远海海面大气光学湍流试验测量王倩梅海平李玉剑邵士勇-物理学报

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光纤传感技术用于大气光学湍流测量

光纤传感技术用于大气光学湍流测量*梅海平苑克娥饶瑞中（中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心安徽合肥 230031)摘要：大气湍流造成的随机折射率起伏引起一系列湍流效应，如激光波阵面畸变、光束扩展、光斑漂移和光强闪烁等，严重制约了激光技术的应用，实时准确地测量湍流光学参数具有重要意义。

本文简要回顾了几种广泛使用的湍流光学参数测量方法，分析了其适用条件。

结合湍流测量需要，重点阐述了光纤传感技术用于大气光学湍流参数测量的可行性。

最后指出将光纤传感技术引入大气湍流光学参数测量对促进湍流研究工作的进展具有深远意义。

关键词：光纤传感技术大气光学湍流参数测量方法1 引言湍流大气是一种非均匀的随机介质，其折射率是空间位置和时间的函数。

通常湍流大气可看作包含各种尺度折射率的湍涡的集合，当激光波阵面通过湍流介质时，与湍涡边界发生相互作用，产生如光束漂移、光束扩展、光强闪烁和相位起伏等各种湍流效应，这些效应有时会严重影响激光系统的应用。

大气湍流同时受到诸多研究领域的重视，例如，它可降低地基望远镜的成像分辨率，从而成为天文学研究的一个主要问题[1]。

此外，在自由空间光传输研究中，人们一直对大气湍流予以高度重视[2-4]，因为激光在空气中传播数百米后，湍流效应引起的误码便不可忽视。

湍流大气光学从本质上来说是一门实验科学，可以说现今的大气湍流理论大都建立在人们对各种环境下大气湍流的长期实验观察结果的数理统计基础上。

随着理论与数值模拟研究的进展，湍流研究对测量技术的要求越来越高，比如现代高性能计算机运行计算湍流动力学或激光大气传输程序时，要求更高的测量精度和空间分辨率，可是常规的湍流测量手段已经难以满足实际需求。

然而，设计理想的湍流测量设备还面临着众多挑战，这至少有两方面的原因，一方面人们所渴望的测量能力往往受环境(如温度、湿度或盐分)、仪器本身物理性质(如体积、相应速度)或系统带宽的限制(频率响应特性)；另一方面，在某些情况下人们对所观察到的新现象物理过程的认识还不够全面。

海洋大气环境下运动平台上湍流通量和光学湍流测量问题探析

第３５卷１期２年１０１２月
安徽师范大学学报（自然科学版）
Ｊｕａｏｈｉｒｌｉｅｓｙ（ｔｒｌｃｎｅｏｒｌｆｎＡｎｕＮｏｍａＵｎ０．５Ｎｏ．１３１
美国和日本等国家的大气和海洋科学家发起，２０在００年一２００４年期间，在全球大洋中布３０浮标，成００个构实时和高分辨率的全球海洋观测网．观测网提供全球海洋深达２０的温度、度剖面资料和全球范围该００米盐
海洋上空大气参数的观测将有利于了解海洋与大气间的相互作用和海洋对气候的影响机理．
光波在海洋大气传输过程中将与大气分子、胶、气溶大气湍流发生相互作用，生一系列线形或非线形产效应（如分子或气溶胶的散射和吸收、射、流效应、晕效应等）将严重影响光束质量、低目标对比度折湍热，降和目标成像分辨率、降低靶目标的能量集中度和光学系统的跟瞄精度．与激光大气传输密切相关的大气光学参数是大气光学湍流．我们将折射率场的变化主要是由温度起伏引起的湍流称为光学湍流．量度光学湍流强度的量是折射率结构常数．陆地相比，与海洋上的大气光学湍流测量比较困难，这包括测量平台（浮标、测量船）的不稳定性带来的测量误差、劣的环境造成的仪器损坏、恶以及海洋环境下的已知和未知因素对测量

推算波浪多年一遇波高的新方法3

推算波浪多年一遇波高的新方法3尹宝树何宜军侯一筠程明华苏京志林祥中国科学院海洋研究所青岛提要采用卫星遥感推算多年一遇波高的新方法对中国近海多年一遇波高进行推算研究∀运用卫星遥感散射计得到的风资料推算了整个渤海区域波浪多年一遇的波高分布∀通过与有实测资料个点推算的结果比较表明卫星资料和实测计算的误差随着重现期的增大而减小最大误差百年和年一遇波高为而百年和年一遇波高正是工程中最为关心的说明运用卫星遥感散射计风资料推算渤海多年一遇波高可行且结果合理∀本研究方法为进一步运用和完善卫星遥感资料推算中国近海多年一遇波高场提供了一条新途径∀关键词卫星遥感法多年一遇波高推算中图分类号 °多年一遇波高是海洋开发中的海洋工程最重要的设计参数之一∀获取波浪多年一遇的波高目前国内外惯用的两种方法是现场观测资料方法和数值模拟方法∀第一种方法难以获得连续年以上的观测资料更无法获得大范围区域的波浪年极值波高场第二种方法可以通过选取典型天气个例模拟出连续多年年以上的年极值尹宝树等从而可给出大范围区域的波浪多年一遇波场但这种方法工作量大选取的个例难免疏漏也影响其代表性另外所用的数值模式本身的精度特别是用于数值模式计算的风场难以准确有一定的局限性∀卫星遥感的发展弥补了上述两种方法的不足∀卫星遥感资料已应用于海洋中许多物理现象的研究王海瑛等王东晓等但应用于海浪多年一遇波高的推算较为少见∀现阶段有两种传感器合成孔径雷达 ≥ 和高度计可以用来观测波浪 ≥∀合成孔径雷达 ≥ 资料重复率不好价格十分昂贵难以用来研究时间过程高度计可以直接观测有效波高但它只有星下点数据空间分辨率很差而且只能测波高!不能测波向∀因此到目前为止直接测波浪的卫星资料还难以用来推算多年一遇波高∀然而卫星却提供了大面积!长时间观测海面风场的传感器))卫星散射计 ≤ 2εταλ这种传感器至今已积累了年的全球风场资料∀如果能够有效地利用风浪算法以风场计算浪场然后由浪场推算波浪的极值分布将开辟一条计算波浪多年一遇空间分布的新途径∀本次研究已完成了从卫星散射计测风资料计算波浪场的算法给出了渤海大范围海浪的极值分布∀尽管结果是初步的需进一步完善但它显示了卫星3国家自然科学基金资助项目和号中国科学院知识创新项目 ≤÷ 2 ∀尹宝树男出生于年月博士研究员 ∞2收稿日期 2 2 收修改稿日期 2 2第卷第期年月海洋与湖沼 ≤∞ ∞× ≥ ≤ ∂资料应用的巨大前景对推动我国在这一领域的研究既有重要的理论价值又具有重大的经济效益∀1 风的遥感资料来源和提取方法卫星散射计是一种微波传感器它可以不受云层影响全天候!全天时接受信息∀卫星上的雷达具有三个不同指向的天线地面照射宽度为 ∀散射计的接受装置可获取同一点三个方向上雷达回波的后向散射系数用于风场的矢量处理∀雷达回波后向散射系数的变化实际上对应于海面粗糙度的变化而海面粗糙度的变化又是由风场所引起因而在理论上后向散射系数与风场有对应关系∀但是由于海面粗糙度与风场有时同步有时滞后具体情况无法确切知道后向散射系数与风场的对应关系只能是统计意义上的关系∀111 资料来源使用的散射计资料来自∞ ≥2 和∞ ≥2 卫星有年半的时间序列覆盖范围为全球海域网格间距为 ∀112 资料提取方法欧空局提供的算法为 ∞∏ ≥Ρβ β ≈ β 5 η β 5式中 Ρβ为雷达回波的后向散射系数 β !β !β 均为风速及雷达入射角的函数 5为风向与波束方位角之差∀方程构成了后向散射系数与风速!风向的复杂线性关系∀式中的各函数根据大量现场实验数据来确定式便成为反映这种复杂关系的统计算法∀求解方程可采用最大似然估计法完成对风速和风向的反演∀风速反演误差为 Ù 或风向反演误差为? β ±∏ εταλ∀可见卫星散射计对风场的反演精度很高空间分辨率也适用可以为计算海浪提供合适的风场∀运用上述方法和欧空局处理的∞ ≥2 和∞ ≥2 卫星散射计资料年至今的光盘产品∀读取了连续年多的风速和风向并提取了年月至年月整个渤海 χ≅ χ的网格点的风速风向遥感资料以此来估计波浪多年一遇波高场∀113 资料代表性分析常规风场观测频率一般为几个小时而卫星观测频率为一周左右因而卫星资料难免漏掉一些大风信息使多年一遇极值估计值偏低∀因而在使用卫星数据之前有必要估计一下卫星风场是否有了极值估计所需的重要信息∀极值风场主要由大风数据来确定我国北方的强风主要是寒潮大风南方的强风主要是台风因而中国的风场自然分为两大类∀寒潮大风具有千公里空间尺度大风来临时对北方海区几乎全部覆盖因而卫星观测的风场不会漏掉局部信息只要时间序列足够长卫星观测的风场应能反映风场的极值特征从而较好反映波浪场的极值特征∀台风却只有百公里的空间尺度而且台风移动很快卫星观测风场难免漏掉台风的信息∀实际上台风从产生到登陆在整个台风路径上都包含了一次大风过程而卫星几天一次的风场只包含了过境时的最大风场路径上的其他∞∏ ≥ 1 ∞ ≥ ∏ ∏≤ 2 ×2•2 2 ƒ期尹宝树等推算波浪多年一遇波高的新方法部分的信息必然漏失∀因而用卫星风场资料计算南方海区的极值风场不会很好会在大范围内估计偏低∀为此本次研究将首先针对受寒潮侵袭频繁的渤海区域因为台风在渤海的波高多年一遇推算中不起决定作用所以渤海寒潮大风推算的多年一遇的极值波高具有代表性∀2 运用风的遥感资料推算渤海多年一遇波高211 方法在渤海 χ≅ χ的网格点上取其每个月的最大风速每个点共个值根据在渤海已有的海浪和风的资料所得到的经验关系式Η φ υ 把每月的遥感风速代入此式得到每月的最大有效波高形成由个值组成的波高序列本研究在各网格点皆使用此关系式故近岸点的误差会大一点∀遥感风速是海面上高度的风速需把它订正到波高和风速经验关系的高度上的风速约 ∀在每个网格点把个月的最大的有效波高按由大到小排列首先计算它们的累积概率Π Ηι Π Ηι ιÙΝ 其中Ν 是样本波高数据个数 Ηι为波高 ι , ∀假设该波高序列服从• ∏ 分布陈上及 ∏Π Η ¬ Η Α Β Χ取二次对数得 ΠΧ ≈Η Α Β 图渤海年一遇有效波高等值线分布图ƒ • √ ∏ ∏≥ ≤ ⁄是实测检验点式中 Π为累积概率 Α !Β !Χ 是待定系数由各网格点月最大有效波高序列和相应的概率通过回归计算求得∀212 渤海多年一遇波高推算结果和实测资料比较根据上述方法推算了整个渤海区域内 χ≅ χ各网格点上的年一遇波高值并给出了其等值线分布图 ∀为了检验运用此方法所得结果的精度选择了渤海个有实测资料的检验点 β χ β χ∞ β χ β∞ ≤ β χ β χ∞ ⁄ β χ中国科学院海洋研究所渤海石油检测公司 ∀渤海 2 油气田水文气象观测与研究研究报告 ≠ 1 √ ° ≤ ∞ ≥ )∏ ƒ ∏ 1 ¬ √ 2⁄ χ ) ≠ ∏ )海洋与湖沼卷β χ∞ ∀其中和两点分别有近一年的实测资料而≤ ⁄两点仅有少量的短期实测资料∀所以重点对 ! 两点的卫星资料推算的结果与实测资料推算的结果比较∀作为例子这里仅给出位于渤海中部点的详细计算结果∀根据上述方法运用最小二乘法推得 Α 1 Β 1 Χ 1 点极值波高所服从的• ∏ 分布为Π Η ¬ Η 11 1式中 Π为累积概率 Η为波高∀ 式与经验点的比较见图由图可知所计算的累积率分布公式与个经验点累计率符合很好可以认为此分布函数是合理的由此可推算出各点的多年一遇波高∀图点重现期概率分布ƒ ° ∏ ∏ ))表示公式计算的累积率曲线 πππππ表示实测值计算的累积率表给出了 ! 两点卫星遥感资料和现场实测资料推算的不同重现期的多年一遇波高表则由于≤!⁄两点仅由较短实测资料只给出了年一遇的波高结果比较∀从表和表可以看到卫星遥感资料推算的多年一遇波高比实测资料推算的结果普遍偏低这可能是由于遥感资料漏掉的信息所致∀不过从卫星和实测计算的结果看两者的误差随着重现期的增大而减小从定量上来说由于卫星遥感遗漏的信息所致的最大误差百年和年一遇波高为年一遇波高为而百年和年一遇波高是工程设计中最为关心的从这个意义上来讲卫星遥感资料推算的结果具有很高的精度∀当然这个结果在渤海中部深水区更为准确误差较小靠近近岸误差较大这从表中≤!⁄点的结果及表中点的结果可见一斑∀总体上从本研究卫星遥感资料与实测资料推算的结果看卫星遥感资料推算多年一遇波高场还是令人满意的∀为进一步运用和完善卫星实测资料推算中国近海高分辨率大范围的多年一遇波高场提供了一条新的途径∀表1 Α!Β两点卫星和实测资料推算的不同重现期波高结果比较× ≤ √ ∏ ∏ ≥∏点位重现期资料推算1 1 1 1 1 卫星1 1 1 1 1 误差 11 1 1 1 资料推算 11 1 1 1 卫星 11 1 1 1 误差 1 1 1 1 1 期尹宝树等推算波浪多年一遇波高的新方法表2Χ!∆两点卫星和实测资料推算的50年一遇波高结果比较× ≤ √ ∏ ∏ ∏重现期≤资料推算卫星误差⁄资料推算卫星误差1 1 1 1 1 13讨论通过运用渤海遥感风场资料推算多年一遇波高的研究认为有以下几个问题值得注意和进一步研究∀311遥感风资料的取样遥感风资料是不定时的值也不是等时间隔的观测而且取样时间太长所以该资料的信息可能漏掉最大值但中等强度的风经常可取到这样用此方法估计的多年一遇的值可能会偏小∀这一点从在渤海的计算中有所体现但漏值产生的影响不太大∀312本方法在深浅水的适应性从渤海的计算结果可以看出运用遥感风资料推算的多年一遇波高在深水区精度较高而在近岸误差较大这是由近岸海域地形的复杂性及网格较粗所致∀故要推算出整个海域高分辨率较高精度的多年一遇波高必须在深水区运用遥感风资料推算多年一遇波高相应地在近岸区运用高分辨率细网格数值计算模式进行近岸区多年一遇高波推算∀313本方法的应用前景和展望按照上面所提出的方法和建议通过进一步的研究工作并配合一定的检验点观测可以运用卫星遥感资料对渤海!黄海!东海及南海整个中国近岸海域做出一个高分辨率的多年一遇波高大面分布图∀从本文研究的结果看运用遥感风资料散射计配合一定的近岸波浪传播计算方法得到计算区域的高分辨率多年一遇波高场是可行的∀这种方法的优点是可充分利用现有的遥感风资料避免了现场资料观测的困难性和危险性既可避免生命财产的损失又可大量节约观测经费绘出整个中国近海沿岸区域多年一遇波高大面分布为海洋工程建设及海上航行等提供安全保障也必将大大推动我国近海海洋开发工作∀4结语本研究运用卫星散射计风场资料结合风速和波高的关系式推算了渤海整个区域的多年一遇波高分布场∀尽管研究结果是初步的需进一步完善但随着卫星资料的不断增多此方法会显示出更大的应用前景∀参考文献王海瑛陆洋许厚泽等 1利用×Ù°卫星测高资料构造中国近海及邻域平均海平面和海面地形海洋与湖沼 )王东晓施平杨昆等 1南海× °∞÷海面高度资料的混合同化试验海洋与湖沼 )尹宝树王涛范顺庭 1海浪数值模式及其应用海洋与湖沼 )陈上及马继瑞编著 1海洋数据处理分析方法及其应用北京海洋出版社 )≤ ≤ ≥≤ ∞εταλ 1 2 √ ∏2 2 ° ∞∞∞ )±∏ ≠ ° 1≤ Ù√ ∏ ° ≥≥ 1 海洋与湖沼卷≥ °) ≥ 1 √ ≤ °ΑΝΕΩΜΕΤΗΟ∆ΟΦΡΕΤΥΡΝΠΕΡΙΟ∆ΩΑςΕΗΕΙΓΗΤΧΑΛΧΥΛΑΤΙΟΝ≠ 2≥ ∏ ∞≠ 2 ∏ ≠ 2 ∏ ≤ ∞ 2 ∏ ≥ 2 ÷ΙνστιτυτεοφΟχεανολογψ ΤηεΧηινεσεΑχαδεµψοφΣχιενχεσ ΘινγδαοΑβστραχτ • √ ∏ × ∏ √ ∏ ∏√ ∏ ∏ ×2 ∏ ∏ ¬ √ ∏ √ ∏ ∏ √ √2√ ∏ √ 2 2∏ ∏ ∏ ∏ ∏ 2 √ ∏ ∏ ∏∏∏ ∏2 ∏ √ √ 2 √ √√ ∏ ∏2 ∏ √ √ 2 ∏ ∏ ∏ √√∏ ∏ √ ≤√ ∏Κεψωορδσ ≥ ∏ • √ ∏期尹宝树等推算波浪多年一遇波高的新方法。

海洋大气湍流对海军光电装备性能的影响

第３９卷第２期
Ｖ０１．ＮＯ．３９２
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｇｎｒｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｎ
２１００年４月
Ａｐ．０１ｒ２０
海洋大气湍流对海军光电装备性能的影响
３ＧｒｄａｃｏｌｏｈｈｎｓｃｄｍｙｏｃｅｃｓＢｉｎ００９ｈｎ）．ａｕｔＳｈｏｆｔｅＣｉｅｅＡａｅｆＳｉｎｅ，ｅｉｇ１０４，Ｃｉａｅｊ
Ａｂｓｒｃ：Ｔｈｓａｏａａｄｉｒａｖｒａｉｎｈｒｃｅｓｉｓｆａｍｏｐｅｃｕｂｌｎｅｆａｉｉｅｔａｔｅｅｓｎｌｎｄｕｎｌａｉｔｃａａｔｒｔｏｔｓｈｒｔｒｕｅｃｏｍｒｔｏｉｃｉｍｓｒａｅｂｕｄｒｌｙｒｕｆｃｏｎａｙａｅｗｅｅｒｓｎｅｂｓｄｏｔｅｏｅｖｔｏｄｔ．ＷｉｔｅｐｒｏｍａｃｉｄｘｒｐｅｅｔｄａｅｎｈｂｓｒａｉｎａａｔｈｅｒｎｅｎｅｈｆｃｎｉｔｇｆＢＥＲ，ａｇｅｒｃｉｇｒｏ，ＭＴＦｎｅｏｕｉｎ，ｔｅｔｏｐｅｃｕｂｌｎｅａａａｙｅｏｓｓｉｏｎｎｌｔａｋｎｅｒｒａｄｒｓｌｔｏｈａｍｓｈｒｔｒｕｅｃｗｓｎｌｚｄｉｕｄｒｔｅＲｙｏａｐｏｉａｉｎａｄｓｉｂｅａｓｍｐｉｎｏｓｔｏｉＫｏｍｏｏｏｐｃｒｍｉｕｂｌｎｅｎｅｈｔｖｐｒｘｍｔｎｕｔｌｓｕｏａｔｓｆｉｏｒｐｃｏｌｇｌｖｓｅｔｕｎｔｒｕｅｃ．Ｔｈａａｙｉｒｓｌｓｓｏｅｎｌｓｓｅｕｔｈｗｔａｕｄｒｈｅｖｒｎｅｔｆｙｉａｍａｎａｍｏｐｅｃｕｂｌｎｅｔｅｈｔｎｅｔｅｎｉｏｍｎｏｔｐｃｌｉｒｅｔｓｈｒｔｒｕｅｃ，ｈｉ

大气湍流中光传播的数值模拟

大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2，郭立新1 吴振森1（1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ）摘要光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。

文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。

进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。

研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。

关键词大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟；大气结构常数；中图分类号 TP391 文献标识码 A1 引言大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。

因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。

通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。

目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。

早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。

在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。

然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。

由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。

大气光学;海洋大气;光学湍流

大气光学;海洋大气;光学湍流1.引言1.1 概述概述：大气光学、海洋大气和光学湍流是自然界中与光传播和光学观测相关的重要现象。

大气光学研究的目的在于了解大气对光的传播和传感器观测的影响，从而提高光学设备的性能和准确度。

海洋大气研究的目标是揭示海洋和大气界面上光的传输过程，从而促进海洋环境监测和海洋资源开发利用。

而光学湍流研究则关注光在大气中传播时因空气湍流引起的波前畸变问题，其研究对于激光通信、天文观测等领域具有重要意义。

本文将深入探讨大气光学、海洋大气和光学湍流这三个领域的基本概念、影响因素以及与观测和通信的关系。

首先，我们将介绍大气光学的基本概念，包括大气中的散射、吸收和辐射等现象，以及大气光学的主要影响因素，如大气湍流、气溶胶和云等。

接着，我们将探讨海洋大气的特点和影响因素，包括海洋表面对光的反射、折射和散射等过程，以及海洋中的气泡、藻类和悬浮颗粒等因素对海洋光学的影响。

最后，我们将重点讨论光学湍流的定义、特征以及对观测和通信的影响，包括湍流引起的波前畸变和相位失真等问题。

通过对大气光学、海洋大气和光学湍流的综合研究，我们可以更好地理解和模拟光在自然界中的传播和退化过程，为光学设备的设计和应用提供理论支持和技术指导。

同时，这些研究也有助于提高大气环境和海洋生态的监测能力，推动相关领域的发展和应用创新。

在结论部分，我们将对大气光学、海洋大气和光学湍流的关联性进行总结，并展望大气光学和海洋光学研究的意义和未来发展方向。

希望通过本文的介绍和分析，读者能够更全面地了解和认识这些重要的光学现象，为相关领域的科研和应用提供有益的参考和启示。

1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为三个主要部分：大气光学、海洋大气和光学湍流。

每个部分将重点介绍相关的基本概念、特征和影响因素，并探讨它们对观测和通信的影响。

在第二部分，我们将深入研究大气光学。

首先，我们将介绍大气光学的基本概念，包括大气层的组成和结构，以及大气中的光传播机制。

基于大气湍流的光学成像系统性能研究

基于大气湍流的光学成像系统性能研究随着科技的不断进步，光学成像系统在现代生活中的应用越来越广泛。

然而，由于大气湍流对光传输的影响，光学成像系统的性能往往会受到限制。

因此，人们对于基于大气湍流的光学成像系统性能进行研究成为了一个热门的课题。

大气湍流是指大气中因温度、压力和湿度等参数的不均匀性所引起的气流的不规则运动。

这种运动往往会导致光的传输受到湍流涡旋的扰动，使光的传输路径发生弯曲、偏移和增加相位差等现象，从而影响光学成像系统的成像质量。

为了研究基于大气湍流的光学成像系统性能，科学家们采取了多种手段和方法。

其中，一种常用的方法是通过数值模拟进行研究。

科学家们根据湍流的运动特性，建立了合适的数学模型，利用计算机进行模拟计算，得到了光学传输路径的扰动情况，从而研究光学成像系统的成像质量。

这种方法具有灵活性强、成本低等优点，可以帮助科学家们更好地理解大气湍流对光学系统的影响。

另一种常用的方法是通过实验研究。

科学家们利用气象球、激光测风仪等仪器设备，对大气湍流进行实时监测和测量。

通过这些实验数据，科学家们可以获得大气湍流的运动特性和变化规律，进而研究光学传输路径的扰动情况。

这种方法具有直观性强、可靠性高等优点，可以为实际应用提供可靠的数据支持。

基于大气湍流的光学成像系统性能研究不仅仅可以帮助科学家们更好地了解大气湍流对光学系统的影响，还对于提高光学成像系统的成像质量具有重要意义。

在军事、遥感、天文等领域，光学成像系统常常需要在复杂的大气湍流环境中工作。

如果能够深入研究大气湍流对光学系统的影响，并根据研究结果进行系统优化和改进，就可以显著提高光学成像系统的成像精度和稳定性。

值得注意的是，基于大气湍流的光学成像系统性能研究还面临一些挑战和难题。

首先，湍流现象十分复杂，涉及的参数和变量众多，研究难度较大。

此外，湍流的运动特性和变化规律也存在一定的不确定性，对于系统性能的研究提出了一定的挑战。

因此，科学家们仍然需要继续努力，开展更深入、更广泛的研究，为基于大气湍流的光学成像系统性能提升提供更为有效的解决方案。

海洋环境下的大气光学湍流测量与模式研究

海洋环境下的大气光学湍流测量与模式研究海洋环境下的大气光学湍流效应严重制约着海洋场景下光学遥感成像、自由空间光通信以及激光大气传输等光电工程性能的发挥。

精准地评估光学湍流效应的影响程度依赖于湍流信息的获取,而大气折射率结构常数C2是定量描述大气光学湍流强度的重要参量,精确地获得海洋环境下的Cn2能够为涉及大气传输的激光工程系统在海洋场景下应用时的最佳工作时间窗口以及为光电系统关键技术参数的设置提供参考和指导。

尽管当前存在众多Cn2测量技术,但是受复杂的海洋下垫面的影响,通常需要耗费大量的人力、财力和物力,且难以进行长时间、大范围内的连续观测,不能满足海洋场景下光电工程应用的实际需要。

因此,有必要建立相应的Cn2模式,通过相对容易测量的常规气象参数估算C2n。

本文分别利用在南海海上综合观测平台上测得的近海面数据和远海海洋施放探空气球获得的探空数据,选取适当的Cn2模式估算了海洋环境下的Cn2,并与模式在其他环境下的估算结果进行了对比分析,以及通过定量的统计分析来评估不同模式的估算效果,验证模式的可行性和合理性。

本文的主要研究内容和结论如下:1.归纳总结了基于相似理论建立的如Bulk、Tatarski、Wynggard等多种边界层湍流模式,和基于Tatarski模式的Dewan、HMNSP99、Jackson等多种外尺度廓线模式。

在此基础上增加了人工神经网络模式和Thorpe外尺度模式。

2.利用位于国家气象局茂名博贺海洋观测站海上综合观测平台、茂名博贺海洋观测站岸基观测平台、合肥35米铁塔等测量的常规气象数据,对海洋大气边界层的Cn2、海陆交界处大气边界层的Cn2以及内陆地区大气边界层的Cn2进行估算和比对,并分析了模式估算的结果和可能引起估算误差的因素。

对海洋大气边界层的Cn2估算结果进行统计分析,发现同时考虑了温度、湿度、和温湿相干项对湍流贡献的Bulk法的相对误差为3.97%,略高于只考虑了温度对湍流贡献的Wynggard模式的3.82%,但是它与实测值的相关度为0.65,要明显高于Wynggard模式的0.56。

海水声速测量系统案例设计及教学实践

海水声速测量系统案例设计及教学实践作者：胡梅周超瞿智郭熙业靳晓艳来源：《现代职业教育》2021年第31期[摘要] 測量原理是测控技术与仪器专业的一门学科基础必修课，通过课程学习，要求学生基于测量学的三大基本问题熟练掌握测量原理的五个基本概念和三个基本操作，深刻理解知识内涵，初步具备测量方法论思维，教学难度极大。

为了让学生更好地理解如何将测量原理知识实际应用，精心设计了海水声速测量系统教学案例，通过具体问题导入、测量基本原理分析、测量系统设计与实现、测量系统分析与总结四个部分，将课程核心知识点有机串联，进行了教学实践，取得了良好的教学效果。

[关键词] 测量系统;案例设计;教学实践[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2021）31-0041-03一、案例教学法和测量原理课程特点随着我国高校教学改革的不断深入，案例教学法越来越多地运用到教学实践中，尤其是理论课程的相关知识点解析教学环节中。

案例教学通过实例演示使抽象理论变得直观易懂，使教学过程更加生动活泼，能够启发、引导学生积极思考[1-2]。

近年来，案例教学法在教育科研方法、数学、信息光电子学、机器学习、现代数字信号处理、数字电子技术基础等不同类型的课程[2-7]中均得到了有效运用，取得了良好的教学效果。

测量原理是测控技术与仪器专业的学科基础课程，是本专业学生学习后续专业课程的基础知识，是学生进行抽象思维、理论分析与技术设计的学科专业基础。

课程围绕测量学的三大基本问题：量值的存在性、量值的可测性和量值的确定性问题展开，将测量原理的核心知识点分为两个方面：基本概念和基本操作[8]。

基本概念包括五个名词：量值、信号、算子、误差和系统，基本操作包括三个动词：分析、计算和设计。

课程教学目标是要求学生基于测量学的三大基本问题熟练掌握测量原理的五个基本概念和三个基本操作，深刻理解知识内涵，初步具备测量方法论思维。

课程主要从“抽象”与“理论”两个过程传授知识与技能，教学难度极大。

海洋湍流下OAM光通信仿真实验设计

相位屏模型，设计了海洋湍流下 OAM 光通信仿真实验，仿真验证了 OAM 作为信息载体的可行性，并为将
其应用于通信系统实验教学与研究提供参考。
关键词：轨道角动量；海洋湍流；随机相位屏；空间分布
中图分类号：TN929.1
文献标识码：A
文章编号：1002-4956(2021)09-0210-04
Design of OAM optical communication simulation experiment under ocean turbulence
资源开发能力。 1963 年，Duntley[1]等人在研究光波在海洋中的传
输特性时发现，相较于其他波段光波，波长处于 450~550 nm 的蓝绿波段光波在海水环境中，有一个衰减系数相对较小的传输窗口，这个发现为水下光通信的实现奠定了物理基础。
随着水下光通信（underwater optical communication， UWOC）方面的研究不断深入，光波的基本信息调制
海洋在国际政治、经济、军事、外交中的地位日益凸显，海洋问题已成为国家发展的战略问题。我国是一个海洋大国，海上灾害预警、海岸警戒、海洋勘探、海上气象监测、海上安全、渔业资源监控、海上污染监测和海洋科学研究等，都需要通过海洋通信网络把水下数据实时传输至互联网或陆地服务器。因此，维护海洋权益需要强大的水下信息服务能力作为支撑，需要大力研究海洋信息传输技术以提高我国海洋
Abstract: Underwater optical communication (UWOC) has the characteristics of high transmission rate and large capacity, and orbital angular momentum (OAM) has the characteristics of spatial spiral phase distribution, which provides a new information modulation dimension of spatial freedom for underwater optical communication. In this paper, the ocean turbulence random phase screen model of underwater optical communication system is established, and the OAM optical communication simulation experiment under ocean turbulence is designed. The simulation verifies the feasibility of OAM as an information carrier, and provides reference for the experimental teaching and research of communication system. Key words: orbital angular momentum; ocean turbulence; random phase screen; spatial distribution

海洋大气环境下运动平台上湍流通量和光学湍流测量问题探析

海洋大气环境下运动平台上湍流通量和光学湍流测量问题探析吴晓庆【摘要】给出了船体上开展湍流通量和光学湍流测量的几种方法,即用惯性耗散法估算湍流通量,用超声风速计测量光学湍流强度,用常规气象参数估算湍流强度.并给出了初步实验结果.%This paper describes several methods for measurement atmospheric optical turbulence and turbulent flux from moving platforms at sea. These methods involve the use of inertial dissipation methods to estimate turbulent fluxes, three-dimensional ultrasonic anemometer to measurement optical turbulence and meteorological parameters to estimate optical turbulence. The primary results of recent field experiments have been provided.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(035)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】大气光学;海洋大气;光学湍流【作者】吴晓庆【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031;中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】P425.2+1前言在地球气候系统中，海洋占据着地球表面约3/4面积，由于海洋本身是地球表面最大的储热体，通过与大气气体交换(其中最主要的有水汽、二氧化碳和甲烷)和海水循环的热量交换控制着全球的热量平衡，从而对气候的变化和发展产生极大的影响，因此海洋是决定全球气候发展的主要因素之一.此外，研究表明洋流和水温的变化将直接引起诸如台风、飓风以及厄尔尼诺(El Nino)和拉尼娜 (La Nina)等反常天气的发生.对海洋上空大气参数的观测将有利于了解海洋与大气间的相互作用和海洋对气候的影响机理.光波在海洋大气传输过程中将与大气分子、气溶胶、大气湍流发生相互作用，产生一系列线形或非线形效应(如分子或气溶胶的散射和吸收、折射、湍流效应、热晕效应等)，将严重影响光束质量、降低目标对比度和目标成像分辨率、降低靶目标的能量集中度和光学系统的跟瞄精度.与激光大气传输密切相关的大气光学参数是大气光学湍流.我们将折射率场的变化主要是由温度起伏引起的湍流称为光学湍流.量度光学湍流强度的量是折射率结构常数与陆地相比，海洋上的大气光学湍流测量比较困难，这包括测量平台(浮标、测量船)的不稳定性带来的测量误差、恶劣的环境造成的仪器损坏、以及海洋环境下的已知和未知因素对测量精度的影响等，需要深入研究.1 有代表性的国际海洋观测计划航海观测、浮标观测和极轨卫星观测使得全球海洋进入了立体的多学科的观测时代.有代表性的国际海洋观测计划归纳起来有三个方面：(1)全球海洋观测系统(GOOS-Global Ocean Observing System)[1]：GOOS是由联合国教科文组织政府间海洋科学委员会发起的一个新型的、对海洋资料进行获取、收集、质量控制和分发的全球性业务化系统.以实现海洋表面气象观测、海流地点强度浪高等海洋观测、海洋水下温度和盐份观测、海上探空观测、海气湍流通量和海气二氧化碳通量的观测、海面温度海水信息的卫星遥感观测等多内容的观测任务.(2)实时海洋观测阵列(ARGO-The array for real-time Geostropic Oceanography)[2]：ARGO是1998年由美国和日本等国家的大气和海洋科学家发起，在2000年-2004年期间，在全球大洋中布3000个浮标，构成实时和高分辨率的全球海洋观测网.该观测网提供全球海洋深达2000米的温度、盐度剖面资料和全球范围的海流资料.(3)海-气界面交换过程观测计划[3]：海气通量研究是进行海气相互作用规律研究的关键.30多年来，国际上一些有代表性的海气交换过程实验：如TOGA-COARE(热带海洋全球大气-海气耦合响应实验)，MASEX(中尺度海气相互作用实验)，GATE(全球大气研究计划大西洋热带实验)和BOMEX(巴巴多斯海洋和气象实验)，大西洋季风试验(ATEX)，海洋湿度交换试验(HEXOS)等，这些观测计划都把湍流通量观测研究作为其主要内容之一.我国是一个海洋大国，有300万平方公里的辽阔海域.一方面我国海洋经济发展迅猛，成为国民经济新的增长点，开发和利用海洋成为全民共识.另一方面，我国的海洋环境十分脆弱，赤潮等灾害频发.目前我国的海洋检测手段和技术还满足不了国民经济发展的要求.海洋观测基本是近岸观测，监测功能比较单一，主要偏重于近岸海洋水文气象要素等[4].海洋观测技术与观测系统建设与美国相比有近20年的差距[5].本文结合本所学科优势[6]和满足国内海洋探测计划的研究项目需求，给出了船体上开展湍流通量和光学湍流的测量方法和初步测量结果.2 运动平台上湍流通量测量2.1 涡旋相关法测量通量是指单位时间通过单位面积的流体某属性量的输送，通过测量垂直方向上的风速脉动和相关量(如温度、湿度、风速等)的脉动值，计算它们的协方差，就得到显热通量、潜热通量和动量通量，通称为湍流通量，这一方法称为通量测量的涡旋相关法.通量测量的理论基础是在平稳、下垫面水平均匀等假定下，标量物质守恒方程的一种简化形式.动量通量(τ)、显热通量(Hs)、潜热通量(LE)可表示为：(1)ρ为空气密度，cp为空气定压比热，L为水的蒸发潜热，u′、w′分别是径向和垂直脉动风速，θ′和q′分别是脉动位温和脉动绝对湿度，尖括号表示系综平均.通常用三维超声风速计测量三维风速分量.在运动平台上，垂直方向上的风速脉动包含了船体自身的运动如船体的前后颠簸、左右摇摆、航向偏转以及船体移动等因素的影响需要修正.真实的风速可表示为[7]：Vtrue=TVobs+Ω×TM+VCM(2)Vtrue为三维风速计相对于固定参照系的风速矢量，Vobs为三维风速计相对于船体的风速矢量，T是船体坐标系与固定坐标系间的变换矩阵.Ω是船体坐标系的角速度矢量，M是三维风速计相对于船体质心的位置矢量，VCM是船体质心相对于固定坐标系的移动速度.(2)式中测量的传感器需要放置在船体质心位置，当测量Ω的传感器相对于船体质心的位置矢量为Σ，则(2)式可写成：Vtrue=TVobs+Ω×T(M-S)+Vmot(3)Vmot包含了因测量Ω的传感器不在船体质心而引起的船体移动速度附加项.这样无须知道船体质心位置由(3)可以得到Vtrue，而船体质心通常难以确定.由此可见运用涡旋相关法在运动平台上测量湍流通量，除需要三维超声风速计外，还要增加测量船体的三维角速度、三维加速度以及船体移动速度等测量设备，并进行大量数据处理才能得到垂直方向上的风速脉动量，由(1)式计算出湍流通量.2.2 惯性耗散估算法惯性耗散估算法是基于湍流动能平衡方程和标量(温度、水汽、CO2)方差平衡方程，结合Monin-Obukhov相似理论得到湍流通量[8].在平稳、水平均匀的近地面层，湍流动能(TKE)平衡方程和标量方差平衡方程可简化为:(4)这里z是高度，U和T为径向风速和气温的平均值，g是重力加速度，ε和Nθ分别是TKE和〈θ′2〉/2的平均耗散率.根据相似理论，在满足水平均匀、平稳、常通量等条件下的近地面层，风速、温度、绝对湿度的平均值梯度与高度以及各特征尺度(u*、T*、q*)的组合可表示成稳定度参数(z/L)的无量纲普适函数(φu、φT、φq)，其中L是Monin-Obukhov长度.(5)结合特征尺度u*、θ*和Monin-Obukhov长度L的定义，式可改写为：(6)(7)图1 惯性耗散法估算的显热通量与涡旋相关法测量结果的比较Fig.1 Comparison of heat fluxes estimated between dissipation methods and eddy correlationφu和φT是经验函数，由实验确定，ε和Νθ可通过三阶径向风速结构函数和三阶温度风速联合结构函数得到[9，10]，从(7)式得到湍流通量.图1是惯性耗散法估算的显热通量与涡旋相关法测量结果的比较.分析的数据来自2008年11月13日由合肥35米铁塔的超声风速计测量的风速脉动和声虚温脉动数据[11].数据采样频率是50Hz，每组32768个数据，约11分钟.其中大气不稳定条件下的相似性函数分别采用Businger-Dyer函数和Kader与perepelkin函数，稳定条件下的相似函数采用Dyer函数.惯性耗散法估算的显热通量与涡旋相关法测量结果基本一致.与涡旋相关法相比，惯性耗散法对仪器平台运动，传感器安装方位以及气流受扰动等因素不敏感，是运动平台上测量湍流通量的一种选择.3 运动平台上光学湍流强度测量3.1 温度脉动仪测量在局地均匀各向同性湍流的假定下折射率结构常数定义为：(8)式中：n为大气折射率，x和r为位置矢量，r是矢量r的大小，角括弧表示系综平均，l0和L0为湍流内、外尺度.同理，在局地均匀各向同性的假定下，温度结构常数定义为：(9)温度结构常数和折射率结构常数的关系为：(10)式中T为气温，P为气压.温度脉动仪测量方法是[12]，两个相距一定距离(通常取1米)的微温探头将空间两点环境温度的变化感应为电阻值的变化，经不平衡电桥转换为电压的变化，从电压放大器输出的电压变化ΔV对应一定的温度变化ΔT，A是标定系数.ΔV=A·ΔT(11)图2 温度脉动仪测量的海上随时间的变化由(9)、(11)两式通过测量空间两点温差的平方平均得到再由公式(10)求得折射率结构常数图2是温度脉动仪测量的海上随时间的变化.数据采样频率为50Hz，统计平均时间为20s，图2是经过10分钟平均的结果.3.2 超声风速计测量另一种光学湍流强度的测量方法是通过超声风速计测量的超声虚温[13]得到超声风速计是利用多普勒效应以及声速是温度和湿度的函数关系，通过测量三个非正交轴上一定距离的超声波脉冲传输时间，通过坐标变换，得到风速的三个分量以及超声虚温.超声风速计测得超声虚温Ts与气温T有如下关系:q为比湿.在干燥的情况下, 超声虚温Ts与气温T相差很小.在泰勒假定下，结合风速将时间间隔的温差转换为空间两点温差的平方平均得到温度结构常数(12)式中τ是时间间隔，V是风速，上划线是系综平均.通常取空间长度为1米，τ的大小由实测的风速确定，再由(10)式计算出图3是温度脉动仪和超声风速计测量的的比较，数据采样频率为50Hz，统计平均时间为20s，两者变化趋势和量级一致，相关系数为0.92.图3 温度脉动仪和超声风速计测量的的比较Fig. 3 Time series comparison ofmeasured by 3-axis sonic anemometer and microthermal sensor on 16 May 20113.3 湍流强度的模式估算近地面层湍流主要依赖局地表面粗糙度、热辐射和地形地貌，这些因素影响地气间能量交换，在一定条件下形成了近地面层湍流.Frederickson[14]和Davidson[15]根据Monin-Obukhov 相似理论(MOS)，采用bulk方法，提出由一层常规气象参数和海表面气温估算海面上光学湍流的模式，这一模式被位于San Diego湾的一系列海上实验所验证.海面7公里光路上用红外闪烁计测量的与光路中间浮标上测量的常规气象参数估算的进行对比.我们[16]运用Monin-Obukhov相似理论，采用Tatarski 估算方法和Bulk方法，通过测量两高度层上的风速、温度、绝对湿度差值，估算出折射率结构常数图4a为两高度温差随时间的变化，图4b是的两种估算值与测量值的比较.该模式有待实际海洋大气环境下的实验检验.图4 模式估算与温度脉动仪测量的的比较Fig. 4 Time series comparison of estimated by model and measured by microthermometer from 23 May to 25 May 20114 结论本文给出了在运动平台上如何实现对湍流通量和光学湍流强度进行测量和估算，即用惯性耗散法估算湍流通量，用超声风速计测量光学湍流强度，用常规气象参数估算湍流强度.与陆地相比，海洋上的大气光学湍流以及湍流通量测量比较困难，这包括测量平台(浮标、测量船)的不稳定性带来的测量误差、海表面温度的测量精度，船体对对流场的影响，船舶辐射对测量精度的影响，统计平均时间的选取,海洋环境下湍流通量的参数化研究，恶劣的环境造成仪器污染、定标漂移甚至损坏、以及海洋环境下的已知和未知因素对测量精度的影响等，需要深入研究.参考文献:[1] 阎季惠,李景光.全球海洋观测系统及我们的对策初探[J].海洋技术,1999,18(3)：14-21.[2] 许建平,朱伯康.全球海洋观测计划(ARGO)计划进入全面实施阶段[J].海洋技术,2001,20(3)：9-16.[3] 马耀明，王介民，张庆荣，等.南沙海域大气湍流通量输送特性分析[J].高原气象，1997，16(1)：45-51.[4] 马毅.我国海洋观测预报系统概述[J].海洋预报，2008，25(1)：31-40.[5] 惠绍棠.关于建立中国海洋观测系统的国家计划-美国制定并实施全国性的海洋立体观测系统计划给我们的启示[J].海洋管理，2001，1：40-45.[6] 饶瑞中，乔延利，王英俭，等.中国典型地区大气光学特性与应用专辑[J].大气与环境光学学报，2007，2(6)：401-408.[7] EDSON J B, HARE J E， FAIRALL C W. Direct covariance flux estimates from mobile platforms at sea[J]. J Atmos Oceanic Technol,1998,15:547-562.[8] HSIEH C I， KATUL G G. Dissipation methods,Taylor's hypothesis,and stability correction functions in the atmospheric surface layer[J]. J Geophys Res, 1997,102(D14):16391-16405.[9] 吴晓庆,聂群,方强.近地面大气湍流平均动能耗散率测量与分析[J].力学学报,2007,39(6):721-726.[10] 吴晓庆.温度场内尺度估算方法的研究[J].力学学报,2011,43(5):856-860.[11] 吴晓庆,林晓庆,朱行听，等.合肥地区近地面辐射通量和二氧化碳统计分析与湍流通量的惯性耗散法估算[J].大气与环境光学学报,2011,6(1):67-74.[12] 吴晓庆，曾宗泳，饶瑞中，田志强，范秀芳.温度脉动仪测量大气光学湍流规程.中国科学院合肥物质研究院企业标准，Q/AG 05-2008.[13] 朱行听，吴晓庆，李多扬.三维超声风速仪测量近地面湍流谱及的初步研究[J]，大气与环境光学学报，2012，待发表.[14] FREDERICKSON P A, DAVIDSON K L， ZEISSE C R, BENDALL C S. Estimating the refractive index structure parameter(Cn2) over the ocean using bulk methods[J]. J Appl Meteor, 2000，39：1770-1783.[15] DAVIDSON K L, SCHACHER G E， FAIRALL C W， GOROCH A K. Verification of the bulk model for calculating overwater optical turbulence[J]. Appl Opt, 1981，20,2919-2924.[16] 吴晓庆.大气光学湍流、模式与测量技术[J].安徽师范大学学报：自然科学版，2006，29(2)：103-106.。

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

不同地区大气光学湍流内外尺度测量梅海平;吴晓庆;饶瑞中【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2006(18)3【摘要】用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测.分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布.结果表明:两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2 m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系.大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果.【总页数】5页(P362-366)【作者】梅海平;吴晓庆;饶瑞中【作者单位】中国科学院,安徽光学精密机械研究所,大气光学中心,合肥,230031;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,大气光学中心,合肥,230031;中国科学院,安徽光学精密机械研究所,大气光学中心,合肥,230031【正文语种】中文【中图分类】O433.1;TN24【相关文献】1.陆地和近海面大气光学湍流估算与测量 [J], 徐春燕;詹国伟;青春;蔡俊;吴晓庆2.远海海面大气光学湍流实验测量∗ [J], 王倩;梅海平;李玉剑;邵士勇;李学彬;饶瑞中3.近地面大气光学湍流外尺度的实验研究∗ [J], 王倩;梅海平;钱仙妹;饶瑞中4.Thorpe尺度估算库尔勒、茂名、拉萨大气光学湍流廓线 [J], Hu Xiaodan;Su Changdong;Luo Tao;Qing Chun;Sun Gang;Liu Qing;Li Xuebin;Zhu Wenyue;Wu Xiaoqing5.利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流 [J], 许利明;吴晓庆;王英俭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

不同地区大气光学湍流内外尺度测量

第18卷第3期强激光与粒子束V o l.18,N o.3 2006年3月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S M a r.,2006文章编号:1001-4322(2006)03-0362-05不同地区大气光学湍流内外尺度测量*梅海平,吴晓庆,饶瑞中(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心,合肥230031)摘要:用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测。

分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布。

结果表明:两地内尺度的均值为十几m m,外尺度的均值约为2m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系。

大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果。

关键词:大气光学湍流;温度脉动;内尺度;外尺度中图分类号:O433.1;T N24文献标识码:A随着激光雷达、激光大气传输、自适应光学和高分辨率大气成像系统研究的进展,大气湍流内外尺度对光传播的影响已经日益受到重视[1-5]。

研究表明:内尺度越大,闪烁指数也越大,成像系统的分辨率越差,并且随着内尺度的增加,会加速降低成像系统的分辨率[1];有限外尺度既会影响对大气成像系统积分分辨率的估算,也会严重影响对大气湍流统计特征的测量[6]。

由于湍流尺度在光学湍流研究中的重要意义,各种测量方法应运而生[7-11]。

人们一直青睐于通过光学手段来获取湍流尺度信息。

另一种测量方法为温度脉动法[11],该方法通过测量湍流温度尺度以获取光学湍流尺度,它的优点在于在复杂地形下可以得到具代表性的值[7]。

在没有对湍流尺度进行具体测量前,人们通常假定它为某一固定值,并在此基础上讨论其对大气光传输的影响。

利用数值天气预报产品预报海面光学湍流

利用数值天气预报产品预报海面光学湍流戴福山;李有宽;胡江凯【期刊名称】《大气与环境光学学报》【年(卷),期】2008(3)3【摘要】利用数值天气预报模式预报产品开展了不同季节海面光学湍流数值预报研究,发现:南北纬30°之间海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化较小,南北纬30°以外高纬度海域海面光学湍流强度和大气相干长度季节变化显著,夏半球光学湍流强度相对较弱、大气相干长度相对较大,冬半球光学湍流强度相对较强、大气相干长度相对较小。

全球大部分海域,10.6μm光波10 m高度光学湍流强度大于10^(-15)m^(-2/3),0.55μm光波10 m高度光学湍流强度小于10^(-15)m^(-2/3)。

若沿海面10 m高度水平传播10 km,全球大部分海域,10.6μm光波大气相干长度大于60 cm,0.55μm光波大气相干长度小于6 cm。

利用两个不同数值天气预报模式同期产品制作的海面光学湍流强度预报全球海域分布特征相似,但模式水平分辨率越高,预报的海面光学湍流强度的水平分布特征越清晰。

【总页数】12页(P161-172)【关键词】大气光学;光学湍流;数值预报;海洋大气近地层【作者】戴福山;李有宽;胡江凯【作者单位】北京应用物理与计算数学研究所计算物理国家重点实验室;中国气象局国家气象中心【正文语种】中文【中图分类】TN201;P42【相关文献】1.基于天气数值预报模式预报高空光学湍流 [J], 青春;吴晓庆;李学彬;黄宏华;蔡俊2.利用数值产品与单站要素作南宁市冬春"暴冷"天气预报的研究 [J], 杨宇红;陈阳;钱俊3.应用欧洲中期天气预报中心产品作西北太平洋海面风的中期解释预报 [J], 朱正心4.利用欧洲数值预报产品格点报资料制作农事关键季节滚动中期天气预报 [J], 张存;赵百胜5.利用中尺度天气预报模式预报大气光学湍流 [J], 许利明;吴晓庆;王英俭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

光纤传感技术用于大气光学湍流测量

大气光学湍流模型计算方法王红帅;姚永强;钱璇;刘立勇;王益萍;李俊荣【期刊名称】《天文学报》【年(卷),期】2012(53)6【摘要】光学湍流的强弱和分布是描述天文台址优劣的重要参数.介绍了利用大气模式WRF (Weather Research and Forecasting Model)计算高美古站周围大气光学湍流参数的方法,这些参数包括C2n(大气光学湍流强度)廓线、大气相干长度、大气相干时间、视宁度、等晕角和闪烁率等.包括模型计算方法的实现过程、模型的设置和模拟结果的验证.计算结果与云南高美古观测站DIMM (Differential Image Motion Monitor)的实测数据进行了对比.%The optical turbulence is a key parameter to evaluate an observing station. The methods to obtain atmospheric optical turbulence parameters, including the C2n profile, coherent length, coherent time, seeing, isoplanatic angle, and scintillation index by using meteorological parameters are presented. The accomplishment of this method, configurations of the WRF model (Weather Research and Forecasting Model), and verification of results are introduced. The reliability is confirmed preliminarily by comparing the results with the DIMM (Differential Image Motion Monitor) measurements.【总页数】11页(P527-537)【作者】王红帅;姚永强;钱璇;刘立勇;王益萍;李俊荣【作者单位】中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院研究生院北京100049;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012;中国科学院国家天文台北京100012【正文语种】中文【中图分类】P126【相关文献】1.车辆液压传动中湍流的雷诺模型与计算方法 [J], 赵锐2.两种湍流模型时域颤振计算方法研究 [J], 万兵兵;史爱明3.局部通风流场模拟解算湍流模型κ-ε值计算方法研究 [J], 高建良;刘金金4.大气光学湍流模型研究进展 [J], 王红帅;姚永强;刘立勇5.与气动噪声相关的湍流模型及计算方法 [J], 陆利蓬;柳阳威;吴子牛;英基勇;方剑因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

大气光学湍流模型计算方法

基于FP07的自容式湍流仪的设计与实验

基于FP07的自容式湍流仪的设计与实验宋大雷;李英起;王向东;贾鹏飞;乜云利【摘要】海洋湍流混合在海洋能量和水体物质交换过程中发挥着重要作用,目前海洋湍流的刻画主要通过湍流现场观测来实现,要想对海洋湍流进行更加深入的研究,有赖于更高分辨率的快速测量仪器;但是目前我国在湍流观测设备方面仅仅处于起步阶段;且国内湍流仪所用传感器均以剪切传感器为主,剪切传感器存在仪器震动影响观测精度的问题.人们在对湍流的产生及变化的机理深入了解的过程中,提出了一种基于温度快速变化的湍流观测方法,针对此方法,给出了一种基于FP07的自容式定点海洋湍流仪的设计方法,并针对潜标系统的观测需要完成了深海观测、大容量存储的原理样机的研制,并将样机进行海试实验,验证了该湍流仪测量湍流耗散率的可行性和正确性.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】6页(P19-24)【关键词】湍流观测;FP07;自容;耗散率;波数谱【作者】宋大雷;李英起;王向东;贾鹏飞;乜云利【作者单位】中国海洋大学,山东青岛266100;中国海洋大学,山东青岛266100;中国海洋大学,山东青岛266100;中国海洋大学,山东青岛266100;中国海洋大学,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】P715.5;TH766海洋微结构湍流运动，即微结构流速剪切运动，是产生海洋宏观现象的原动力，对其测量是海洋探测的重要任务之一[1]。

MUNK[2]将海洋内部的运动根据尺寸划分为：微尺度，铅直尺度小于1 m；细尺度，铅直尺度1～100 m；粗尺度，铅直尺度大于100 m。

这些不同尺度的海洋中的运动的转化关系一般是：由大尺度向小尺度迁移，最后以湍流混合的形式耗散[3]。

海洋湍流混合是物理海洋学中至关重要的研究热点，已经成为制约很多研究领域的改进和发展的关键因素。

而要对海洋湍流混合进行更加深入的研究，则依赖于将能观测到湍流尺度的高分辨率快速测量仪器引入海洋观测[4]。