大气光学湍流强度的描述和测量
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大气光学湍流强度的描述和测盘
饶瑞
中
(中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心23031)
摘要在湍流大气光学研究中折射率结构常数《被用来作为描述大气光学瑞流强度的参贡各
国科学
家在各个地区和季节进行了大童的实验浏1然而c:并没有直接反映起伏的强度对
于非Kolin即rov湍
流
匕也没有固定的单位实际上.光学湍流的强度是折射率的起伏方差《折射率结构函数一般取决于和瑞流外尺度几湍流大气中的光传播效应可以通过这些参贡更清楚地表达出来因此在大气光学研究中应该时折射率的起伏方差。,瑞流外尺度Y和折射率结构函数的标度指数L。而非c:进行浏黄分析关扭词大气端流湍流强度大气光学光传播
1引育
大气湍流的折射率结构函数为,).《r)夺,。)城。)一)介(。))介(。))2(’。)‘。
)(l)
对于Kolmogorov湍流折射率结构函数为
互独立的因此
久(r)=心rZ’10<所以有风(
r)=e之z。,‘,奋zI0yr<<10(3)
折射率结构常数具有长度的一2/3次幕的量纲通常作为光学湍流的强度它在湍流大气光传播研究中的具有极其重要的作用大量大气湍流光学特性的测量工作也主要是针对c.z进行的各国科学家在各个地区和季节进行了大量的实验测蛋”2折射率结构函数然而许多情况下大气湍流并不符合Kolmogorov特征此时通常有两种做法一是仍把湍流作为Kolmogorov处理此时按(2)式的形式处理结构函数得到的折射率结构常数显然是一个等效的参量;另一种办法是根据特征谱特征获得结构函数与距离的正确幂指数关系:几(小Cr,式,<写
久(r)=加才(rz入,y‘,式,<
<
人,(
7)
几(r)=加才
饥
zL0y,,(rzI0yr
<
式,(s)
从以上两式可以立即看出湍流的标度性质和从外
尺
度L.到内尺度七的级串过程‘”’在湍流惯性区任意距
离上的结构函数正比于起伏方差a:并依赖于该距离和外
尺度的比值
对于非Kolmogorov湍流我们同样可把结构函数表
示为几(r)二加才〔
/Lo)Io《,《场(9)
几(,)=加才饥z几)奋210了r<<
10(
10)
从以上两式可以清楚看出折射率起伏方差试
才
是
描述一般情况下光学湍流强度的合适的l结构函数依赖于起伏方差试和并依赖于以湍流特征尺度衡量的距
离因此应该采纳折射率起伏方差试和油流特征尺
度
来描述大气湍流光学性质3光传播效应和大气光学湍流,,
上述做法的必要性如何有无优越性?我们只要
将
上述描述方式应用到光传播结果中就可以确认无疑
了举例来说弱起伏条件下均匀路径上的相干长度平面波对数振幅和相位起伏方差为p【,=返46*Ze::)325(11)。孟
=03lC万k,’‘L,,“(12)
。了
=
o7sc才
无’乙乙。,‘,(一3)
从这些表达式中很难看出相干长度的长度性质也很难理解对数振幅和相位起伏方差与传播距离不同的幂
律关系的物理含义如果我们将这些表达式分别表示成
光学研究中应该对折射率的起伏方差湍流外尺度和折射率结构函数的标度指数而非进行测量分析
p=
“,‘’“’‘)’‘2一(,,,,,
令妾
)’:
(14)
。;(
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5
肠:
(
会)
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·“‘,=‘,“,“
ZL=6,
“〔令
I鲁)(16)
从这些表达式中可以看出相干长度正比于湍流外尺度而对数振幅和相位起伏方差正比于折射率起伏方
差而传播距离湍流尺度和波长之间的无量纲比值在
光传播起伏量起重要作用4大气光学湍流参.的测.
所以大气湍流光学性质的测量应包含折射率起伏方差湍流尺度以及结构函数幂指数丫起伏方差可以
通过比较直接的方法测量而另外的参量可以通过测量不同距离上的结构函数并进行对数运算再进行线性拟合
求得:
109几(r)=l叩(加才)+,【losr一109几]10<(17)请注意通过湍流时间频谱推断的可靠性依赖于
Taylor
的冻结湍流假设而风速(对应于动力湍流)
总
是起伏的5结论
光学湍流的强度是折射率的起伏方差折射率结构函数一般取决于和湍流外尺度湍流大气中的光传播效
应可以通过这些参量更清楚地表达出来因此在大气
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