[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

说明书

技术领域

本发明涉及大气探测设备，具体的说，是一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法。 

背景技术

大气折射率虚部结构常数主要用于了解大气折射率虚部的空间变化，进一步用于大气成分(气体和气溶胶)的输送通量测量。 

大气有效折射率的数值与光源的波长和大气中的成分有关。大气有效折射率包括两部分：实部和虚部。大气中除气体成分外，还含有云雾和其他气溶胶粒子。光波在大气中传播的时候，会受到气体分子、云雾和气溶胶粒子的散射和吸收。散射与大气折射率实部有关，而吸收与大气折射率的虚部有关。大气折射率在空间的分布是不均匀的。大气折射率结构常数反映了大气折射率的空间变化。这个变化反映了大气湍流状况和吸收物质(如果存在吸收的话)的空间分布，因此，折射率结构常数(实部)的测量首先应用到了和光传输有关的领域，例如天文上视宁度的测量。后来又被广泛用于测量大气近地面热通量。但虚部折射率结构常数的测量和应用较少被人研究，还没有一个实用的方法。 

大气折射率虚部与大气中的成分对光波的吸收有关。由于越来越严重的环境污染和人类对气候变化的不断关注，大气折射率虚部的测量显得越来越重要。关于大气虚折射率结构常数，已经开展过一些研究。早在1983年，Filho利用微波(波长为5.4毫米)在伦敦城市中心区域传输4.1千米的距离，根据闪烁频谱分析得到了衰减对闪烁的贡献，与理论估计有很好的一致性(Filho,F.C.M.,Jayasuriya,D.A.R.,Cole,R.S.,and Helmis,C.G.:Spectral density of millimeter wave amplitude scintillations in an absorption region,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,31,672-676,1983.)。该实验所采用的波长在O₂吸收线的波瓣处，而且该波长远大于大气气溶胶的直径，因此该贡献是O₂吸收造成的。该实验没有给出由于O₂吸收引起的折射率虚部结构常数，但是该研究为折射率虚部结构常数的后续工作打下了基础。Nieveen根据波长为940微米的近红外波传输248米得到的光闪烁数据，得到测量点处的虚折射率结构常数约为4.1×10^-24米^-2/3(Nieveen,J.P.,Green,A.E.,and Kohsiek,W.:Using a large-aperture scintillometer to measure  absorption and refractive index fluctuations,Boundary-Layer Meteorology,87,101-116,1998.)。由于该实验所采用的波长位于水汽吸收线，从而被认为是由于水汽吸收造成的。该文谈到的折射率虚部结构常数是通过分析闪烁谱密度曲线得到的。根据谱曲线确定一个过渡频率(称之为判断过渡频率法)，根据过渡频率与折射率虚部结构常数的关系得到折射率虚部结构常数。由于取样时间长度的限制，谱密度在低频部分具有较大的起伏，无法客观地确定该过渡频率的位置，因而也就无法客观地给出折射率虚部结构常数的数值。 

发明内容

本发明技术解决问题：克服判断过渡频率法误差大的缺点，提供一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法，能够准确客观地测量大气折射率虚部的结构常数。 

本发明技术方案，一种大气折射率虚部结构常数的测量系统，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