[发明专利]一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及大气湍流测量技术领域，尤其涉及一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法。

背景技术

激光在湍流大气中传输时，由于大气中折射率的起伏导致激光波阵面畸变，引起光束漂移、光斑扩展和光强起伏等湍流效应。大气相干长度(r₀)和大气折射率结构常数C_n²是表征大气湍流前度的两个重要参数，大气相干长度与湍流强度的关系为

式中k为波数，h₀为仪器离地面的高度，为天顶角，W(h)为核函数，可表示为

温度脉动仪是通过测量两点的温度脉动差求出再利用测量得到温度和气压的平均值，代入与C_n²的关系式中，从而得到大气折射率结构常数。

根据Kolmogorov的局地均匀各向同性湍流的理论可知，在湍流惯性区内两点间的结构常数只与两点间的距离的2/3次方有关,与两点的位置和相对方向无关，于是在小尺度的情况下温度起伏结构函数和折射率起伏结构函数可表示为

式中，D_T(r)和D_n(r)分别是温度和折射率的结构函数；和C_n²分别是温度和折射率的结构常数，r是两点间的距离。

在可见光波段范围内，对流层(高度<17km)中地球大气的折射率表示为^[10]：

式中，P是大气气压(单位：100Pa)，T是热力学温度(单位：K)，λ是光波波长(单位：μm)。对上式两边进行微分，可得：

在某一固定高度处，气压变化相对较小，可以忽略，折射率变化dn主要由温度dT产生。由此，大气折射率结构常数C_n²与温度结构常数的关系是^[10]：

因此只要得到压强P和温度T和两点的温度差，就能够计算出

由于温度脉动探空仪是通过测温来获得C_n²，原理简单，技术成熟，容易实施，因此这种测量方法得到了广泛的应用。该方法的最大优势是它具有较高的分辨率，不足之处是实时性不强，测量一条完整廓线所需时间较长，并且若高空风速过大也会对探空气球的造成较大影响。

基于差分光柱像运动(Differential column image motion，DCIM)雷达的湍流廓线测量系统用来实时测量整层大气折射率结构常数廓线(以下称湍流廓线)，该系统由DCIM雷达和等晕角测量仪组成。该雷达以单束激光为信标，通过对激光光柱侧向散射信号成像的差分抖动信息结合不同高度光柱焦平面成像的算法，成功克服了近地面湍流对分时测量大气相干长度的干扰，能够同时测量1Km到高空12Km的大气相干长度廓线，测量实时性好。

根据DIM原理，两子孔径连线方向的差分像运动方差与大气相干长度(r₀)的关系表示为：

其中D表示子孔径直径，d表示子孔径中心间距，r₀表示大气相干长度，与波数k和信标高度Z_Beacon关系为：

通过连续分析两光带对应区域成像的差分运动大小即可得到大气相干长度廓线。

在实际应用中，大气相干长度仪的定标往往是采用探空气球法，就是将温度脉动仪挂在探空气球下，随探空气球上升过程中进行测量从而获得整层大气相干长度与大气相干长度仪测量结果对比分析。但气球上升时间较长，测得整层大气相干长度所需时间较长，实时性差。这便导致了定标有较大的误差。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：