同步测量大气湍流折射率结构常数和内尺度的光学方法

作者:朱文越;赵柱灵;马晓珊;饶瑞中 刊名:强激光与粒子束 上传者:朱燕华

【摘要】基于不同波长的光闪烁,采用修正的大气湍流H ill谱模型,提出了一种同时反演大气湍流内尺度及折射率结构常数的方法。假定内尺度在某一个范围内取值,对于不同波长的闪烁指数,如果当内尺度取某一定值时,由光传输理论计算的C2n(λ1,…)和C2n(λ2,…)相等,反演成功。根据此原理设计了三波长闪烁计并在某地进行了外场测量。近地面大气湍流的内尺度一般在2~10 mm之间,且随折射率结构常数(其量级为10-16~10-13)的变化而变化,两者之间存在一定的正相关;任意两波长组合进行反演得到的内尺度(或折射率结构常数)值具有自洽性,其相关系数的最小值为0.81,因此证明了该方法的可行性。

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 第 17卷  第 10期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 17,No. 10   2005年 10月 H IGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Oct. , 2005  文章编号 :  100124322 (2005) 101461204 同步测量大气湍流折射率结构常数和内尺度的光学方法3朱文越 ,  赵柱灵,  马晓珊,  饶瑞中 (中国科学院 安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031)   摘  要 : 基于不同波长的光闪烁 ,采用修正的大气湍流 Hill谱模型 ,提出了一种同时反演大气湍流内尺度及折射率结构常数的方法。假定内尺度在某一个范围内取值 ,对于不同波长的闪烁指数 ,如果当内尺度取某 一定值时 ,由光传输理论计算的 C2 n (λ 1 , ⋯)和 C2 n (λ 2 , ⋯)相等 ,反演成功。根据此原理设计了三波长闪烁计并 在某地进行了外场测量。近地面大气湍流的内尺度一般在 2~10 mm之间 ,且随折射率结构常数 (其量级为10- 16 ~10- 13 )的变化而变化 ,两者之间存在一定的正相关 ;任意两波长组合进行反演得到的内尺度 (或折射率结构常数 )值具有自洽性 ,其相关系数的最小值为 0. 81,因此证明了该方法的可行性。   关键词 :  内尺度 ;  折射率结构常数 ;  修正 Hill谱 ;  光闪烁 ;  大气湍流   中图分类号 :  P427. 1    文献标识码 :  A   在研究光波大气传输问题时 ,大气湍流的折射率结构常数 C2 n 和内尺度 l0 是两个关键参量 ,目前已有很多光学测量方法。Livingston最早提出利用同一传播方向的、不同距离处测量的闪烁方差求内尺度 [1 ] , Hill, Freh2lich 和 Ochs等人提出了利用双口径 (或双波长 )相关闪烁、空间滤波技术、光强空间相关性等多种探测内尺度的方法 [2~6 ] , Consortini等人提出利用两平行细光束位移的相关函数性质以及通过同步测量到达角起伏与光强起伏来求出内尺度的方法 [7, 8 ] 。大气折射率结构常数的光学测量手段主要利用振幅起伏的闪烁法和相位起伏的到达角法 [9, 10 ]。上述诸多方法从不同角度或原理出发 ,实现了大气折射率结构常数和内尺度的测量 ,其结果 在大气光传输、边界层研究等领域得到了广泛应用。   本文基于 L. C. Andrews等人提出的大气湍流的修正 Hill谱模型 [11 ] ,根据同光路上不同波长光强起伏的闪烁指数 ,采用双波长直接差分技术 ,提出了一种能够同时反演大气湍流折射率结构常数和内尺度新方法 ,并设计了一个简单的便携式三波长闪烁计 ,实际外场测量结果验证了反演方法的可行性。 1 测量原理   在光闪烁研究中 ,实际测量与数值模拟的结果依赖于假定的折射率起伏的空间功率谱模型 ,在忽略外尺度 (即假设外尺度为无穷大 )的条件下 ,湍流谱一般可写为 Φn (κ) = 0. 033C2 n k - 11/3 f (κl0 ) (1) 式中 : C2 n 是大气折射率结构常数; k =2π/λ是真空中的波数; f (κl 0 )是描述内尺度效应的因子。如果湍流内尺 度 l0 为零 ,即为 Kolmogorov谱 ,则 f (κl0 ) = 1。在考虑小尺度起伏时 ,理论研究者广泛使用的是 Tatarskii谱 , f (κl0 ) = exp [ - (κl0 /5. 92) 2 ]。Hill提出了一个普适的谱模型 ,它是方程 d d

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