条件下畸变光场中出现的相位不连续点数目的计算发现,当湍流效应达到一定程度时,相位不连续点的数目有达到饱和的趋势.

激光器的一个重要特点是指向性好,因而指向稳定性是激光器的重要指标之一.当前采用高速CCD器件和图像处理技术在普通实验室就可以进行指向稳定性的精密测量.测量了连续HeNe激光器和YAG脉冲激光器自身的光束抖动,前者的光束指向方差小于6 μrad,后者达到22 μrad.

于2005年7月底至8月中旬在新疆博斯腾湖地区进行了一次野外遥感试验,其间利用法国CIMEL太阳辐射计对试验区的大气消光特性进行了测量.介绍了利用太阳辐射计对试验区气溶胶光学厚度的测量和分析原理,对测量数据进行处理研究,结果显示观测期间新疆博斯腾湖地区大气洁净,气溶胶光学厚度的日内和日间变化不大,550 nm处的气溶胶光学厚度一般为0.17;(A)ngstr(o)m波长指数α一般为1.19,与6S常用气溶胶模式中的大陆型比较接近;大气混浊度系数β一般为0.08.

利用SKYNET合肥站1999年9月至2005年8月期间285个无云晴天地面辐射收支观测资料,计算分析了合肥地区地表太阳短波辐射特征.结果表明,地表太阳短波辐射各个分量的日变化均呈上下午近似对称的倒"U"型分布,中午变化较平缓并出现最大值;漫射辐射与总辐射之比KDF呈"U"型日分布.太阳短波辐射各个分量的年最小值均出现在12月份,6月份总辐射、地表太阳短波净辐射和漫射辐射最强,7月份太阳直接辐射和地面反射的短波辐射最强但漫射辐射出现相对低谷.漫射辐射春季最强、夏季次之;太阳短波辐射其它各分量的季节变化均为夏季最强、春季次之、冬季最弱,而且冬夏差异较大.〈KDFd〉在1月份最大,7月份值最小并有明显的突变现象;其季节变化特征为夏季最小,冬季最大;其七年平均值为38.4%.

研制了一种便携式三波长激光闪烁仪,使用473 nm、532 nm和671 nm三个波长实现了大气湍流内尺度和折射率结构常数的同步测量.该仪器包含发射系统和接收系统两部分:发射系统由激光器、挡光器和远程无线控制器组成;接收系统包括探测器和数据采集器.仪器的噪声分析表明:系统可测的折射率结构常数的精度为1.0×10-16m-2/3.对三波长的相关性分析证明了利用该闪烁仪反演内尺度的可靠性,同时将三波长激光闪烁仪和温度脉动仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者的相关性系数为0.95.

利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术于2006年2月对北京市丰台区的常规污染气体SO2、NO2及O3进行了连续监测,并对各污染物的日变化特征和污染源进行了分析和探讨.结果表明,丰台区NO2主要与汽车尾气的排放有关,以早晨和傍晚的上下班时段最重,凌晨和午后最轻;SO2浓度的日变化状况是气象条件日变化和污染源排放量日变化综合影响的结果,分别在早晨和夜间达到最大值,日变化曲线呈现"N"字型双峰结构;由O3和NO2的相关性分析可知,NO2对大气中O3的含量有着一定的贡献,大气中可能还存在其它重要的O3前体污染物.

从杂散光的定义出发,介绍了杂散光的来源,依据来源对杂散光进行了分类,并指出了杂散光对光学系统的一些危害;通过引入PST和BRDF的定义,实现对杂散光进行定量化描述.杂散光的软件模拟分析是目前应用中的热点,介绍了软件分析的理论基础M-C方法,并列举了国内外常用的分析软件.光路分析之后,在系统中设置遮光罩和挡光环、采用适当的涂层成为阻挡杂散光的有力手段,因而被广泛采用.最后介绍了通过软件方法对光机设计无法完全消除的杂散光进行校正的一些进展.

介绍了一套自行研制的开放光程傅里叶变换红外光谱系统,该系统具有250 m的有效光程.利用HITRAN数据库中的辐射线强等参数建立了用于浓度反演的标准吸收截面.使用该系统对北京地区大气的NH3进行了连续观测,并对测量结果进行了分析.研究结果表明,北京地区大气具有较高的NH3浓度,且具有比较明显的日变化周期特征,体现出白天高、夜间低的变化特征.

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是利用二极管激光器的波长调谐特性,获得被测气体特征吸收光谱范围内的吸收光谱,实现气体的定量分析.这种方法具有高灵敏、高选择性、快速响应、在线测量等诸多优点.介绍了利用TDLAS技术测量火焰中二氧化碳浓度的实验方法,并对消除燃烧中气体湍流造成光强波动的方法进行了研究,得到了较理想的结果.

为了实现仪器的实时在线监测,利用能量为10.6 eV的紫外光灯取代传统础Ni放射性电离源,自主研发出便携、快速、高灵敏的光电离/离子迁移谱仪.紫外光灯为直流供电,避免了放射性物质严格的操作规程,并且实现了易制毒化学品有机物分子的软电离.最近的实验结果表明,在列出的23种违禁物品中,13种以上可以得到快速有效的鉴别,检测时间在几秒以内,检测下限可以达到PPb量级,其中挥发性成分的检测结果尤为显著.

气象卫星MODIS作为可见到红外的探测器,在云覆盖下不能探测到地表.根据地物光谱特征和卫星信号接收原理,提出了一种利用MODIS气象卫星识别水体的简单而有效的方法,将卫星2通道与1通道进行比值计算,在得到的比值图像中不仅无云晴空下,而且薄云覆盖下的水体都有着较好的识别效果.以2005年汛期时巢湖水体为例,得到了较好的结果,并对实验结果进行了分析,证实了此方法用于薄云下水体识别的有效性.

室外测量地面目标的方向反射特性要求测量时间短、定位准确、测量点足够多、测量范围内无阴影.根据实际测量特点,研制了室外方向反射多角度测量系统,主要包括测量架机构、驱动系统、控制系统.测量架由方位圆轨道与天顶弧半圆轨道组成,半径2 m,天顶弧在伺服电机驱动下沿方位圆轨道0～360°范围内运动,探测器小车平台在电机驱动下沿天顶弧-75°～75°范围内运动.PLC(可编程控制器)、触摸屏组成控制系统,通过触摸屏输入参数实现全自动运动控制.方位角间隔30°,天顶角间隔15°,完成半球空间自动测量(共66个位置点,每位置点停3 s),耗时10 min.