[发明专利]一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法

摘要

一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法，包括：发射端，接收端和数据采集存储及处理单元；发射端包括：调制器，驱动电源，发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调制；接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大器；数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块。本发明能够准确客观地测量大气折射率虚部的结构常数。

主权项

一种大气折射率虚部结构常数的测量系统，其特征在于包括：发射端，接收端和数据采集存储及处理单元；发射端包括：调制器、驱动电源、发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调制，驱动电源向发光二极管供电，发光二极管发出的光束透过发射透镜发射至大气中；接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大器；接收端接收发射端发出的光束，经接收透镜将光束会聚到光电二极管上，光电二极管将光信号变为电信号，再依次经前置放大器放大、检波器检波、低频放大器放大到足够的幅度，温度稳定衬垫用于减少光电二极管和前置放大器的温度漂移；数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块；数据采集器采集接收端输出的电信号，转换为光强信号存储至存储设备中；数据处理模块处理存储设备中的数据，处理过程包括：(1)将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnI，通过延迟相关方法或谱分析方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差和低频起伏方差得到低频起伏方差(2)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v，$v=\frac{1.16{D_t}^{1/2}{D_r}^{1/2}{\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2}{{\mathrm{WP}}_{\ln I,\mathrm{Re}}}$式中，D_t为发射透镜的直径，D_r为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频分量，WP_lnI,Re为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度；(3)计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)，确定结构函数的系数S；当时间延迟距离vτ大于发射透镜直径D_t和接收透镜直径D_r时，低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)由公式计算，$D_{\ln I,\mathrm{Im}}\left(\mathrm{v\τ}\right)=D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)-{2\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2$式中，为对数光强的高频起伏方差，D_lnI(vτ)为对数光强的时间延迟结构函数，计算公式为，$D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)=\stackrel{\‾}{{[\ln I(t+\mathrm{\τ})-\ln I\left(t\right)]}^2}$当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度L₀时，低频起伏的结构函数D_lnI,Im(vτ)表示为，D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值；(4)根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数低频起伏方差与存在着关系，${\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{L}_0^{5/3}L$式中L₀为湍流的外尺度；低频起伏结构函数系数S与存在着关系，$S=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{\mathrm{LL}}_0^{1/2}$联立方程，得到折射率虚部结构常数$C_{n,\mathrm{Im}}^2=\frac{1}{2.95}\frac{S^{10/7}}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2\right)}^{3/7}{k}^{2}L}$式中，k为光源发出的光波的波数，k＝2π/λ。