湍流气象探空仪的研制及其性能分析

　　激光在大气湍流中传播会出现光强闪烁、到达角抖动等一系列湍流效应[1-2]。大气光学湍流对光束传播的影响是天文台选址、高能激光传输、自由空间光通信、激光雷达、测距等激光应用领域必须解决的关键问题。光学湍流通常由折射率结构常数C2n、内尺度、外尺度等参数来表征[3]。为了克服大气光学湍流的影响,对光学湍流强度的垂直分布及其特征进行测量和分析是非常必要的。自20世纪60年代以来,人们一直致力于这方面的研究。国外已报道用Scidar(Scintillation Detection and Ranging)和MASS(Multi-Aperture Scintillationsensor)等光学方法遥感测量湍流廓线[1,4]。光学湍流廓线最直接测量是使用探空气球,气球携带气象传感器测量气象参数(温度、气压、风速和湿度)和微温传感器测量温度结构函数DT(r)[5]。这一技术给出了很高的垂直空间分辨率,适合详细研究光学湍流结构[6]。我国自20世纪90年代初开始C2n探空测量以来获得了典型地区宝贵的折射率结构常数垂直分布资料,但现有的探空仪不能进行高空湍流结构的研究。为此我们研制了一种新型湍流气象参数探空仪,它可满足高精度C2n垂直廓线测量、高空湍流谱分析以及对惯性子区范围的研究。

　　本文介绍了仪器的测量原理,系统硬件和软件设计,并对仪器的性能进行了分析。

　　1　温度脉动法测量光学湍流原理

　　光学湍流强度通常用折射率结构常数来量度。在Kolmogorov均匀各向同性湍流的假定下,C_n²定义为

式中:p是气压(kPa);T是温度(K)。因此得到某高度h处的空间两点温度脉动方差以及对应的温度、气压值即可得到h处的折射率结构常数值。

　　2　湍流气象探空仪系统组成

　　整个测量系统由探空仪和接收系统两部分组成。图1给出了整个系统的原理框图(VFC表示压频变换),它包括温度脉动测量、温湿压测量、莫尔斯译码、高频调制发射及地面接收系统等部分。为了降低气球尾流对探测的影响,探空仪与气球的距离应在50 m以上。

　　2.1　温度脉动测量

　　温度脉动测量是该系统的关键部分,它的性能直接影响到湍流探测结果的可靠性和精度。图2是我们研制的温度脉动测量模块示意图,由微温探头、不平衡电桥、前置放大器、检波放大器、滤波器、电压放大器及电源等组成。我们采用一对直径10μm、长2 cm、阻值为20Ω的铂丝作为微温探头,将空间两点环境温度的变化感应为电阻值的变化,经不平衡电桥转为电压的变化,从电压放大器输出的电压变化ΔV对应一定的温度变化ΔT,由式(2)计算出温度结构常数C2T,由式(3)计算出折射率结构常数C2n。温度脉动仪的响应频率为0.1~30 Hz,噪声不大于2×10-3℃[4,8]。