利用闪烁激光雷达探测大气湍流的方法研究

发布时间：2020-03-21 10:32

【摘要】：湍流导致在大气中传输的光波产生光强起伏、相位起伏等湍流效应,对一系列光学工程的应用效果造成了严重的影响。利用激光雷达主动光学探测技术准确获取实时湍流强度信息在随机介质光传播研究和光学工程应用中具有十分重要的意义。本文开展了光强闪烁激光雷达传输过程中闪烁效应的基础理论研究和影响因素分析,对实际测量的回波信号进行降噪处理,实现了水平以及垂直方向上的大气湍流强度探测。主要工作和结论如下:(1)分析了光强闪烁激光雷达探测过程中双程光路的闪烁效应,对于单粒子散射近似,结合惠更斯-菲涅耳原理以及Rytov近似理论,分析了考虑孔径平滑效应以及大孔径接收条件下的双程传输闪烁效应,结果表明:满足大孔径条件的闪烁激光雷达在长距离湍流探测过程中,最终获取的残余闪烁指数为发射路径上的湍流效应引起的球面波轴向闪烁指数;在不满足点反射的条件下,激光雷达获取的闪烁指数为被漫反射体孔径平滑的入射球面波闪烁指数。(2)结合Kolmogorov谱、修正Hill谱以及Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,分析了闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数Cn2之间的关系。针对水平探测路径,从理论和实验上分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况以及内尺度对闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明:有限内尺度的Cn2测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度时Cn2的测量结果,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关,则在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中需要考虑内尺度。(3)分析了闪烁激光雷达回波光强信号分布的统计特征,使用极大似然概率分布对实际光强概率分布进行拟合,并与正态分布进行对比,结果表明:最低四阶中心矩的极大似然概率分布能够很好的描述回波信号对数光强的实际分布,通过偏斜度和陡峭度的分析表明对数光强实际概率密度分布虽然与正态分布有微小差异,但基本服从正态分布。利用考虑孔径的指数威布尔分布的拟合结果表明,拟合结果和实际计算结果存在一定偏差,但两者基本保持一致。垂直方向上计算得到的指数威布尔分布准确性很大程度上依赖于Cn2反演的精度。(4)在有限内尺度基础上,利用闪烁激光雷达实现了不同路径上大气湍流强度的探测。使用小波阈值法和EMD模态分解法对激光雷达回波信号进行降噪处理。水平路径上与闪烁仪的对比实验表明有限内尺度下Cn2的变化大小和趋势与闪烁仪测量结果基本一致,也证明了EMD降噪方法的可行性;垂直方向上采用分层迭代算法反演了Cn2廓线并与合肥夏季Cn2廓线模型进行对比,结果表明:反演结果与模型整体变化趋势较为一致,但有限内尺度条件下的湍流强度值相对偏小,原因在于反演过程中因无法获取内尺度随高度的变化,假设了整条探测路径上内尺度为常数,造成测量误差,导致考虑内尺度情况下获取的Cn2廓线不是最准确的。
【图文】：

实验装置图

而湍流是大气的随机运动造成的，伴随着能量以及物质的输送和交换，逡逑是大气中普遍存在的一种不规则运动。逡逑湍流的概念最初是由Ｒｅｙｎｏｌｄ在实验中提出的，实验装置如图１．１所示［１２］，逡逑玻璃管中的水流随着流速的不断增加，最终呈现出一种不规则的运动状态，逡逑Ｒｅｙｎｏｌｄ称之为揣流。Ｒｅｙｎｏｌｄ数是描述流体特性的一个基本参量，表示为：逡逑Ｒｅ邋＝邋ｔ／Ｚ邋／邋ｖ逦（１．１）逡逑式中Ｕ是流速，Ｌ是运动特征尺度参数，ｖ为分子动力学粘性系数。逡逑实验表明，Ｒｅｙｎｏｌｄ数存在临界值Ｒｃｃ，当Ｒｅ＜Ｒｃｃ时，流体运动表现为层流逡逑运动，而当Ｒｅ＞Ｒｃｃ时则为湍流运动，由于实际大气的粘性系数比较小，因此逡逑Ｒｅｙｎｏｌｄ数一般都会超过临界值，那么大气几乎总是表现为复杂的湍流随机运动。逡逑如图１．２所示［１３］。逡逑愈｜W逡逑图１．１邋Ｒｅｙｎｏｌｄ实验装置图逦图１．２湍流随机运动状态逡逑大气湍流的存在是大气边界层的一个显著特点，也是边界层研究的核心问题。逡逑湍流主要是因风速的剪切、太阳及地表辐射导致的温度及速度场的变化

示意图,探空气球,年代,廓线

本的平均计算即得到大气折射率结构常数Ｃ％该方法可以测量局地的湍流信息，逡逑但目前更重要的应用是将温度脉动仪搭载到探空气球之上测量随高度变化的大逡逑气折射率结构常数ｄ，也就是湍流廓线，即探空法。其实验示意图如图１．３所示逡逑图１．３探空法装置示意图逡逑早在上个世纪７０年代，Ｂａｒｌｅｔｔｉ等人［２７］就己经开展了利用探空气球测量大气逡逑湍流廓线的工作。吴晓庆等人［２８］所研制的微温传感器采用两个直径为的钨逡逑丝，构成惠斯登电桥的两臂，测量水平距离ｌｍ的两点温差。并将温度传感器结逡逑合无线电技术，搭载在氢气球上，即可测量ｄ廓线。探空法具有测量原理简单逡逑以及高空间分辨率的特点。逡逑除了直接测量外，还可以为利用气象参数和中尺度气象模式ＷＲＦ对ｄ廓线逡逑的估算［２９］以及预报［３（）］提供较为可靠的实测比对数据。逡逑温度脉动仪虽然可以直接测量大气湍流廓线，但该测量方法实时性差，获得逡逑整层湍流廓线的时间较长，需要将近两个小时，并且气球探测过程中受风速影响逡逑很大，导致水平漂移能达到１０ｋｍ左右。因此相对于非光学探测方法，，为了更加逡逑直接快速的获取实时湍流信息
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98

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