[發明專利]一種大氣折射率虛部結構常數的測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 201410396075.6
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN104237162A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 袁仁民;曾宗泳;傅云飛
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及大氣探測設備，具體的說，是一種大氣折射率虛部結構常數的測量系統及測量方法。?

背景技術

大氣折射率虛部結構常數主要用于了解大氣折射率虛部的空間變化，進一步用于大氣成分(氣體和氣溶膠)的輸送通量測量。?

大氣有效折射率的數值與光源的波長和大氣中的成分有關。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，而吸收與大氣折射率的虛部有關。大氣折射率在空間的分布是不均勻的。大氣折射率結構常數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(如果存在吸收的話)的空間分布，因此，折射率結構常數(實部)的測量首先應用到了和光傳輸有關的領域，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。但虛部折射率結構常數的測量和應用較少被人研究，還沒有一個實用的方法。?

大氣折射率虛部與大氣中的成分對光波的吸收有關。由于越來越嚴重的環境污染和人類對氣候變化的不斷關注，大氣折射率虛部的測量顯得越來越重要。關于大氣虛折射率結構常數，已經開展過一些研究。早在1983年，Filho利用微波(波長為5.4毫米)在倫敦城市中心區域傳輸4.1千米的距離，根據閃爍頻譜分析得到了衰減對閃爍的貢獻，與理論估計有很好的一致性(Filho,F.C.M.,Jayasuriya,D.A.R.,Cole,R.S.,and?Helmis,C.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，而且該波長遠大于大氣氣溶膠的直徑，因此該貢獻是O₂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構常數，但是該研究為折射率虛部結構常數的后續工作打下了基礎。Nieveen根據波長為940微米的近紅外波傳輸248米得到的光閃爍數據，得到測量點處的虛折射率結構常數約為4.1×10^-24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.)。由于該實驗所采用的波長位于水汽吸收線，從而被認為是由于水汽吸收造成的。該文談到的折射率虛部結構常數是通過分析閃爍譜密度曲線得到的。根據譜曲線確定一個過渡頻率(稱之為判斷過渡頻率法)，根據過渡頻率與折射率虛部結構常數的關系得到折射率虛部結構常數。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構常數的數值。?

發明內容

本發明技術解決問題：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構常數的測量系統及測量方法，能夠準確客觀地測量大氣折射率虛部的結構常數。?

本發明技術方案，一種大氣折射率虛部結構常數的測量系統，包括：發射端，接收端和數據采集存儲及處理單元；?

發射端包括：調制器、驅動電源、發光二極管和發射透鏡；調制器對驅動電源進行調制，驅動電源向發光二極管供電，發光二極管發出的光束透過發射透鏡發射至大氣中；?

接收端包括：接收透鏡、光電二極管、溫度穩定襯墊、前置放大器、檢波器和低頻放大器；接收端接收發射端發出的光束，經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為電信號，再依次經前置放大器放大、檢波器檢波、低頻放大器放大到足夠的幅度，溫度穩定襯墊用于減少光電二極管和前置放大器的溫度漂移；?

數據采集存儲及處理單元包括：數據采集器、存儲設備和數據處理模塊；數據采集器采集接收端輸出的電信號，轉換為光強信號存儲至存儲設備中；數據處理模塊處理存儲設備中的數據，處理過程包括：?

(1)將存儲設備中的光強數據取對數，即得到對數光強lnI，通過延遲相關方法或譜分析方法將對數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