大氣相干長度與能見度儀簡介

2024年2月21日發(fā)(作者：無厭求取)

中國科學院合肥物質科學研究院

大氣相干長度儀和能見度儀簡介

1、引言

激光束經(jīng)過大氣時，大氣的會導致光束指向性隨機起伏、光束擴展和光強閃爍等湍流效應，限制了激光工程的應用效果；同時大氣對光波存在衰減效應，導致激光平均能量下降。因此在激光工程應用中需要實時監(jiān)視大氣湍流和大氣透過率，為激光工程的應用性能提供輔助參考。

描述湍流強弱常用的參數(shù)為大氣相干長度，其物理含義為：在統(tǒng)計意義上講，光波經(jīng)過大氣后波前的畸變方差等于1rad2時對應的空間直徑；大氣相干長度描述了光波經(jīng)過大氣后的湍流積分效應。大氣衰減程度的高低常用大氣透過率描述，大氣透過率下降是由氣溶膠（大氣中的細微顆粒）和大氣分子共同引起；如果光波波長不在分子吸收線上，大氣分子吸收的影響相對較小，透過率的下降主要由氣溶膠引起，此時大氣透過率直接與大氣能見度相關：能見度高透過率高，能見度低透過率低。測量大氣相干長度的常用儀器為根據(jù)差分像運動原理研制的大氣相干長度儀，測量大氣能見度的常用儀器為能見度儀，現(xiàn)將兩儀器的基本性能參數(shù)介紹如下。

2、大氣相干長度儀簡介

2.1、儀器概述

大氣相干長度儀由信標光源和跟蹤成像系統(tǒng)組成，儀器通過測量光波經(jīng)過大氣后的光束抖動效應得到大氣相干長度，其基本原理為差分像運動（DIM，Differential Image Motion）原理，即通過雙孔差分信標光在遠場成像的抖動量得到大氣相干長度。儀器采用DIM原理能夠有效避免信標光本身（如移動信標）或跟蹤接收系統(tǒng)本身機械抖動（如風干擾、跟蹤干擾）對測量的影響。大氣相干國家863計劃大氣光學研究中心

中國科學院合肥物質科學研究院

長度儀需要信標光源：對于近地面和斜程有限距離觀測場景，需要人造光源為信標；對于整層大氣觀測場景，儀器可以晝夜以恒星為信標觀測。圖 1 為大氣相干長度儀在外場試驗的照片和測量的信標成像圖片。

圖 1 大氣相干長度儀照片及信標成像圖片

（左圖：大氣相干長度儀實物照片；右圖：不同湍流條件下信標成像差異，歸一化顯示）

2.2基本測量原理

根據(jù)DIM原理，在成像系統(tǒng)的兩子孔徑中心間距大于2倍子孔徑直徑（d?2D）時，信標在光學系統(tǒng)焦平面所形成雙像的相對位置方差與大氣相干長度關系為：

25/31/31/3??2f?[0.364(?/D)?0.242(?/d)]??r0??? (1)

22?x??y????3/5其中f為系統(tǒng)等效焦距，?為波長，D為子孔徑直徑，d為子孔徑中心間距；2?x2、?y為雙像在正交方向上相對位置變化量投影方差（單位為rad2），該參數(shù)的變化是湍流直接引起；通過分析雙像的相對位置方差結合系統(tǒng)參數(shù)能夠得到信標光傳播路徑上的大氣相干長度。

2.3主要技術指標

該儀器為自研制儀器，系統(tǒng)參數(shù)及指標可根據(jù)需要設計；目前參加試驗的系國家863計劃大氣光學研究中心

中國科學院合肥物質科學研究院

統(tǒng)指標及參數(shù)為：

? 測量范圍：1~30厘米；

? 測量不確定度：優(yōu)于15%；

? 接收光學系統(tǒng)直徑：35厘米；

? 測量時間分辨率：優(yōu)于20秒；

? 體積： 1.5×0.8×0.7（長、寬、高；配備包裝箱后）

? 供電，220V交流電；總功率，小于200瓦；

? 總重量：小于50千克；

? 環(huán)境溫度：-10～40攝氏度。

3、能見度儀簡介

3.1 儀器概述及基本原理

能見度儀主要有發(fā)射和接收單元組成，發(fā)射部分通過高功率LED向測量區(qū)域發(fā)射紅外波段光波，接收部分探測測量區(qū)域的前向散射信號，根據(jù)散射信號的強弱得到大氣的能見度。接收和發(fā)射單元以一定的夾角安裝確保接收單元以42度的角度測量探測區(qū)域散射信號，通過標定接收到的散射信號強度能夠得到大氣消光系數(shù)，進而得到能見度。大氣消光系數(shù)與能見度的關系為：

Vis?3.0? (2)

其中?為消光系數(shù)，能見度定義不同公式(2)的系數(shù)稍有差異。

Vis為能見度，國家863計劃大氣光學研究中心