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為大氣相干長度，其物理含義為：在統(tǒng)計意義上講，光波經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)參數及指標可根據需要設計；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，進而得到能見度。大氣消光系數與能見度的關系為：

Vis?3.0? (2)

其中?為消光系數，能見度定義不同公式(2)的系數稍有差異。

Vis為能見度，國家863計劃大氣光學研究中心