[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

本發明公開了一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，應用于大氣光學湍流強度測量技術領域，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；由預定的采樣頻率值、慣性區的尺度值、統計時間、統計時間內的風速平均值，將時間間隔的兩點溫差轉換成空間兩點溫差，由單點結構函數法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，得到溫度結構常數的準確值。為全天侯、長時間持續地獲取準確的光學湍流強度提供了保證。

技術領域

本發明涉及湍流強度測量技術領域，更具體的說是基于超聲風速計的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法及系統。

背景技術

光波通過大氣傳輸會受到小尺度折射率起伏的影響，這些起伏將引起光束擴展、光斑抖動和相干性退化。我們將折射率場的變化主要是由溫度起伏引起的湍流稱為光學湍流。

近地面大氣光學湍流強度常用溫度脈動儀測量。溫度脈動儀測量方法是，兩個相距一定距離(通常取1米)的微溫探頭，組成惠斯登電橋的兩臂，測量空間兩點溫差，在均勻各向同性湍流假定下，經過一定時間的平方平均后得到溫度結構常數，再有與的關系式得到。由于塵埃、大風等因素易使微溫探頭污染造成儀器定標漂移，甚至損壞，需要定期更換探頭，增加了測量成本，在惡劣環境下甚至無法較長時間觀測。超聲風速計是利用多普勒效應以及聲速是溫度和濕度的函數關系，通過測量三個非正交軸上一定距離的超聲波脈沖傳輸時間，通過坐標變換，得到風速的三個分量以及超聲虛溫。超聲風速計主要用于地氣間的通量測量。通過測量垂直方向上的風速脈動和相關量(如溫度、濕度、風速等)的脈動值，計算它們的協方差，就得到顯熱通量，潛熱通量和動量通量，通稱為湍流通量，這一方法稱為通量測量的渦旋相關法。超聲風速計測量光學湍流存在兩個問題，一是超聲風速計測量的是聲虛溫，與氣溫有一定的差別。二是超聲風速計測量的是空間一點聲虛溫時間序列數據，而量度光學湍流強度需要的是空間一定距離的兩點溫差。

因此，如何提供一種既能測量光學湍流強度，又能保證光學湍流強度測量值的準確性大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法及系統是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了基于超聲風速計的一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，針對現有溫度脈動儀測量近地面光學湍流強度易受環境影響限制，超聲風速計測量的超聲虛溫無法直接得到光學湍流強度，為解決背景技術中的缺點，采用高精度超聲風速計測量的聲虛溫，通過對聲虛溫修正得到氣溫，在泰勒假定下，將空間一點測量的氣溫時間序列數據轉變成空間兩點通過溫差，為全天侯、長時間持續地獲取光學湍流強度提供了保證；同時，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。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種大氣光學湍流強度測量、評估和修正方法，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，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；

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。