CN104237162A - 一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法，包括：发射端，接收端和数据采集存储及处理单元；发射端包括：调制器，驱动电源，发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调制；接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大器；数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块。本发明能够准确客观地测量大气折射率虚部的结构常数。

Description

一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及大气探测设备，具体的说，是一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法。 

背景技术

大气折射率虚部结构常数主要用于了解大气折射率虚部的空间变化，进一步用于大气成分(气体和气溶胶)的输送通量测量。 

大气有效折射率的数值与光源的波长和大气中的成分有关。大气有效折射率包括两部分：实部和虚部。大气中除气体成分外，还含有云雾和其他气溶胶粒子。光波在大气中传播的时候，会受到气体分子、云雾和气溶胶粒子的散射和吸收。散射与大气折射率实部有关，而吸收与大气折射率的虚部有关。大气折射率在空间的分布是不均匀的。大气折射率结构常数反映了大气折射率的空间变化。这个变化反映了大气湍流状况和吸收物质(如果存在吸收的话)的空间分布，因此，折射率结构常数(实部)的测量首先应用到了和光传输有关的领域，例如天文上视宁度的测量。后来又被广泛用于测量大气近地面热通量。但虚部折射率结构常数的测量和应用较少被人研究，还没有一个实用的方法。 

大气折射率虚部与大气中的成分对光波的吸收有关。由于越来越严重的环境污染和人类对气候变化的不断关注，大气折射率虚部的测量显得越来越重要。关于大气虚折射率结构常数，已经开展过一些研究。早在1983年，Filho利用微波(波长为5.4毫米)在伦敦城市中心区域传输4.1千米的距离，根据闪烁频谱分析得到了衰减对闪烁的贡献，与理论估计有很好的一致性(Filho,F.C.M.,Jayasuriya,D.A.R.,Cole,R.S.,and Helmis,C.G.:Spectral density of millimeter wave amplitude scintillations in an absorption region,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,31,672-676,1983.)。该实验所采用的波长在O₂吸收线的波瓣处，而且该波长远大于大气气溶胶的直径，因此该贡献是O₂吸收造成的。该实验没有给出由于O₂吸收引起的折射率虚部结构常数，但是该研究为折射率虚部结构常数的后续工作打下了基础。Nieveen根据波长为940微米的近红外波传输248米得到的光闪烁数据，得到测量点处的虚折射率结构常数约为4.1×10^-24米^-2/3(Nieveen,J.P.,Green,A.E.,and Kohsiek,W.:Using a large-aperture scintillometer to measure  absorption and refractive index fluctuations,Boundary-Layer Meteorology,87,101-116,1998.)。由于该实验所采用的波长位于水汽吸收线，从而被认为是由于水汽吸收造成的。该文谈到的折射率虚部结构常数是通过分析闪烁谱密度曲线得到的。根据谱曲线确定一个过渡频率(称之为判断过渡频率法)，根据过渡频率与折射率虚部结构常数的关系得到折射率虚部结构常数。由于取样时间长度的限制，谱密度在低频部分具有较大的起伏，无法客观地确定该过渡频率的位置，因而也就无法客观地给出折射率虚部结构常数的数值。 

发明内容

本发明技术解决问题：克服判断过渡频率法误差大的缺点，提供一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法，能够准确客观地测量大气折射率虚部的结构常数。 

本发明技术方案，一种大气折射率虚部结构常数的测量系统，包括：发射端，接收端和数据采集存储及处理单元； 

发射端包括：调制器、驱动电源、发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调制，驱动电源向发光二极管供电，发光二极管发出的光束透过发射透镜发射至大气中； 

接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大器；接收端接收发射端发出的光束，经接收透镜将光束会聚到光电二极管上，光电二极管将光信号变为电信号，再依次经前置放大器放大、检波器检波、低频放大器放大到足够的幅度，温度稳定衬垫用于减少光电二极管和前置放大器的温度漂移； 

数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块；数据采集器采集接收端输出的电信号，转换为光强信号存储至存储设备中；数据处理模块处理存储设备中的数据，处理过程包括： 

(1)将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnI，通过延迟相关方法或谱分析方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差和低频起伏方差得到低频起伏方差

(2)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v， 

$v=\frac{1.16{D_t}^{1/2}{D_r}^{1/2}{\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2}{{\mathrm{WP}}_{\ln I,\mathrm{Re}}}$

式中，D_t为发射透镜的直径，D_r为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频分量，WP_lnI,Re为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度； 

(3)计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)，确定结构函数的系数S； 当时间延迟距离vτ大于发射透镜直径D_t和接收透镜直径D_r时，低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)由公式计算， 

$D_{\ln I,\mathrm{Im}}\left(\mathrm{v\τ}\right)=D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)-{2\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2$

式中，为对数光强的高频起伏方差，D_lnI(vτ)为对数光强的时间延迟结构函数，计算公式为， 

$D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)=\stackrel{\‾}{{[\ln I(t+\mathrm{\τ})-\ln I\left(t\right)]}^2}$

当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度L₀时，低频起伏的结构函数D_lnI,Im(vτ)表示为， 

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6

式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值； 

(4)根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数

低频起伏方差与存在着关系， 

${\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{L}_0^{5/3}L$

式中L₀为湍流的外尺度； 

低频起伏结构函数系数S与存在着关系， 

$S=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{\mathrm{LL}}_0^{1/2}$

联立方程，得到折射率虚部结构常数

$C_{n,\mathrm{Im}}^2=\frac{1}{2.95}\frac{S^{10/7}}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2\right)}^{3/7}{k}^{2}L}$

式中，k为光源发出的光波的波数，k＝2π/λ。 

一种大气折射率虚部结构常数的测量方法，实现步骤如下： 

(1)发射端的调制器对驱动电源进行调制，该驱动电源向发光二极管供电；发光二极管发出的光波的中心波长为λ，发光二极管发出的光束经发射透镜会聚，产生小于0.5°发散角度的光束，采用多组发光二极管和发射透镜发射，增加发射透镜的口径；一个发光二极管和一个发射透镜为一组，采用4组平行并列的方式发射直径达0.6米的光束； 

(2)发射端发出的光束穿过待测量区域的大气，光束在大气中传输，会受到大气湍流的散射，气体分子及气溶胶的吸收，引起光强幅度的变化，接收端与发射端的距离为L；L为500米至10公里； 

(3)接收端的接收透镜接收来自发射端的光束，将光信号会聚在光电二极管上，采用多个透镜接收，采用4个透镜并列放置，使得所有透镜接收到的光束均会聚至光电二极管，同样是为了增加接收透镜的口径；光电二极管将光信号变为电信号，首先经过前置放大器放大，再经过检波器检波，然后再经过低频放大器放大到足够的幅度，得到输出信号； 

(4)接收端输出的电信号经数据采集器采集，转换为光强，然后将光强数据存储至存储设备； 

(5)将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnI，通过延迟相关方法或谱分析方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差和低频起伏方差得到低频起伏方差

(6)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v， 

$v=\frac{1.16{D_t}^{1/2}{D_r}^{1/2}{\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2}{{\mathrm{WP}}_{\ln I,\mathrm{Re}}}$

式中，D_t为发射透镜的直径，D_r为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频分量，WP_lnI,Re为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度； 

(7)计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)，确定结构函数的系数S；当时间延迟距离vτ大于发射透镜直径D_t和接收透镜直径D_r时，低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)由公式计算， 

$D_{\ln I,\mathrm{Im}}\left(\mathrm{v\τ}\right)=D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)-{2\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2$

式中，为对数光强的高频起伏方差，D_lnI(vτ)为对数光强的时间延迟结构函数，计算公式为， 

$D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)=\stackrel{\‾}{{[\ln I(t+\mathrm{\τ})-\ln I\left(t\right)]}^2}$

当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度L₀时，低频起伏的结构函数D_lnI,Im(vτ)表示为， 

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6

式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值； 

(8)根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数

低频起伏方差与存在着关系， 

${\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{L}_0^{5/3}L$

式中L₀为湍流的外尺度； 

低频起伏结构函数系数S与存在着关系， 

$S=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{\mathrm{LL}}_0^{1/2}$

联立方程，得到折射率虚部结构常数

$C_{n,\mathrm{Im}}^2=\frac{1}{2.95}\frac{S^{10/7}}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2\right)}^{3/7}{k}^{2}L}$

式中，k为光源发出的光波的波数，k＝2π/λ。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

发射端选用特定波长的光源，可以得到和气溶胶吸收相关的折射率虚部结构常数；同时为通过改变光源波长测量水汽相关的折射率虚部结构常数打下基础； 

采用多组发光二极管和发射透镜发射，增加了发射透镜的口径，采用多个接收透镜接收，增加了接收透镜的口径，增加了接收信号的能量，同时也减小了对数光强的高频起伏方差，从而提高了低频闪烁信号的测量精度； 

将对数光强起伏分解为高频起伏和低频起伏，得到相应的方差和结构函数，利用联立方程求解的方法得到折射率虚部结构常数，克服了现有的判断过渡频率法误差大的缺点，能够具有较高精度、客观地获得折射率虚部结构常数。 

附图说明

图1为本发明测量系统的组成框图；测量系统包括发射端，接收端和数据采集存储单元。图中显示了含有空气分子，气溶胶粒子组成的待测大气； 

图2为本发明测量系统中的发射端组成原理图； 

图3为本发明测量系统中的接收端和数据采集组成原理图； 

图4为本发明方法的流程图； 

图5为利用时间延迟相关法将对数光强起伏方差分解为高频和低频分量的原理图； 

图6为利用功率谱方法得到过渡平坦部分的谱密度的原理图； 

图7为计算低频起伏结构函数的原理图； 

图8为一次测量的实例，折射率虚部结构常数随时间的变化曲线。 

具体实施方式

如图1所示，本发明实施的大气折射率虚部结构常数测量系统包括发射端，接收端和数据采集存储处理单元。 

发射端包括调制器，驱动电源，发光二极管和发射透镜。调制器对驱动电源进行调 制。驱动电源向发光二极管供电，发光二极管发出的光束透过发射透镜发射至大气中，如图2所示。本发明发射端采用一组LED灯作为光源，LED灯供电部分经过调制，使得发射光束避免了背景光的干扰。调制频率可以为2～120KHz。LED灯发出的光经发射透镜会聚，以便传输较远距离。 

接收端包括接收透镜，光电二极管，温度稳定衬垫，前置放大器，检波器，低频放大器，如图3所示。接收端接收发射端发出的光束，经接收透镜将光束会聚到光电二极管上。光信号变为电信号，经前置放大器放大，再经检波器检波，然后再经低频放大器放大到足够的幅度。温度稳定衬垫用于减少光电二极管和前置放大器的温度漂移。 

数据采集存储单元由数据采集器，存储设备组成。该单元采集接收端输出的电信号，根据光电转换系数转变为光强数据存储至存储设备。数据处理软件处理存储的光强起伏数据，得到大气折射率虚部结构常数。 

本发明提供了一种大气折射率虚部结构常数测量方法，选择不同波长的光源，反映的是不同大气成分(吸收所使用的光波)的折射率虚部的空间变化。 

如图4所示，本发明中提出的大气折射率虚部结构常数的测量包括以下步骤： 

(1)发射端的调制器对驱动电源进行调制，该驱动电源向发光二极管供电；发光二极管发出的光波的中心波长为λ，发光二极管发出的光束经发射透镜会聚，产生小于0.5°发散角度的光束，采用多组发光二极管和发射透镜发射，增加发射透镜的口径；一个发光二极管和一个发射透镜为一组，采用4组平行并列的方式发射直径达0.6米的光束； 

(2)发射端发出的光束穿过待测量区域的大气，光束在大气中传输，会受到大气湍流的散射，气体分子及气溶胶的吸收，引起光强幅度的变化，将接收端与发射端的距离为L，L可以为500米至10公里； 

(3)接收端的接收透镜接收来自发射端的光束，将光信号会聚在光电二极管上，采用多个透镜接收(采用4个透镜并列放置，使得接收到的光束均会聚至光电二极管)，同样是为了增加接收透镜的口径；光电二极管将光信号变为电信号，首先经过前置放大器放大，再经过检波器检波，然后再经过低频放大器放大到足够的幅度，得到输出信号； 

(4)接收端输出的电信号经数据采集器采集，采样频率为500Hz。将点信号转换为光强数据，然后存储至存储设备；每20～30分钟保存一个文件； 

(5)将光强数据取对数，即得到对数光强(ln I)。通过延迟相关方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差(用表示，因为高频起伏方差由折射率实部引起) 和低频起伏方差(用表示，因为低频起伏方差由折射率虚部引起)。计算时间延迟为τ的相关函数C_lnI(τ)， 

$C_{\ln I}\left(\mathrm{\τ}\right)=\stackrel{\‾}{\ln I\left(t\right)\·\ln I(t+\mathrm{\τ})}---\left(1\right)$

式中，t为测量的时刻，上划线表示对时间t的平均。如图5所示，空心圆圈组成了相关函数曲线。根据图5的标注，利用时间延迟相关函数曲线可以计算得到高频起伏方差和低频起伏方差

(6)计算得到对数光强起伏的功率谱，如图6所示。图6的空心圆圈组成了对数光强起伏的功率谱曲线。根据对数光强起伏的功率谱曲线得到平坦过渡部分的谱密度WP_lnI,Re。图6中水平虚线表示谱密度WP_lnI,Re； 

(7)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v， 

$v=\frac{1.16{D_t}^{1/2}{D_r}^{1/2}{\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2}{{\mathrm{WP}}_{\ln I,\mathrm{Re}}}---\left(2\right)$

式中，D_t为发射透镜的直径，D_r为接收透镜的直径；WP_lnI,Re为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度； 

(8)计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)，确定结构函数的系数S； 

当时间延迟距离vτ大于发射透镜直径D_t和接收透镜直径D_r时，低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)由公式计算， 

$D_{\ln I,\mathrm{Im}}\left(\mathrm{v\τ}\right)=D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)-{2\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2---\left(3\right)$

式中，为对数光强的高频起伏方差。D_lnI(vτ)为对数光强的时间延迟结构函数，计算公式为， 

$D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)=\stackrel{\‾}{{[\ln I(t+\mathrm{\τ})-\ln I\left(t\right)]}^2}---\left(4\right)$

如图7所示，图中的空心圆圈组成了对数光强的时间延迟结构函数曲线。水平的虚线表示根据(3)式计算得到的低频起伏的时间延迟为τ的结构函数为图中的实线。 

当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度L₀时，低频起伏的结构函数D_lnI(vτ)可以表示为， 

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6   (5) 

上式中的S为低频起伏结构函数的系数，利用实验数据可以确定S的数值；S即为如图7中实线所示的低频起伏结构函数D_lnI,Im曲线的斜率(时间延迟距离为2～20米范围 内)。 

(9)根据前面的计算结果，利用下面的公式计算折射率虚部结构常数

步骤(5)中的低频起伏方差与存在着关系， 

${\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{L}_0^{5/3}L---\left(6\right)$

式中L₀为湍流的外尺度，L为光束自发射端到接收端的传输距离。 

步骤(8)中的低频起伏结构函数系数S与存在着关系， 

$S=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{\mathrm{LL}}_0^{1/2}---\left(7\right)$

公式(6)和(7)联立方程，得到折射率虚部结构常数

$C_{n,\mathrm{Im}}^2=\frac{1}{2.95}\frac{S^{10/7}}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2\right)}^{3/7}{k}^{2}L}---\left(8\right)$

式中，k为光源发出的光波的波数，k＝2π/λ，L为发射端至接收端的传输距离。 

实施方式举例 

以在中国科学技术大学校园内的测量为例，校园在安徽省合肥市城内，校园周边有若干交通要道，来往车辆较多。将发射端和接收端置于离地面10米高度以上，接收端离发射端几百米至数公里的距离。如果在城市开展测量，可以选择两栋楼房。发射端和接收端直线路径上不能有任何遮蔽和阻挡。发射端和接收端可大致处于同一高度。这样处理使得测量结果的应用较为简单，当测量高度较低，或者两端高差较大时，使大气折射率虚部结构常数的应用较为复杂，但并不影响结果的使用。 

下面介绍测量结果并给出简单结论。 

20140115～16日在中国科学技术大学校园开展了折射率虚部结构常数的测量。该实验的发射透镜和接收透镜的口径均为0.18米，光源的波长为0.620微米。发射透镜与接收透镜的距离为960米。采样频率为500Hz，每20分钟保存一个数据文件。根据前面的步骤得到20140115～16日折射率虚部结构常数随时间变化，见图8。由图8可以看到折射率虚部结构常数并不像折射率实部结构常数存在明显的日变化特征(Stull,1988)，但是可以看到1月15日上午9:00左右折射率虚部结构常数最大，1月16日中午12点最大，其他时间起伏也较大。进一步分析可以说明折射率虚部结构常数不仅与湍流的变化有关，还与气溶胶的空间分布有关。 

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。 

Claims (2)

1.一种大气折射率虚部结构常数的测量系统，其特征在于包括：发射端，接收端和数据采集存储及处理单元；

发射端包括：调制器、驱动电源、发光二极管和发射透镜；调制器对驱动电源进行调制，驱动电源向发光二极管供电，发光二极管发出的光束透过发射透镜发射至大气中；

接收端包括：接收透镜、光电二极管、温度稳定衬垫、前置放大器、检波器和低频放大器；接收端接收发射端发出的光束，经接收透镜将光束会聚到光电二极管上，光电二极管将光信号变为电信号，再依次经前置放大器放大、检波器检波、低频放大器放大到足够的幅度，温度稳定衬垫用于减少光电二极管和前置放大器的温度漂移；

数据采集存储及处理单元包括：数据采集器、存储设备和数据处理模块；数据采集器采集接收端输出的电信号，转换为光强信号存储至存储设备中；数据处理模块处理存储设备中的数据，处理过程包括：

(1)将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnI，通过延迟相关方法或谱分析方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差和低频起伏方差得到低频起伏方差

(2)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v，

$v=\frac{1.16{D_t}^{1/2}{D_r}^{1/2}{\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2}{{\mathrm{WP}}_{\ln I,\mathrm{Re}}}$

式中，D_t为发射透镜的直径，D_r为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频分量，WP_lnI,Re为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度；

(3)计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)，确定结构函数的系数S；当时间延迟距离vτ大于发射透镜直径D_t和接收透镜直径D_r时，低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)由公式计算，

$D_{\ln I,\mathrm{Im}}\left(\mathrm{v\τ}\right)=D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)-{2\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2$

式中，为对数光强的高频起伏方差，D_lnI(vτ)为对数光强的时间延迟结构函数，计算公式为，

$D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)=\stackrel{\‾}{{[\ln I(t+\mathrm{\τ})-\ln I\left(t\right)]}^2}$

当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度L₀时，低频起伏的结构函数D_lnI,Im(vτ)表示为，

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6

式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值；

(4)根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数

低频起伏方差与存在着关系，

${\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{L}_0^{5/3}L$

式中L₀为湍流的外尺度；

低频起伏结构函数系数S与存在着关系，

$S=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{\mathrm{LL}}_0^{1/2}$

联立方程，得到折射率虚部结构常数

$C_{n,\mathrm{Im}}^2=\frac{1}{2.95}\frac{S^{10/7}}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2\right)}^{3/7}{k}^{2}L}$

式中，k为光源发出的光波的波数，k＝2π/λ。

2.一种大气折射率虚部结构常数的测量方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)发射端的调制器对驱动电源进行调制，该驱动电源向发光二极管供电；发光二极管发出的光波的中心波长为λ，发光二极管发出的光束经发射透镜会聚，产生小于0.5°发散角度的光束，采用多组发光二极管和发射透镜发射，增加发射透镜的口径；一个发光二极管和一个发射透镜为一组，采用4组平行并列的方式发射直径达0.6米的光束；

(2)发射端发出的光束穿过待测量区域的大气，光束在大气中传输，会受到大气湍流的散射，气体分子及气溶胶的吸收，引起光强幅度的变化，接收端与发射端的距离为L；L为500米至10公里；

(3)接收端的接收透镜接收来自发射端的光束，将光信号会聚在光电二极管上，采用多个透镜接收，采用4个透镜并列放置，使得所有透镜接收到的光束均会聚至光电二极管，同样是为了增加接收透镜的口径；光电二极管将光信号变为电信号，首先经过前置放大器放大，再经过检波器检波，然后再经过低频放大器放大到足够的幅度，得到输出信号；

(4)接收端输出的电信号经数据采集器采集，转换为光强，然后将光强数据存储至存储设备；

(5)将存储设备中的光强数据取对数，即得到对数光强lnI，通过延迟相关方法或谱分析方法将对数光强起伏方差分解为高频起伏方差和低频起伏方差得到低频起伏方差

(6)利用下面的公式计算垂直于光束的横向风速v，

$v=\frac{1.16{D_t}^{1/2}{D_r}^{1/2}{\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2}{{\mathrm{WP}}_{\ln I,\mathrm{Re}}}$

式中，D_t为发射透镜的直径，D_r为接收透镜的直径；为对数光强起伏方差的高频分量，WP_lnI,Re为对数光强起伏的功率谱曲线中平坦过渡区的谱密度；

(7)计算低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)，确定结构函数的系数S；当时间延迟距离vτ大于发射透镜直径D_t和接收透镜直径D_r时，低频起伏的时间延迟为τ的结构函数D_lnI,Im(vτ)由公式计算，

$D_{\ln I,\mathrm{Im}}\left(\mathrm{v\τ}\right)=D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)-{2\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Re}}^2$

式中，为对数光强的高频起伏方差，D_lnI(vτ)为对数光强的时间延迟结构函数，计算公式为，

$D_{\ln I}\left(\mathrm{v\τ}\right)=\stackrel{\‾}{{[\ln I(t+\mathrm{\τ})-\ln I\left(t\right)]}^2}$

当低频起伏的时间延迟距离vτ小于且接近于湍流外尺度L₀时，低频起伏的结构函数D_lnI,Im(vτ)表示为，

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6

式中，S为结构函数的系数，利用实验数据确定S的值；

(8)根据前面的计算结果，计算折射率虚部结构常数

低频起伏方差与存在着关系，

${\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{L}_0^{5/3}L$

式中L₀为湍流的外尺度；

低频起伏结构函数系数S与存在着关系，

$S=2.95C_{n,\mathrm{Im}}^2{k}^2{\mathrm{LL}}_0^{1/2}$

联立方程，得到折射率虚部结构常数

$C_{n,\mathrm{Im}}^2=\frac{1}{2.95}\frac{S^{10/7}}{{\left({\mathrm{\σ}}_{\ln I,\mathrm{Im}}^2\right)}^{3/7}{k}^{2}L}$

式中，k为光源发出的光波的波数，k＝2π/λ。