近地面各向异性湍流大气对光传输影响实验研究

发布时间：2020-08-23 13:43

【摘要】：现有的湍流理论以及湍流对光传输影响的理论都是基于各向同性湍流假定,然而实际湍流大气经常表现出各向异性特征。本文首先建立湍流各向异性模型,利用光传输数值模拟分析各向异性湍流对光传输中的光强和到达角起伏的影响,然后在近地面开展光传输的外场实验,得到如下成果:根据实际近地面层大气湍流的特征,建立一种水平面内延展而在垂直方向压缩的三维谱密度椭球模型描述各向异性湍流,将表征各向异性特征的系数引入Von Karman三维谱。多相屏光传输数值模拟表明,较大尺度上各向异性湍流对光强起伏的影响与各向同性条件下的结果相同。较大尺度上各向异性湍流对到达角起伏的影响与各向同性条件下结果的差别明显,并且在改变各向异性系数时,垂直和水平方向上到达角起伏方差的比值与各向异性系数之间存在清晰的函数关系,文中给出了这种定量关系。通过较长时间连续测量风速、温度等气象要素,得到了测量点处的大气温度层结稳定度参数的日变化特征。同时测量得到了垂直和水平方向到达角起伏方差的比值,发现这一比值和Richardson数之间存在有规律的对应关系:Richardson数为正时,该比值总是大于1,而Richardson数为负时,这一比值在1附近起伏。综合数值模拟和外场实验测量的结果,认为大气湍流的各向异性特征与大气温度层结稳定度之间存在对应关系。温度层结稳定时,湍流大气表现出各向异性特征,而在温度层结不稳定时,湍流大气则表现各向同性。这一结论可以用来指导现有各向同性理论基础上的大气湍流测量和湍流参数反演,并可以通过光学测量判断近地面湍流大气是否表现出明显的各向异性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1;P421.1
【图文】：

波前相位,相位,灰度,中点

逦＾！逡逑图２．１波前相位的一个示例图像逡逑图２．邋１中点灰度表示该处相位数值的相对大小。逡逑由于经典的湍流理论大多建立在各向同性假定的基础上，因此在引入了各向异逡逑性系数后，首先对Ｖｏｎ邋Ｋａｒｍａｎ三维谱进行改写，这里使用牛顿迭代的方法得到各逡逑向异性谱中的波数，代入各向异性谱中，分别由式（１．１８）和式（２．邋１３）得到光强逡逑起伏方差和相位起伏二维谱，进一步得到相屏调制后的二维相位和振幅结果。逡逑得到二维相位后，利用相位数据计算得到到达角，同二维光强数据一起作为程逡逑序输出。逡逑得到输出到达角和光强数据后，分别计算沿水平和垂直两个方向上的到达角起逡逑伏谱和光强起伏谱，分别积分得到方差，作为一次实验结果。逡逑对每组参数设置重复以上步骤１０次

发射端,到达角起伏,光学实验,气象站

逡逑气象资料的获取由气象站（见图２．２）完成，主要包括：气象站所在位置的气逡逑压、湿度，距离地面ｌｍ和３ｍ高度的温度、风速数据，涡动相关得到的二氧化碳等逡逑的通量数据等。逡逑分别使用风杯风速计和放置在百叶箱内的温度计连续测量得到距离地面ｌｍ和逡逑３ｍ高度的风速和温度数据，测量频率为１０Ｈｚ，主要用来计算大气温度层结稳定度。逡逑其中，温度和风速数据的采样频率均为ｌ0Ｈｚ。逡逑图２．邋２气象站实物图片逡逑２）光学测量逡逑光学实验主要测量到达角起伏的结果，主要分为发射端和接收端两大部分，示逡逑意图见图２．邋３。逡逑发射端为Ｈｅ－Ｎｅ激光器，接收端为拍照装置，由口径ｌ0ｃｍ的镜头、分辨率可逡逑调节的ＣＣＤ相机和接收计算机组成。发射端与接收端距离为６0ｍ。逡逑激光束从发射端发出后，经过接收端的镜头聚焦成一点由ＣＣＤ相机记录下来。逡逑拍摄频率为每秒３０帧，每次记录的结果均为灰度图像。逡逑通过长时间的拍照测量

示意图,光学实验,示意图,发射端

【参考文献】