一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法
【专利摘要】一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法，包括：发射端，接收端和数据采集存储及处理单元；发射端包括：调制器，驱动电源，发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调制；接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大器；数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块。本发明能够准确客观地测量大气折射率虚部的结构常数。
【专利说明】一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大气探测设备，具体的说，是一种大气折射率虚部结构常数的测量系 统及测量方法。
【背景技术】
[0002] 大气折射率虚部结构常数主要用于了解大气折射率虚部的空间变化，进一步用于 大气成分（气体和气溶胶）的输送通量测量。
[0003] 大气有效折射率的数值与光源的波长和大气中的成分有关。大气有效折射率包括 两部分：实部和虚部。大气中除气体成分外，还含有云雾和其他气溶胶粒子。光波在大气中 传播的时候，会受到气体分子、云雾和气溶胶粒子的散射和吸收。散射与大气折射率实部有 关，而吸收与大气折射率的虚部有关。大气折射率在空间的分布是不均匀的。大气折射率 结构常数反映了大气折射率的空间变化。这个变化反映了大气湍流状况和吸收物质（如果 存在吸收的话）的空间分布，因此，折射率结构常数（实部）的测量首先应用到了和光传输 有关的领域，例如天文上视宁度的测量。后来又被广泛用于测量大气近地面热通量。但虚 部折射率结构常数的测量和应用较少被人研究，还没有一个实用的方法。
[0004] 大气折射率虚部与大气中的成分对光波的吸收有关。由于越来越严重的环 境污染和人类对气候变化的不断关注，大气折射率虚部的测量显得越来越重要。关 于大气虚折射率结构常数，已经开展过一些研究。早在1983年，Filho利用微波（波 长为5. 4毫米）在伦敦城市中心区域传输4. 1千米的距离，根据闪烁频谱分析得到 了衰减对闪烁的贡献，与理论估计有很好的一致性（Filho, F. C. M.，Jayasuriya, D. A. R. , Cole, R. S. , and HelmisjC. G. :Spectral density of millimeter wave amplitude scintillations in an absorption region,IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 31，672-676, 1983.)。该实验所采用的波长在O2吸收线的波瓣处，而且该波 长远大于大气气溶胶的直径，因此该贡献是O 2吸收造成的。该实验没有给出由于O2吸收 引起的折射率虚部结构常数，但是该研究为折射率虚部结构常数的后续工作打下了基础。 Nieveen根据波长为940微米的近红外波传输248米得到的光闪烁数据，得到测量点处的虚 折射率结构常数约为 4. I X ICT24 米-2/3 (Nieveen, J. P.，Green, A. E.，and Kohsiek, W. : Using a large-aperture scintillometer to measure absorption and refractive index fluctuations, Boundary-Layer Meteorology, 87, 101-116, 1998·)。由于该实验所米用的 波长位于水汽吸收线，从而被认为是由于水汽吸收造成的。该文谈到的折射率虚部结构常 数是通过分析闪烁谱密度曲线得到的。根据谱曲线确定一个过渡频率（称之为判断过渡频 率法），根据过渡频率与折射率虚部结构常数的关系得到折射率虚部结构常数。由于取样时 间长度的限制，谱密度在低频部分具有较大的起伏，无法客观地确定该过渡频率的位置，因 而也就无法客观地给出折射率虚部结构常数的数值。
【发明内容】
[0005] 本发明技术解决问题：克服判断过渡频率法误差大的缺点，提供一种大气折射率 虚部结构常数的测量系统及测量方法，能够准确客观地测量大气折射率虚部的结构常数。
[0006] 本发明技术方案，一种大气折射率虚部结构常数的测量系统，包括：发射端，接收 端和数据采集存储及处理单元；
[0007] 发射端包括：调制器、驱动电源、发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行 调制，驱动电源向发光二极管供电，发光二极管发出的光束透过发射透镜发射至大气中；
[0008] 接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放 大器；接收端接收发射端发出的光束，经接收透镜将光束会聚到光电二极管上，光电二极管 将光信号变为电信号，再依次经前置放大器放大、检波器检波、低频放大器放大到足够的幅 度，温度稳定衬垫用于减少光电二极管和前置放大器的温度漂移；
[0009] 数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块；数据采 集器采集接收端输出的电信号，转换为光强信号存储至存储设备中；数据处理模块处理存 储设备中的数据，处理过程包括：
[0010] (1)将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnl，通过延迟相关方法或 谱分析方法将对数光强起伏方差^2ni分解为高频起伏方差和低频起伏方差，得 到低频起伏方差012nijm ;
[0011] (2)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速ν，
[0012]
【权利要求】
1. 一种大气折射率虚部结构常数的测量系统，其特征在于包括：发射端，接收端和数 据采集存储及处理单元； 发射端包括：调制器、驱动电源、发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调 制，驱动电源向发光二极管供电，发光二极管发出的光束透过发射透镜发射至大气中； 接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大 器；接收端接收发射端发出的光束，经接收透镜将光束会聚到光电二极管上，光电二极管 将光信号变为电信号，再依次经前置放大器放大、检波器检波、低频放大器放大到足够的幅 度，温度稳定衬垫用于减少光电二极管和前置放大器的温度漂移； 数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块；数据采集器 采集接收端输出的电信号，转换为光强信号存储至存储设备中；数据处理模块处理存储设 备中的数据，处理过程包括： (1) 将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnl，通过延迟相关方法或谱分 析方法将对数光强起伏方差CT12U分解为高频起伏方差和低频起伏方差CT1Ljm，得到低 频起伏方差crI^Im; (2) 利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速V， v_\A6D：2D,]2al Rc V 式中，Dt为发射透镜的直径，W为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频 分量，WPlnl^为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度； (3) 计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数Dlnlilm(VT)，确定结构函数的系数S;当 时间延迟距离ντ大于发射透镜直径Dt和接收透镜直径&时，低频起伏的时间延迟为τ 的结构函数DlnI，Im(VT)由公式计算， =?χΑντ)-2σ?ιχ, 式中，〃^|为对数光强的高频起伏方差，Dlnl(VT)为对数光强的时间延迟结构函数， 计算公式为， A1, (vrMln 川 + Γ)-ln7(〇]2 当低频起伏的时间延迟距离Vτ小于且接近于湍流外尺度Ltl时，低频起伏的结构函数 〇1ηΙ, Im(V T ) > Dim,Im(vτ ) =S*(vτ)7/6 式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值； (4) 根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数， 低频起伏方差C1Ljm与Ctjm存在着关系， <im=2.95C^24^ 式中U为湍流的外尺度； 低频起伏结构函数系数S与Cito存在着关系， 联立方程，得到折射率虚部结构常数C^lm，
式中，k为光源发出的光波的波数，k= 231/λ。
2. -种大气折射率虚部结构常数的测量方法，其特征在于实现步骤如下： (1) 发射端的调制器对驱动电源进行调制，该驱动电源向发光二极管供电；发光二极 管发出的光波的中心波长为λ，发光二极管发出的光束经发射透镜会聚，产生小于〇. 5° 发散角度的光束，采用多组发光二极管和发射透镜发射，增加发射透镜的口径；一个发光二 极管和一个发射透镜为一组，采用4组平行并列的方式发射直径达0. 6米的光束； (2) 发射端发出的光束穿过待测量区域的大气，光束在大气中传输，会受到大气湍流 的散射，气体分子及气溶胶的吸收，引起光强幅度的变化，接收端与发射端的距离为L;L为 500米至10公里； (3) 接收端的接收透镜接收来自发射端的光束，将光信号会聚在光电二极管上，采用多 个透镜接收，采用4个透镜并列放置，使得所有透镜接收到的光束均会聚至光电二极管，同 样是为了增加接收透镜的口径；光电二极管将光信号变为电信号，首先经过前置放大器放 大，再经过检波器检波，然后再经过低频放大器放大到足够的幅度，得到输出信号； (4) 接收端输出的电信号经数据采集器采集，转换为光强，然后将光强数据存储至存储 设备； (5) 将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnl，通过延迟相关方法或谱分 析方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差和低频起伏方差^^>，得到低 频起伏方差^ ; (6) 利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v，
式中，Dt为发射透镜的直径，&为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频 分量，WPlnl^为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度； (7) 计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数Dlnlilm(VT)，确定结构函数的系数S;当 时间延迟距离ντ大于发射透镜直径Dt和接收透镜直径&时，低频起伏的时间延迟为τ 的结构函数DlnI，Im(VT)由公式计算，
式中，为对数光强的高频起伏方差，DlnI(V〇为对数光强的时间延迟结构函数， 计算公式为， Dln,(ντ)= [In /(/ + r) - InI{l)]2 当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度Ltl时，低频起伏的结构函数 〇1ηΙ, Im(V T ) Dim,im(ντ ) =S*(vτ)7/6 式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值； (8)根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数， 低频起伏方差与Cllm存在着关系， <^=^C；Mk2LfL 式中U为湍流的外尺度； 低频起伏结构函数系数s与Q2,存在着关系， S = 2.95Cl Jc1LLf 联立方程，得到折射率虚部结构常数G21111， :-1 510-7 式中，k为光源发出的光波的波数，k= 2ji/λ。
【文档编号】G01N21/41GK104237162SQ201410396075
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】袁仁民, 曾宗泳, 傅云飞 申请人:中国科学技术大学