基于光纤湍流测量系统的边界层大气光学湍流谱模型研究

Turbulence is universal in atmosphere. Effects of light propagation in turbulent atmosphere is one of the important factors limiting the performance of ground based optoelectronic systems. Studing on the microphysical structure models of atmospheric optical turbulence in boundary layer is not only meaningful for the recognition of the complexity of turbulence, but also helpful for improving the resolution of theoretical predictions for the light propagation effects. Based on the theory of power spectrum, the project is to achieve precise power spectrum models and characteristic parameters of optical turbulence by the usage of high precision and high resolution fiber optic turbulence sensing system, and is to avoid the limitations of traditional optical turbulence measurement techniques. So, some of the scientific problems and critical techniques should be studied: 1)Establish the experimental measurement platform for acquiring the optical turbulence and meteorologic parameters to provide abundant data samples for further study. 2)To make sure how to arrange multi-sensors, to establish the algorithm of power spectrum and critical turbulence parameters, and to discuss the basic physical problems of spatial non-uniformity of optical turbulence, the differences between vector turbulence and scalar turbulence, and the affects of instrument's limitation on the turbulence theory. 3)Statistically analyzing variations of power spectrum and characteristic parameters in different boundary or meteorogical conditions, and constructing the essential three dimensional optical turbulence power spectrum models for the research on the law of light propagation.

湍流是大气中普遍存在的运动形式，湍流大气光传播效应是限制地基光电系统性能的重要因素之一。研究边界层大气光学湍流的微物理结构模型，即具有认识湍流复杂性的基础科学意义，也有助于提高对湍流大气光传播效应的理论预测精度。本项目拟以湍流谱理论为基础，以高精度、高分辨率的光纤湍流测量系统为主要的实验观测手段，避免传统的光学湍流测量技术的局限性，获取精确的光学湍流谱模型和参数。对由此引出的科学问题和关键技术开展研究：1)构建综合实验观测平台，用以获取光学湍流和气象环境参数，为后续的研究提供丰富的数据样本；2)研究多传感器的空间布局方法，建立湍流谱及关键湍流参数的算法程序，探讨光学湍流的空间非均匀性、矢量湍流与标量湍流的差异性及测量的局限性对理论分析的影响等基础物理问题；3)统计分析不同边界条件和气象条件下的光学湍流谱和特征参数的变化规律，构建三维的光学湍流空间谱模型，为光传播规律研究提供必要的模型支撑。

湍流是大气中普遍存在的运动形式，湍流问题是至今尚未解决的重要科学问题，也是边界层大气科学研究的核心内容之一。研究边界层大气光学湍流的微物理结构模型，具有认识湍流复杂性和提高对湍流大气光传播效应的理论预测精度的双重意义。本项目针对大气光学湍流谱模型研究的需求和不足，以高精度、高分辨率的光纤湍流测量系统为主要的实验测量手段，通过发展测量原理、完善系统性能和构建多参数的综合实验观测平台，对近地面、海陆边界乃至远海海面大气光学湍流进行了长期、系统性的实验测量，获得了大量的基础数据。通过发展基于一维传感器阵列同步测量数据的大气光学湍流空间相关函数、空间谱、功率谱标度指数、特征尺度以及赫斯特指数、分形维数和间隙性指数等非线性指数的算法模型，对上述特征参数进行了计算和分析，获得了光学湍流空间谱及其它特征参数的变化规律。结果表明：（1）从空间布阵测量所得的湍流空间相关函数中，能够直接获得空间结构和空间谱信息；（2）湍流的空间相关函数与空间谱互为傅里叶变换关系，在实际大气中，两者都具有多种表现形式，外尺度范围内特定两点间的相关系数与湍流强度或发展程度呈明显的正相关；（3）在湍流充分发展时段，近地面实际大气光学湍流的空间谱和时间谱标度指数均符合Kolmogorov的-5/3 次方定律，但在其它时段可能偏离该定律，其符合概率与边界条件有关；（4）改进的光纤湍流测量系统具有良好的防振性，适用于海上运动平台上的大气光学湍流测量；（5）有关太阳及地表热辐射对大气光学湍流的影响机理问题还有待进一步深入研究。该项目的研究成果为湍流大气光传播效应的计算分析中对湍流特征参数的科学选取提供了基础数据，也为自由空间光通信信噪比及链路可用度的计算分析提供了科学依据。