【摘要】：湍流導(dǎo)致在大氣中傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生光強起伏、相位起伏等湍流效應(yīng),對一系列光學(xué)工程的應(yīng)用效果造成了嚴(yán)重的影響。利用激光雷達主動光學(xué)探測技術(shù)準(zhǔn)確獲取實時湍流強度信息在隨機介質(zhì)光傳播研究和光學(xué)工程應(yīng)用中具有十分重要的意義。本文開展了光強閃爍激光雷達傳輸過程中閃爍效應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究和影響因素分析,對實際測量的回波信號進行降噪處理,實現(xiàn)了水平以及垂直方向上的大氣湍流強度探測。主要工作和結(jié)論如下:(1)分析了光強閃爍激光雷達探測過程中雙程光路的閃爍效應(yīng),對于單粒子散射近似,結(jié)合惠更斯-菲涅耳原理以及Rytov近似理論,分析了考慮孔徑平滑效應(yīng)以及大孔徑接收條件下的雙程傳輸閃爍效應(yīng),結(jié)果表明:滿足大孔徑條件的閃爍激光雷達在長距離湍流探測過程中,最終獲取的殘余閃爍指數(shù)為發(fā)射路徑上的湍流效應(yīng)引起的球面波軸向閃爍指數(shù);在不滿足點反射的條件下,激光雷達獲取的閃爍指數(shù)為被漫反射體孔徑平滑的入射球面波閃爍指數(shù)。(2)結(jié)合Kolmogorov譜、修正Hill譜以及Rytov改進模型三種大氣湍流功率譜模型,分析了閃爍激光雷達探測路徑上閃爍指數(shù)與大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2之間的關(guān)系。針對水平探測路徑,從理論和實驗上分析了不同內(nèi)尺度下大氣湍流強度的變化情況以及內(nèi)尺度對閃爍激光雷達在探測大氣湍流時的影響程度,結(jié)果表明:有限內(nèi)尺度的Cn2測量結(jié)果在一定程度上偏離不考慮內(nèi)尺度時Cn2的測量結(jié)果,且影響程度與激光傳輸距離和內(nèi)尺度的大小有關(guān),則在光強閃爍激光雷達的大氣湍流探測過程中需要考慮內(nèi)尺度。(3)分析了閃爍激光雷達回波光強信號分布的統(tǒng)計特征,使用極大似然概率分布對實際光強概率分布進行擬合,并與正態(tài)分布進行對比,結(jié)果表明:最低四階中心矩的極大似然概率分布能夠很好的描述回波信號對數(shù)光強的實際分布,通過偏斜度和陡峭度的分析表明對數(shù)光強實際概率密度分布雖然與正態(tài)分布有微小差異,但基本服從正態(tài)分布。利用考慮孔徑的指數(shù)威布爾分布的擬合結(jié)果表明,擬合結(jié)果和實際計算結(jié)果存在一定偏差,但兩者基本保持一致。垂直方向上計算得到的指數(shù)威布爾分布準(zhǔn)確性很大程度上依賴于Cn2反演的精度。(4)在有限內(nèi)尺度基礎(chǔ)上,利用閃爍激光雷達實現(xiàn)了不同路徑上大氣湍流強度的探測。使用小波閾值法和EMD模態(tài)分解法對激光雷達回波信號進行降噪處理。水平路徑上與閃爍儀的對比實驗表明有限內(nèi)尺度下Cn2的變化大小和趨勢與閃爍儀測量結(jié)果基本一致,也證明了EMD降噪方法的可行性;垂直方向上采用分層迭代算法反演了Cn2廓線并與合肥夏季Cn2廓線模型進行對比,結(jié)果表明:反演結(jié)果與模型整體變化趨勢較為一致,但有限內(nèi)尺度條件下的湍流強度值相對偏小,原因在于反演過程中因無法獲取內(nèi)尺度隨高度的變化,假設(shè)了整條探測路徑上內(nèi)尺度為常數(shù),造成測量誤差,導(dǎo)致考慮內(nèi)尺度情況下獲取的Cn2廓線不是最準(zhǔn)確的。
【圖文】：

而湍流是大氣的隨機運動造成的，伴隨著能量以及物質(zhì)的輸送和交換，逡逑是大氣中普遍存在的一種不規(guī)則運動。逡逑湍流的概念最初是由Ｒｅｙｎｏｌｄ在實驗中提出的，實驗裝置如圖１．１所示［１２］，逡逑玻璃管中的水流隨著流速的不斷增加，最終呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的運動狀態(tài)，逡逑Ｒｅｙｎｏｌｄ稱之為揣流。Ｒｅｙｎｏｌｄ數(shù)是描述流體特性的一個基本參量，表示為：逡逑Ｒｅ邋＝邋ｔ／Ｚ邋／邋ｖ邐（１．１）逡逑式中Ｕ是流速，Ｌ是運動特征尺度參數(shù)，ｖ為分子動力學(xué)粘性系數(shù)。逡逑實驗表明，Ｒｅｙｎｏｌｄ數(shù)存在臨界值Ｒｃｃ，當(dāng)Ｒｅ＜Ｒｃｃ時，流體運動表現(xiàn)為層流逡逑運動，而當(dāng)Ｒｅ＞Ｒｃｃ時則為湍流運動，由于實際大氣的粘性系數(shù)比較小，因此逡逑Ｒｅｙｎｏｌｄ數(shù)一般都會超過臨界值，那么大氣幾乎總是表現(xiàn)為復(fù)雜的湍流隨機運動。逡逑如圖１．２所示［１３］。逡逑愈｜W逡逑圖１．１邋Ｒｅｙｎｏｌｄ實驗裝置圖邐圖１．２湍流隨機運動狀態(tài)逡逑大氣湍流的存在是大氣邊界層的一個顯著特點，也是邊界層研究的核心問題。逡逑湍流主要是因風(fēng)速的剪切、太陽及地表輻射導(dǎo)致的溫度及速度場的變化

本的平均計算即得到大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Ｃ％該方法可以測量局地的湍流信息，逡逑但目前更重要的應(yīng)用是將溫度脈動儀搭載到探空氣球之上測量隨高度變化的大逡逑氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)ｄ，也就是湍流廓線，即探空法。其實驗示意圖如圖１．３所示逡逑圖１．３探空法裝置示意圖逡逑早在上個世紀(jì)７０年代，Ｂａｒｌｅｔｔｉ等人［２７］就己經(jīng)開展了利用探空氣球測量大氣逡逑湍流廓線的工作。吳曉慶等人［２８］所研制的微溫傳感器采用兩個直徑為的鎢逡逑絲，構(gòu)成惠斯登電橋的兩臂，測量水平距離ｌｍ的兩點溫差。并將溫度傳感器結(jié)逡逑合無線電技術(shù)，搭載在氫氣球上，即可測量ｄ廓線。探空法具有測量原理簡單逡逑以及高空間分辨率的特點。逡逑除了直接測量外，還可以為利用氣象參數(shù)和中尺度氣象模式ＷＲＦ對ｄ廓線逡逑的估算［２９］以及預(yù)報［３（）］提供較為可靠的實測比對數(shù)據(jù)。逡逑溫度脈動儀雖然可以直接測量大氣湍流廓線，但該測量方法實時性差，獲得逡逑整層湍流廓線的時間較長，需要將近兩個小時，并且氣球探測過程中受風(fēng)速影響逡逑很大，導(dǎo)致水平漂移能達到１０ｋｍ左右。因此相對于非光學(xué)探測方法，，為了更加逡逑直接快速的獲取實時湍流信息
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN958.98

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本文編號：2593203