大气相干长度与能见度仪简介

中国科学院合肥物质科学研究院国家863计划大气光学研究中心大气相干长度仪和能见度仪简介1、引言激光束经过大气时，大气的会导致光束指向性随机起伏、光束扩展和光强闪烁等湍流效应，限制了激光工程的应用效果；同时大气对光波存在衰减效应，导致激光平均能量下降。因此在激光工程应用中需要实时监视大气湍流和大气透过率，为激光工程的应用性能提供辅助参考。描述湍流强弱常用的参数为大气相干长度，其物理含义为：在统计意义上讲，光波经过大气后波前的畸变方差等于1rad2时对应的空间直径；大气相干长度描述了光波经过大气后的湍流积分效应。大气衰减程度的高低常用大气透过率描述，大气透过率下降是由气溶胶（大气中的细微颗粒）和大气分子共同引起；如果光波波长不在分子吸收线上，大气分子吸收的影响相对较小，透过率的下降主要由气溶胶引起，此时大气透过率直接与大气能见度相关：能见度高透过率高，能见度低透过率低。测量大气相干长度的常用仪器为根据差分像运动原理研制的大气相干长度仪，测量大气能见度的常用仪器为能见度仪，现将两仪器的基本性能参数介绍如下。2、大气相干长度仪简介2.1、仪器概述大气相干长度仪由信标光源和跟踪成像系统组成，仪器通过测量光波经过大气后的光束抖动效应得到大气相干长度，其基本原理为差分像运动（DIM，DifferentialImageMotion）原理，即通过双孔差分信标光在远场成像的抖动量得到大气相干长度。仪器采用DIM原理能够有效避免信标光本身（如移动信标）或跟踪接收系统本身机械抖动（如风干扰、跟踪干扰）对测量的影响。大气相干长度仪需要信标光源：对于近地面和斜程有限距离观测场景，需要人造光源为信标；对于整层大气观测场景，仪器可以昼夜以恒星为信标观测。图1为大气相干长度仪在外场试验的照片和测量的信标成像图片。中国科学院合肥物质科学研究院国家863计划大气光学研究中心图1大气相干长度仪照片及信标成像图片（左图：大气相干长度仪实物照片；右图：不同湍流条件下信标成像差异，归一化显示）2.2基本测量原理根据DIM原理，在成像系统的两子孔径中心间距大于2倍子孔径直径（2dD）时，信标在光学系统焦平面所形成双像的相对位置方差与大气相干长度关系为：3/525/31/31/30222[0.364(/)0.242(/)]xyfDdr(1)其中f为系统等效焦距，为波长，D为子孔径直径，d为子孔径中心间距；2x、2y为双像在正交方向上相对位置变化量投影方差（单位为2rad），该参数的变化是湍流直接引起；通过分析双像的相对位置方差结合系统参数能够得到信标光传播路径上的大气相干长度。2.3主要技术指标该仪器为自研制仪器，系统参数及指标可根据需要设计；目前参加试验的系统指标及参数为：测量范围：1~30厘米；测量不确定度：优于15%；接收光学系统直径：35厘米；测量时间分辨率：优于20秒；体积：1.5×0.8×0.7（长、宽、高；配备包装箱后）供电，220V交流电；总功率，小于200瓦；中国科学院合肥物质科学研究院国家863计划大气光学研究中心总重量：小于50千克；环境温度：-10～40摄氏度。3、能见度仪简介3.1仪器概述及基本原理能见度仪主要有发射和接收单元组成，发射部分通过高功率LED向测量区域发射红外波段光波，接收部分探测测量区域的前向散射信号，根据散射信号的强弱得到大气的能见度。接收和发射单元以一定的夹角安装确保接收单元以42度的角度测量探测区域散射信号，通过标定接收到的散射信号强度能够得到大气消光系数，进而得到能见度。大气消光系数与能见度的关系为：3.0Vis(2)其中为消光系数，Vis为能见度，能见度定义不同公式(2)的系数稍有差异。图2能见度仪工作示意图3.2主要技术指标测量范围：6米~80千米；测量不确定度：±10%工作温度：-40~50摄氏度；供电：12VDC，总功率，小于60W；重量：9千克。