[发明专利]一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统

说明书

本发明公开了一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，应用于大气光学湍流强度测量技术领域，具体步骤包括如下：采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，对所述声虚温时间序列数据进行预处理，得到大气温度时间序列数据；由预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，由单点结构函数法实时测量温度结构常数—对大气温度时间序列数据进行傅里叶变换，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数的准确值。为全天侯、长时间持续地获取准确的光学湍流强度提供了保证。

技术领域

本发明涉及湍流强度测量技术领域，更具体的说是基于超声风速计的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统。

背景技术

光波通过大气传输会受到小尺度折射率起伏的影响，这些起伏将引起光束扩展、光斑抖动和相干性退化。我们将折射率场的变化主要是由温度起伏引起的湍流称为光学湍流。

近地面大气光学湍流强度常用温度脉动仪测量。温度脉动仪测量方法是，两个相距一定距离(通常取1米)的微温探头，组成惠斯登电桥的两臂，测量空间两点温差，在均匀各向同性湍流假定下，经过一定时间的平方平均后得到温度结构常数，再有与的关系式得到。由于尘埃、大风等因素易使微温探头污染造成仪器定标漂移，甚至损坏，需要定期更换探头，增加了测量成本，在恶劣环境下甚至无法较长时间观测。超声风速计是利用多普勒效应以及声速是温度和湿度的函数关系，通过测量三个非正交轴上一定距离的超声波脉冲传输时间，通过坐标变换，得到风速的三个分量以及超声虚温。超声风速计主要用于地气间的通量测量。通过测量垂直方向上的风速脉动和相关量(如温度、湿度、风速等)的脉动值，计算它们的协方差，就得到显热通量，潜热通量和动量通量，通称为湍流通量，这一方法称为通量测量的涡旋相关法。超声风速计测量光学湍流存在两个问题，一是超声风速计测量的是声虚温，与气温有一定的差别。二是超声风速计测量的是空间一点声虚温时间序列数据，而量度光学湍流强度需要的是空间一定距离的两点温差。

因此，如何提供一种既能测量光学湍流强度，又能保证光学湍流强度测量值的准确性大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于超声风速计的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，针对现有温度脉动仪测量近地面光学湍流强度易受环境影响限制，超声风速计测量的超声虚温无法直接得到光学湍流强度，为解决背景技术中的缺点，采用高精度超声风速计测量的声虚温，通过对声虚温修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，为全天侯、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证；同时，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，具体步骤包括如下：

采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，对所述声虚温时间序列数据进行预处理，得到大气温度时间序列数据；其中所述大气温度时间序列数据包括但不限于：采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值；

通过预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数；

由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。