超声波法测量大气折射率结构常数

　　随着对激光的研究和发展,激光的大气传输效应越来越受到人们的重视,国内外有很多单位正在进行对激光传输环境(包括常规气象参数和大气湍流参 数)的测量与研究工作[1,2],测量的仪器和方法也多种多样,这里主要介绍超声波法对大气参数的测量。超声波测量仪不仅体积小巧、操作方便、不易损坏, 而且可以同时测量多种大气参数,超声波法一般用来测量常规气象参数,用其测量湍流参数还是一种较新的方法[3,4]。本文主要介绍了从俄罗斯引进的 AMK-02型超声波大气参数综合测量仪的测量原理及测试结果分析。通过与热丝温度脉动仪的比对,对超声波测量仪计算折射率结构常数C2n的两种方法进行 了分析比较。

    1　实验装置及基本原理

　　AMK-02型超声波大气参数测量仪由超声波温差风速仪(如图1)、湿压探测器(如图2)和数据处理采集系统组成。超声波温差风速仪由4组超声 波探测器(每组都包括一个发射端和一个接收端)组成,它可以通过群声速来计算大气温度和三维风速值,而群声速与声速和风速有如下关系

式中:U是群声速矢量;n是垂直于波阵面的单位法线矢量;v是风速矢量;c是静止大气中的声速。

根据热力学原理,对于理想气体可以得到声速与温度的如下关系

式中:Tv=Tk(1+0.319 2e/p)是虚声温(K),Tk为大气温度(K),p为大气压强(0.1 hPa),参数e可以根据方程e=6.107m-2Hu计算,Hu为相对空气湿度,m=7.665θ/(243.33+θ),θ是空气温度(℃)。湿压探 测器可以测量出计算所需的相对湿度和大气压强的数值。

　　实际测量时,超声波温差风速仪的4个发射端分别发射频率为80Hz的超声波信号,数据采集系统测量出沿给定方向i和已知距离 Si(i=1,2,3,4)的超声波发射器与接收器之间超声波信号的传输时间ti,利用关系式Ui=Si/ti可以计算出4个通道群声速的绝对值,风速矢 量v用它的三个互相垂直的分量vx,vy,vz来计算。在Taylor假定下,根据公式(1)可以计算三维风速vx,vy,vz和声速c的值,根据公式 (2)可以从声速c中计算大气温度的一系列瞬时值T和温度脉动值T′。　　AMK—02超声波测量仪的性能指标为:大气温度: [(-50~50)±0.25]℃;风速:(0~30)m/s±(0.1 m/s+0.02v),其中v是实测的风速值;大气压强:[(745~1 060)±2] hPa;相对湿度:(10%~100%)±5%;温度脉动精度:0.01 K;风速脉动精度:0.01 m/s。

    2　测量结果及分析

    2.1超声波-温度脉动法

　　AMK—02型超声波大气参数测量仪除了直接给出测量的常规气象参数外,还给出了大气折射率结构常数C2n,该仪器未给出源程序,经分析它是通过测量单点温度脉动值来计算C2n的,即由超声波测量出的温度脉动值T′来计算温度波动结构常数