[發明專利]一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法及系統

在審

• 申請號: 202011269383.4
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112525826A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 吳曉慶;黃宏華;范承玉
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01P5/24
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

1.一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，其特征在于，具體步驟包括如下：

采用高精度超聲風速計實時采樣高頻聲虛溫時間序列數據，對所述聲虛溫時間序列數據進行預處理，得到大氣溫度時間序列數據；其中所述大氣溫度時間序列數據包括但不限于：采樣頻率值、慣性區的尺度值、統計時間、統計時間內的風速平均值；

通過預定的采樣頻率值、慣性區的尺度值、統計時間、統計時間內的風速平均值之間的相互關系，在泰勒假定下將時間間隔的兩點溫差轉換成空間兩點溫差，計算空間兩點溫差的二階結構函數，實時測量溫度結構常數—

對大氣溫度時間序列數據進行傅里葉變換，由單點頻譜法計算出溫度結構常數值，從譜冪率的取值范圍對單點結構函數法得到的溫度結構常數值進行評估和修正，得到溫度結構常數準確值。

2.根據權利要求1所述的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，其特征在于，所測量的聲虛溫時間序列數據是由高精度超聲風速計，通過高采樣率獲得，組成數據集x_i＝{y_i1 x_i1 x_i2 x_i3 ... x_in}；其中，y_i1為氣溫；x_i1，x_i2，x_i3，…，x_in為聲虛溫的特征。

3.根據權利要求1所述的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，其特征在于，將超聲風速計測量的聲虛溫時間序列進行修正，剔除聲虛溫中濕度的貢獻，得到氣溫，具體步驟包括：

由公式得到氣溫；T_s是聲虛溫，e、P分別是水氣壓和氣壓；

e＝e_s×RH/100；

e_s＝6.1121(1.0007+3.46×10^-6P)exp(17.502T/(240.97+T))，RH是相對濕度，e_s是飽和水氣壓。

4.根據權利要求3所述的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，其特征在于，超聲風速計測量的聲虛溫進行修正，剔除聲虛溫中濕度的貢獻具體方法包括但不限于：線性回歸、聚類算法、K近鄰算法。

5.根據權利要求1所述的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，其特征在于，所述修正后的氣溫數據測量數據滿足集X_i＝{Y_i1 X_i1 X_i2 X_i3 ... X_in}；其中，Y_i1為結構常數；X_i1，X_i2，X_i3，…，X_in為氣溫的特征；通過預定的采樣頻率值F_s、慣性區的尺度值L、統計時間、統計時間內的風速平均值之間的相互關系，將空間兩點溫差轉換成時間間隔的兩點溫差，計算時間間隔的兩點溫差的二階結構函數，實現溫度結構常數的實時測量；

計算出每組數據的平均風速

空間長度為常數，計算出時間間隔τ；

由公式計算出溫度結構常數其中尖括號表示統計平均，T(t)為t時刻溫度脈動信號。

6.根據權利要求1所述的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，其特征在于，溫度結構常數通過湍流慣性區內一維溫度譜來確定；

對于Kolmogorov湍流，一維溫度波數譜Ψ_T(k)為：

k是波數，Ψ_T(k)通過Taylor假定由時間序列的溫度脈動信號頻率譜Ψ_T(f)得到，兩者關系為：

其中(2)式代入(1)，

對超聲風速計測量的超聲溫度時間序列數據進行快速傅里葉變換，得到溫度功率譜；對功率譜進行平滑，結合風速，確定慣性區范圍，由式(3)計算出慣性區內一組值，并取平均值得到