远海海面大气光学湍流实验测量研究

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1、远海海面大气光学湍流实验测量研究*王倩1)2)梅海平1)†李玉剑3)*邵士勇1)李学彬1)饶瑞中1)1)（中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心，中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥230031）2)（中国科学院大学，北京100084）3)（中国卫星海上测控部，江苏江阴214431）摘要将光纤湍流测量系统搭载于我国的“远望号”航天测量船，首次实现了远海海面大气光学湍流的空间多点同步测量，初步获得了远海海面大气光学湍流的基本特征和定量数据。测量共进行了37天，测量数据处理包括大气光学湍流强度的统计分析、采用Greenwood湍流空间相

2、关函数模型对实测的光学湍流空间相关函数进行非线性拟合从而获得湍流的空间外尺度，以及采用分段拟合算法获取光学湍流的功率谱标度指数。结果表明：海面大气光学湍流强度中等偏弱，且无明显规律性的日变化趋势；空间外尺度较小，约为0.2~0.3m；湍流谱标度指数符合-5/3次方的概率均为25%左右，低于相应的近地面概率。关键词：海洋大气光学，湍流强度，空间外尺度，功率谱标度指数PACS：42.68.-w,43.28.Vd,47.27.eb基金:国家自然科学基金(批准号：41205010，61403421)资助的课题．†通讯作者.E-mail:hpmei@aiofm

3、.ac.cn电话：+86-0551-655926661.引言大气光学湍流是指由大气湍流运动导致的大气折射率的随机起伏，它会引起在其中传播的光波波前相位及振幅的涨落，进而影响自由空间光通信、高分辨率天文光学成像等光电系统在大气环境中的应用[1-2]。长期以来，人们一直注重从近地面到高空光学湍流特征参数的实验测量与统计分析，并逐渐形成了多种应用模式[3~4]。但受限于技术条件等原因，至今有关海面大气光学湍流实验测量研究的报道却极为少见。目前，已有学者尝试利用超声风速仪和激光闪烁仪等设备在近海岸至海岛之间开展海面大气光学湍流强度和尺度参数的实验测量研究[5

4、-6]；也有人利用参数化模型结合气象水文资料来估算近海海上光学湍流的强度[7~8]。但这些研究距离深入揭示海面特别是更为辽阔的远海海上光学湍流的特征规律还有相当的差距。相比较而言，目前针对海气热交换和湍流通量的研究已有一些大型的海面观测实验，例如国际上已开展的热带海洋与全球大气/海气耦合响应试验（TOGA-COARE）[9]；国内，高会旺等采用船载三维超声风速计在北黄海、西北太平洋等海域进行的实验观测[10~11]。海面大气的湿度和盐份较大，海洋大气下垫面宽阔，海水的热容量大，海面特殊的大气环境和边界条件使海面大气湍流的生成环境与地表截然不同。对海面

5、大气光学湍流的特征参数进行实验测量是通往了解海面光学湍流特征规律及其与地表湍流差异的必经之路。基于以上考虑，本文尝试将我们研制的高精度大气光学湍流光纤传感阵列，搭载在我国“远望号”航天测量船上，进行远洋大气光学湍流的实验测量。测量船于2014年11月26日~2015年1月8日，经上海前往南印度洋进行往返测量，期间在某港口停靠5天。本文首先简要介绍将光纤湍流测量系统安装于海面运动平台上的抗震设计、安装条件及实验测量期间设备的工作状态；然后，分别给出海面大气光学湍流强度、功率谱和空间结构参量（如空间相关函数、空间尺度）的计算方法、测量数据和统计结果，并将

6、其与经验资料进行对比分析。2.系统结构与数据采集实验测量中采用的光纤湍流测量系统主要由信号源、半导体激光光源、光纤收发光路、光纤湍流传感器、光电探测器和数据采集与控制系统几个部分组成，其结构与性能在文献[12-13]中均有报道。本次实验将该系统中的光纤湍流传感器阵列安装在航天测量船的护栏上，如图1所示。图中，7个传感器平行于船舷，从船头到船尾方向，其间距分别为0.1m、0.15m、0.2m、0.375m、0.4m和0.7m。传感器架设的位置距离最近一层甲板的高度约为1.2米，并且伸出护栏，距离下一层甲板的高度约为7~8米，距离海面的垂直高度约15米。

7、图1光纤湍流传感器阵列安装布局图Fig.1Thescenewherefiberopticalturbulencesensorarraylocated构成光纤湍流传感器的材质主要是陶瓷、玻璃和硅胶，并且光纤头和反射镜面上均镀有介质保护膜，其本身不易受海盐腐蚀，具有良好的海洋环境适应性。为了有效隔离来自船体特别是发动机的振动对激光干涉信号的影响，光纤传感器在设计和安装中采用了多重防振措施。一是“三明治”式隔振，即在光纤传感器刚性支架的中间或外围附着硅胶，通过柔性胶体的阻尼以有效克服传感器与船体发动机之间可能出现的共振。我们在传感器金属连接杆的中间刻槽，并

8、注入硅胶；在陶瓷支架的外围附着硅胶。二是弹簧隔振，即通过弹簧隔振器来连接用于固定传感器的型材和护栏。光纤湍流