大口径闪烁仪对数光强功率谱幂率特征分析

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大口径闪烁仪被广泛应用于近地面层光学湍流的测量。基于闪烁对数光强起伏功率谱的分析,可以得到大气湍流的特征。谱幂率是功率谱密度曲线的数学表达式中重要的参数之一。大量的观测实验表明,实测谱幂率与理论所预言的-13/3不一致,这将会引起以此理论为基础的闪烁仪的测量误差。本文从实验测量和数值计算方面分析了大口径闪烁仪的对数光强功率谱幂率特征,并分析了谱幂率变化的原因。使用三套自制的大口径闪烁仪分别在北京、保定、合肥三个地点进行了长时间的实验观测,结果表明实测谱幂率与理论计算不一致,其中合肥站点的谱幂率整体分布在-8/3附近,保定站点的谱幂率整体分布在-11/3附近,北京站点的谱幂率整体分布在-10/3附近。提出了一个谱幂率变化规律。用Wdrop表示功率谱开始随频率下降处的功率谱密度,Wnoise表示高频噪声的功率谱密度,则谱幂率的绝对值随Wdrop/Wnoise增大而增大,最后谱幂率趋近于约-11/3的常数。基于光传输理论、仪器性能和数据采集过程分析,开展了大口径闪烁仪对数光强起伏谱幂率偏离理论预期值原因的分析。数值计算结果表明,光波传输路径上参数不变时,谱幂率一直是-13/3的常数。使用实测横向风速概率分布计算了谱幂率,无论是在横向风速较小时,还是在横向风速较大时,计算得到的谱幂率都是-13/3,并没有发生变化。从仪器噪声的角度分析了实测谱幂率偏离理论值的原因。对于相同的Wdrop/Wnoise,不同的光源噪声和背景光、散射光噪声大小引起了实测谱幂率在总体变化趋势上下浮动。不同的放大倍数、消光和湍流强度,叠加数据采集卡位数的影响,形成了谱幂率随Wdrop/Wnoise的变化趋势。谱幂率偏移理论值会使大口径闪烁仪测量的折射率结构常数偏大。
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