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1、激光传输中大气光学参数的测量与分析孙刚翁宁泉肖黎明徐小峰( 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室)摘要：激光在火气中传播时，+ 会受到大气的影响1 酊产生各种效心，如闪烁、相位起伏等，闲此在研究这些问题时，大气光学参数的研究始终是必须且重要的。犬气光学参数主要包括大气温度、湿度、风速、风向和大气光学湍流强度C n 2 ，其中人气光学湍流强度是很重要的光学参数。大气湍流对光波的影畸主要是由于折射率起伏造成的，折射率的随机起伏使大气变成一种随机起伏的介质，破坏J ，光波的相十悱。奉义主要利用人气光学参数测量系统对再种人气光学参数进行J ，实地测量，通过对实验数据的统计分析得f f i
2、J ，绵阳地区近地面各种人气光学参数的统汁变化删律，对绵阿l 地区的人气光学参数结构特性有J ，比较清晰的认识，j 结果为进一步进行激光传输和火气性质的遥感探测及实际激光T 程心用提供丫极有意义的参考关键例：激光传输，人气光学参数，测量与分析一、引言人气光学参数测量系统用丁- 测量近地面层大气中与激光人气传输有关的人气光学参 数，主要包括人气温度、湿度、风速、风向和人气折射率结构常数C 。2 等参数。近地面层 人气对激光传输有较火影响，同时其局地性较强。近地面的人气温度、湿度、风和折射率 结构常数等是基本的人气参数，也是影响激光大气传输的重要参数，需要进行实时测量， 对研究激光人气传输有重要意
3、义。 人气折射率结构常数C 。2 是表示大气光学湍流强度的一个重要参数，F 面简要介绍一 卜C ，2 的测鼙原理：在讨论光波传播中的人气湍流效应时，土要是关心小尺度湍流运动，这通常满足K o l m o g o r o v 局地均匀各向同性的假定。从局地均匀各向同性的理论可以导出， 1 1 1 ：充分发展的湍流条件卜，在湍流惯性又：内满足结构函数的“2 3 ”定律【l 】：D 。( r ) = = C 。，”( 1 )D T ( r ) = m - C T 2 r z ”( 2 ) 结构函数只与两点间的距离有关，而与两点的位置和两点连线的方向无关，冈此测量两个已知距离的测鼙点的温度或折射率的瞬
4、时量，就可以计算得到温度或折射率的结构常数C ；或c ：，国内外很多人对此进行了观测和研刭2 。】。在光波波段，折射率的起伏主要受到温度起伏的影响，气压、水汽等起伏的影响相比而言可以忽略【4 】，因此又有： P C ：= ( 7 9 三) 2 9 1 0 1 2( 3 )“、 7 。通过测量空间中两点的温度差，就可以计算出温度的结构常数c ；，再加上同时测量的温度 雨I 气压平均值，就可以得到折射率结构常数c n 2 。这就是折射率结构常数直接测量的依据和方法【5 1 。一1 3 3 二、实验测量人气光学参数测彗系统中包括测量大气光学湍流强度折射率结构常数的温度脉动仪、测量人气温度和相对湿度的
5、温湿度传感器和测量大气二维风速的超声风速仪，各种仪器通过嵌入式系统与主控计算机连接，并由直流电源供电。人气光学参数测量系统软件包括参数设置和采集储存等部分组成，整个系统可以针对特定地点进行长期连续的测量采集J ：作。人气折射率结构常数C 。2 的测量采用了安徽光机所自行研制的H T P 2 型高灵敏度温度 脉动仪，探测器使用两个相距l m 的长度为2 4 c m 直径l Oum 铂丝电阻，测量两点的温度著T I L ，频率相应范围是0 - - 3 0 H z 。测量得到两点的温度脉动差值f 刚，平均就得到大气温度 结构常数c T 2 ，代入( 3 ) 式就可以计算出大气折射率结构常数c 。2
6、。 人气温度和相对湿度的测量采用芬兰V a i s a l a 公司的温湿度传感器H M P 4 5 D 和于之配套的白叶箱D T R 5 0 3 A 。温度探测是利用抗腐性铂传感器( P t l 0 0 0 ) ，湿度探测是利用电容 性薄膜聚合物传感器H U M I C A P 0 1 8 0 。风向和风速的测量采用美国杨氏公司的8 1 0 0 0 型超声风速仪，其测量的最小风速可以达剑0 0 1 m s ，并且能够测量垂直风速。在进行激光大气传输研究中，要求能够精确测量低风速的人小因此采用超声风速仪来测量。实验结果和分析讨论2 0 0 4 年1 2 月1 0 日至2 3 日，我们对火气光学
7、参数测量系统的性能进行了实地测试，测试地点在四川绵刚科学城，通过这一段时间的观测，我们初步得到了绵阳科学城地区近地面人气光学参数的一些基本特征： 1 人气折射率结构常数c n 2 的日变化规律：锄1 2 1 4Q 1 2 变化曲线弋、k ，魄一瞳jV啦 yo81 21 e舢T i m e 时B 1 6魄1 2 1 0 - 2 3d 2 变化曲线 lf 、_ _j 。l- _J7 竹1 21 3 幅1 8 7 81 9 2 1 笠阻y 口幽1 近地面大气湍流强度变化曲线图2 近地面大气湍流强度平均口变化曲线幽1 给出了某一天近地面大气湍流强度日变化规律，从一天的人气折射率结构常数C ，、2 随时
8、间变化曲线图上，可以清晰地看出C n 2 具有明显的日变化规律，白天湍流较强，夜间较弱，凌晨和转换时刻湍流很弱，中午湍流很强，这与其他设备测量的结果和大气光学一1 3 4 235i lBti ：c 。的理沦分析结果也是一致的，具有明显的日变化特点。测量得到的c 。2 最大值约为5 l O 一3 m 。7 乃，最小值约为4 1 0 q 6 m 那，大约有3 个量级的差别。图2 给出了实验期间近地面人气湍流强度平均日变化规律。由于每天的天气状况不同，可以看出每一天的湍流强度也都是不相同的。2 人气温度平相对湿度的变化规律：酎3 为某一天的人气温度和相对湿度随时间变化曲线图，从图中可以很清晰的看到人
9、e 温度和相对湿度的日变化规律：凌晨人气温度最低，相对湿度最人：人气温度随时间推移逐渐上升，相对湿度逐渐。卜降；午后1 6 时左右，人气温度达到最人值，此时相应的相对湿度却达剑最小值；此后人气温度逐渐降低，相对湿度逐渐升高。这充分说明人气温度和相对湿度具有明显的日变化，且两者线性相关，变化相反。2 0 0 4 1 2 1 6 温度变化由残2 0 0 4 12 1 6 相对年度变化曲线- l !、，-专_、k 一l - - - -， 、|专p一； r幽3 人气温度和相对湿度l 变化曲线图4 为2 0 0 4 年1 2 月l O 日至2 3 日人气温度和相对湿度的平均日变化图，由图中可以看出，实验
10、期间实验场| 又：的人气温度比较低，平均约为9 3 “ C ；相对湿度是比较人的，最小的也自6 2 ，最人的可达9 2 同样地大气温度和相对湿度的变化趋势相反，同每一天的日变化规律相吻合。2 0 0 4 1 2 1 0 一2 3 温度变化曲线2 0 0 4 1 2 1 0 2 3 相对湿度变化曲线| ； l、t11IH一1 峙量鹛 0 2墨 糟7 0酷JJ。|1I 一_7- 弋l。3_ hH d ILO ”21 3451 e71 81 0 2 1笠2 3帆y ，+ f f图4 人气温度和相对湿度的平均变化曲线一1 3 5 ：3 风速和风向的变化规律：根据每一大的数据分析得出：夜间的风速较火，白
11、天的风速较小，在夜间风速较人时，风向的一致性较好，而风速较小时风向的起伏较人。图5 为2 0 0 4 年1 2 月1 0 日至2 3 日风速平均日变化曲线图，可以看出实验期间的风速不大，平均约为0 7 m s 。约眩1 2 1 0 嚣风：遮变燃Jf _ 1 一一 f1L一一一一 1 、一一2 0 0 4 1 2 1 0 - 2 31 6 ：- 2 0 ：0 0 近地面风向曩事分布圈N0El ! I5 近地面风速平均H 变化曲线图6 近地面风向概率分布图幽6 为2 0 0 4 年1 2 月1 0 日至2 3 日每天1 6 ：0 0 至2 0 ：0 0 近地面风向概率分布图，由图可以明显地看出，在
12、实验期间的风向以东北偏东风为主。由丁测颦时间有限，参与统计分析的数据较少，因此本文分析得出的绵阳地区近地面各种人气光学参数的统计变化规律还需在今后的测量研究中进一步得到验证。参考文献1 永i F 方心用人气光学皋础 M 北京：气象出版社，1 9 9 0 ，6 7 7 0 2 R o b e l tR B e l a n d ，P r o p a g a t i o nt h r o u g hA t m o s p h e r i cO p t i c a lT u r b u l e n c e ，I E E 一0S y s t e mH a n d b o o kV O I 2 F r e
13、 d e r c i c kG S m i t h ，E d i t o r 。S P I EO p t i c a lE n g i n e e r i n gP r e s s ，1 9 9 3i 1 3 R e f f a e l eB a r l e t t ia n dG u i d oC e p a t e l l i ，M e a nv e r i c a lp r o f i l eo fa t m o s p h e r i cE el e v a n tf O l a s t r o n o m i c a ls e e i n gJ o p t S o c 。A m 1 9 7 6 ，6 6 ( 1 2 ) ：1 2 7 1 2 8 4 翁宁泉曾宗泳。肖黎明，龚知本大气光学湍流测量中平均时间和原始数据的筛选 J ，了束，2 0 0 4 年9 月：1 1 0 1 1 1 0 5强激光与粒 5 袁仁民，曾宗泳，肖黎明，翁宁泉”不同方法测量折射率结构常数的比较 J 。光学学报，2 0 0 0 年6月：7 5 5 7 5 6 6 肖黎明，翁宁泉，马成胜，曾宗泳，c 。2 探空仪的町靠性实验与数据处理方法 J ，合肥工业人学学报2 0 0 4 年2 月第2 7 卷第2 期：1 7 9 1 8 21 3 6 一OZ
