一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)及測量方法，包括：發(fā)射端，接收端和數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元；發(fā)射端包括：調(diào)制器，驅(qū)動電源，發(fā)光二極管和發(fā)射透鏡；調(diào)制器對驅(qū)動電源進(jìn)行調(diào)制；接收端包括：接收透鏡、光電二極管、溫度穩(wěn)定襯墊、前置放大器、檢波器和低頻放大器；數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元包括：數(shù)據(jù)采集器、存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)處理模塊。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確客觀地測量大氣折射率虛部的結(jié)構(gòu)常數(shù)。
【專利說明】一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣探測設(shè)備，具體的說，是一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系 統(tǒng)及測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)主要用于了解大氣折射率虛部的空間變化，進(jìn)一步用于 大氣成分（氣體和氣溶膠）的輸送通量測量。
[0003] 大氣有效折射率的數(shù)值與光源的波長和大氣中的成分有關(guān)。大氣有效折射率包括 兩部分：實部和虛部。大氣中除氣體成分外，還含有云霧和其他氣溶膠粒子。光波在大氣中 傳播的時候，會受到氣體分子、云霧和氣溶膠粒子的散射和吸收。散射與大氣折射率實部有 關(guān)，而吸收與大氣折射率的虛部有關(guān)。大氣折射率在空間的分布是不均勻的。大氣折射率 結(jié)構(gòu)常數(shù)反映了大氣折射率的空間變化。這個變化反映了大氣湍流狀況和吸收物質(zhì)（如果 存在吸收的話）的空間分布，因此，折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)（實部）的測量首先應(yīng)用到了和光傳輸 有關(guān)的領(lǐng)域，例如天文上視寧度的測量。后來又被廣泛用于測量大氣近地面熱通量。但虛 部折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量和應(yīng)用較少被人研究，還沒有一個實用的方法。
[0004] 大氣折射率虛部與大氣中的成分對光波的吸收有關(guān)。由于越來越嚴(yán)重的環(huán) 境污染和人類對氣候變化的不斷關(guān)注，大氣折射率虛部的測量顯得越來越重要。關(guān) 于大氣虛折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，已經(jīng)開展過一些研究。早在1983年，F(xiàn)ilho利用微波（波 長為5. 4毫米）在倫敦城市中心區(qū)域傳輸4. 1千米的距離，根據(jù)閃爍頻譜分析得到 了衰減對閃爍的貢獻(xiàn)，與理論估計有很好的一致性（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.)。該實驗所采用的波長在O2吸收線的波瓣處，而且該波 長遠(yuǎn)大于大氣氣溶膠的直徑，因此該貢獻(xiàn)是O 2吸收造成的。該實驗沒有給出由于O2吸收 引起的折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)，但是該研究為折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)。 Nieveen根據(jù)波長為940微米的近紅外波傳輸248米得到的光閃爍數(shù)據(jù)，得到測量點處的虛 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)約為 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·)。由于該實驗所米用的 波長位于水汽吸收線，從而被認(rèn)為是由于水汽吸收造成的。該文談到的折射率虛部結(jié)構(gòu)常 數(shù)是通過分析閃爍譜密度曲線得到的。根據(jù)譜曲線確定一個過渡頻率（稱之為判斷過渡頻 率法），根據(jù)過渡頻率與折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系得到折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)。由于取樣時 間長度的限制，譜密度在低頻部分具有較大的起伏，無法客觀地確定該過渡頻率的位置，因 而也就無法客觀地給出折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的數(shù)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服判斷過渡頻率法誤差大的缺點，提供一種大氣折射率 虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)及測量方法，能夠準(zhǔn)確客觀地測量大氣折射率虛部的結(jié)構(gòu)常數(shù)。
[0006] 本發(fā)明技術(shù)方案，一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)，包括：發(fā)射端，接收 端和數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元；
[0007] 發(fā)射端包括：調(diào)制器、驅(qū)動電源、發(fā)光二極管和發(fā)射透鏡；調(diào)制器對驅(qū)動電源進(jìn)行 調(diào)制，驅(qū)動電源向發(fā)光二極管供電，發(fā)光二極管發(fā)出的光束透過發(fā)射透鏡發(fā)射至大氣中；
[0008] 接收端包括：接收透鏡、光電二極管、溫度穩(wěn)定襯墊、前置放大器、檢波器和低頻放 大器；接收端接收發(fā)射端發(fā)出的光束，經(jīng)接收透鏡將光束會聚到光電二極管上，光電二極管 將光信號變?yōu)殡娦盘?，再依次?jīng)前置放大器放大、檢波器檢波、低頻放大器放大到足夠的幅 度，溫度穩(wěn)定襯墊用于減少光電二極管和前置放大器的溫度漂移；
[0009] 數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元包括：數(shù)據(jù)采集器、存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)采 集器采集接收端輸出的電信號，轉(zhuǎn)換為光強信號存儲至存儲設(shè)備中；數(shù)據(jù)處理模塊處理存 儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)，處理過程包括：
[0010] (1)將存儲設(shè)備中的光強數(shù)據(jù)取對數(shù)，即得到對數(shù)光強lnl，通過延遲相關(guān)方法或 譜分析方法將對數(shù)光強起伏方差^2ni分解為高頻起伏方差和低頻起伏方差，得 到低頻起伏方差012nijm ;
[0011] (2)利用下面的公式計算垂直于光束的橫向風(fēng)速ν，
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)，其特征在于包括：發(fā)射端，接收端和數(shù) 據(jù)采集存儲及處理單元； 發(fā)射端包括：調(diào)制器、驅(qū)動電源、發(fā)光二極管和發(fā)射透鏡；調(diào)制器對驅(qū)動電源進(jìn)行調(diào) 制，驅(qū)動電源向發(fā)光二極管供電，發(fā)光二極管發(fā)出的光束透過發(fā)射透鏡發(fā)射至大氣中； 接收端包括：接收透鏡、光電二極管、溫度穩(wěn)定襯墊、前置放大器、檢波器和低頻放大 器；接收端接收發(fā)射端發(fā)出的光束，經(jīng)接收透鏡將光束會聚到光電二極管上，光電二極管 將光信號變?yōu)殡娦盘?，再依次?jīng)前置放大器放大、檢波器檢波、低頻放大器放大到足夠的幅 度，溫度穩(wěn)定襯墊用于減少光電二極管和前置放大器的溫度漂移； 數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元包括：數(shù)據(jù)采集器、存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)采集器 采集接收端輸出的電信號，轉(zhuǎn)換為光強信號存儲至存儲設(shè)備中；數(shù)據(jù)處理模塊處理存儲設(shè) 備中的數(shù)據(jù)，處理過程包括： (1) 將存儲設(shè)備中的光強數(shù)據(jù)取對數(shù)，即得到對數(shù)光強lnl，通過延遲相關(guān)方法或譜分 析方法將對數(shù)光強起伏方差CT12U分解為高頻起伏方差和低頻起伏方差CT1Ljm，得到低 頻起伏方差crI^Im; (2) 利用下面的公式計算垂直于光束的橫向風(fēng)速V， v_\A6D：2D,]2al Rc V 式中，Dt為發(fā)射透鏡的直徑，W為接收透鏡的直徑；為對數(shù)光強起伏方差的高頻 分量，WPlnl^為對數(shù)光強起伏的功率譜曲線中平坦過渡區(qū)的譜密度； (3) 計算低頻起伏的時間延遲為τ的結(jié)構(gòu)函數(shù)Dlnlilm(VT)，確定結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)S;當(dāng) 時間延遲距離ντ大于發(fā)射透鏡直徑Dt和接收透鏡直徑&時，低頻起伏的時間延遲為τ 的結(jié)構(gòu)函數(shù)DlnI，Im(VT)由公式計算， =?χΑντ)-2σ?ιχ, 式中，〃^|為對數(shù)光強的高頻起伏方差，Dlnl(VT)為對數(shù)光強的時間延遲結(jié)構(gòu)函數(shù)， 計算公式為， A1, (vrMln 川 + Γ)-ln7(〇]2 當(dāng)?shù)皖l起伏的時間延遲距離Vτ小于且接近于湍流外尺度Ltl時，低頻起伏的結(jié)構(gòu)函數(shù) 〇1ηΙ, Im(V T ) > Dim,Im(vτ ) =S*(vτ)7/6 式中，S為結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)，利用實驗數(shù)據(jù)確定S的值； (4) 根據(jù)前面的計算結(jié)果，計算折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)， 低頻起伏方差C1Ljm與Ctjm存在著關(guān)系， <im=2.95C^24^ 式中U為湍流的外尺度； 低頻起伏結(jié)構(gòu)函數(shù)系數(shù)S與Cito存在著關(guān)系， 聯(lián)立方程，得到折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)C^lm，
式中，k為光源發(fā)出的光波的波數(shù)，k= 231/λ。
2. -種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下： (1) 發(fā)射端的調(diào)制器對驅(qū)動電源進(jìn)行調(diào)制，該驅(qū)動電源向發(fā)光二極管供電；發(fā)光二極 管發(fā)出的光波的中心波長為λ，發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)發(fā)射透鏡會聚，產(chǎn)生小于〇. 5° 發(fā)散角度的光束，采用多組發(fā)光二極管和發(fā)射透鏡發(fā)射，增加發(fā)射透鏡的口徑；一個發(fā)光二 極管和一個發(fā)射透鏡為一組，采用4組平行并列的方式發(fā)射直徑達(dá)0. 6米的光束； (2) 發(fā)射端發(fā)出的光束穿過待測量區(qū)域的大氣，光束在大氣中傳輸，會受到大氣湍流 的散射，氣體分子及氣溶膠的吸收，引起光強幅度的變化，接收端與發(fā)射端的距離為L;L為 500米至10公里； (3) 接收端的接收透鏡接收來自發(fā)射端的光束，將光信號會聚在光電二極管上，采用多 個透鏡接收，采用4個透鏡并列放置，使得所有透鏡接收到的光束均會聚至光電二極管，同 樣是為了增加接收透鏡的口徑；光電二極管將光信號變?yōu)殡娦盘?，首先?jīng)過前置放大器放 大，再經(jīng)過檢波器檢波，然后再經(jīng)過低頻放大器放大到足夠的幅度，得到輸出信號； (4) 接收端輸出的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集器采集，轉(zhuǎn)換為光強，然后將光強數(shù)據(jù)存儲至存儲 設(shè)備； (5) 將存儲設(shè)備中的光強數(shù)據(jù)取對數(shù)，即得到對數(shù)光強lnl，通過延遲相關(guān)方法或譜分 析方法將對數(shù)光強起伏方差分解為高頻起伏方差和低頻起伏方差^^>，得到低 頻起伏方差^ ; (6) 利用下面的公式計算垂直于光束的橫向風(fēng)速v，
式中，Dt為發(fā)射透鏡的直徑，&為接收透鏡的直徑；為對數(shù)光強起伏方差的高頻 分量，WPlnl^為對數(shù)光強起伏的功率譜曲線中平坦過渡區(qū)的譜密度； (7) 計算低頻起伏的時間延遲為τ的結(jié)構(gòu)函數(shù)Dlnlilm(VT)，確定結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)S;當(dāng) 時間延遲距離ντ大于發(fā)射透鏡直徑Dt和接收透鏡直徑&時，低頻起伏的時間延遲為τ 的結(jié)構(gòu)函數(shù)DlnI，Im(VT)由公式計算，
式中，為對數(shù)光強的高頻起伏方差，DlnI(V〇為對數(shù)光強的時間延遲結(jié)構(gòu)函數(shù)， 計算公式為， Dln,(ντ)= [In /(/ + r) - InI{l)]2 當(dāng)?shù)皖l起伏的時間延遲距離vτ小于且接近于湍流外尺度Ltl時，低頻起伏的結(jié)構(gòu)函數(shù) 〇1ηΙ, Im(V T ) Dim,im(ντ ) =S*(vτ)7/6 式中，S為結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)，利用實驗數(shù)據(jù)確定S的值； (8)根據(jù)前面的計算結(jié)果，計算折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)， 低頻起伏方差與Cllm存在著關(guān)系， <^=^C；Mk2LfL 式中U為湍流的外尺度； 低頻起伏結(jié)構(gòu)函數(shù)系數(shù)s與Q2,存在著關(guān)系， S = 2.95Cl Jc1LLf 聯(lián)立方程，得到折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)G21111， :-1 510-7 式中，k為光源發(fā)出的光波的波數(shù)，k= 2ji/λ。
【文檔編號】G01N21/41GK104237162SQ201410396075
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】袁仁民, 曾宗泳, 傅云飛 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)