CN103399084A - 超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法 - Google Patents

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吴晓庆
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Abstract

本发明公开了一种超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法，采用高精度超声风速计测量的声虚温，通过对声虚温修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，实时测量光学湍流。本发明克服了温度脉动仪使用过程中由于尘埃、大风等因素易使微温探头污染造等缺点，具有在海洋大气环境、高温和高寒环境、大风天气等恶劣环境下光学湍流强度无人值守、长时间持续地实时测量等特点。

Description

超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法
技术领域：
本发明涉及一种超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法。
背景技术：
光波通过大气传输会受到小尺度折射率起伏的影响，这些起伏将引起光束扩展、光斑抖动和相干性退化。我们将折射率场的变化主要是由温度起伏引起的湍流称为光学湍流。
近地面大气光学湍流强度常用温度脉动仪测量。温度脉动仪测量方法是，两个相距一定距离（通常取1米）的微温探头，组成惠斯登电桥的两臂，测量空间两点温差，在均匀各向同性湍流假定下，经过一定时间的平方平均后得到温度结构常数
Figure BDA0000345492791
，再有与
Figure BDA0000345492792
的关系式得到。由于尘埃、大风等因素易使微温探头污染造成仪器定标漂移，甚至损坏，需要定期更换探头，增加了测量成本，在恶劣环境下甚至无法较长时间观测。
超声风速计是利用多普勒效应以及声速是温度和湿度的函数关系，通过测量三个非正交轴上一定距离的超声波脉冲传输时间，通过坐标变换，得到风速的三个分量以及超声虚温。超声风速计主要用于地气间的通量测量。通过测量垂直方向上的风速脉动和相关量（如温度、湿度、风速等）的脉动值，计算它们的协方差，就得到显热通量，潜热通量和动量通量，通称为湍流通量，这一方法称为通量测量的涡旋相关法。超声风速计测量光学湍流存在两个问题，一是超声风速计测量的是声虚温，与气温有一定的差别。二是超声风速计测量的是空间一点声虚温时间序列数据，而量度光学湍流强度需要的是空间一定距离的两点温差。
本发明针对上述问题，提出一种实时测量光学湍流的新方法，为无人值守、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证。
发明内容：
本发明的目的是针对现有温度脉动仪测量近地面光学湍流强度易受环境影响限制，超声风速计测量的超声虚温无法直接得到光学湍流强度，为解决背景技术中的缺点，提出一种超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法，采用高精度超声风速计测量的声虚温，通过对声虚温修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，实时测量光学湍流的新方法，为全天侯、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证。
本发明采用的技术方案是：
超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法，其特征在于：利用超声风速计测量空间一点声虚温时间序列数据，再将超声风速计测量的声虚温进行修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，实时测量光学湍流强度；具体步骤包括：
（1）设定超声风速计采样频率、统计平均时间和空间长度；
（2）根据标志符判别声虚温数据是否正常，剔除异常数据；
（3）由公式
Figure BDA0000345492794
从超声风速计测量的声虚温得到气温；Ts是声虚温，e、P分别是水气压和气压；
（4）计算统计平均时间内的平均风速
Figure BDA0000345492795
；
（5）根据采样频率、空间长度和平均风速，计算出时间间隔，通常取空间长度为1m，计算出时间间隔τ，从而确定一定间隔时间序列气温数据之差等效为空间长度的两点气温之差；由公式计算出温度结构常数
Figure BDA0000345492797
；其中尖括号表示统计平均，T(t)为t时刻温度脉动信号；
（6）由公式计算出光学湍流强度
Figure BDA0000345492799
；P和T分别为平均气压和气温；
（7）将上述步骤编制成测量软件嵌入到数据采集系统中，能够进行光学湍流强度的实时测量。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种采用高精度超声风速计测量的声虚温，通过对声虚温修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，实时测量光学湍流的新方法，操作简便，无人值守；克服了温度脉动仪使用过程中由于尘埃、大风等因素易使微温探头污染造等缺点，为长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证。
本发明的优点是：
本发明实现了在海洋大气环境、高温和高寒环境、大风天气等恶劣环境下光学湍流强度无人值守、长时间持续地实时测量。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示，超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法，利用超声风速计测量空间一点声虚温时间序列数据，再将超声风速计测量的声虚温进行修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点通过温差，实时测量光学湍流强度；具体步骤包括：
（1）设定超声风速计采样频率、统计平均时间和空间长度；
（2）根据标志符判别声虚温数据是否正常，剔除异常数据；
（3）由公式从超声风速计测量的声虚温得到气温；Ts是声虚温，e、P分别是水气压和气压；
（4）计算统计平均时间内的平均风速；
（5）根据采样频率、空间长度和平均风速，计算出时间间隔，通常取空间长度为1m，计算出时间间隔τ，从而确定一定间隔时间序列气温数据之差等效为空间长度的两点气温之差；由公式
Figure BDA00003454927912
计算出温度结构常数
Figure BDA00003454927913
；其中尖括号表示统计平均，T(t)为t时刻温度脉动信号；
（6）由公式
Figure BDA00003454927914
计算出光学湍流强度
Figure BDA00003454927915
；P和T分别为平均气压和气温；
（7）将上述步骤编制成测量软件嵌入到数据采集系统中，能够进行光学湍流强度的实时测量。
在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法，其特征在于：利用超声风速计测量空间一点声虚温时间序列数据，再将超声风速计测量的声虚温进行修正得到气温，在泰勒假定下，将空间一点测量的气温时间序列数据转变成空间两点温差，实时测量光学湍流强度；具体步骤包括：
（1）设定超声风速计采样频率、统计平均时间和空间长度；
（2）根据标志符判别声虚温数据是否正常，剔除异常数据；
（3）由公式
Figure FDA0000345492781
从超声风速计测量的声虚温得到气温；Ts是声虚温，e、P分别是水气压和气压；
（4）计算统计平均时间内的平均风速
Figure FDA0000345492782
；
（5）根据采样频率、空间长度和平均风速，计算出时间间隔，通常取空间长度为1m，计算出时间间隔τ，从而确定一定间隔时间序列气温数据之差等效为空间长度的两点气温之差；由公式
Figure FDA0000345492783
计算出温度结构常数；其中尖括号表示统计平均，T(t)为t时刻温度脉动信号；
（6）由公式
Figure FDA0000345492785
计算出光学湍流强度；P和T分别为平均气压和气温；
（7）将上述步骤编制成测量软件嵌入到数据采集系统中，能够进行光学湍流强度的实时测量。
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