CN112525826A - 一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统 - Google Patents

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CN112525826A CN202011269383.4A CN202011269383A CN112525826A CN 112525826 A CN112525826 A CN 112525826A CN 202011269383 A CN202011269383 A CN 202011269383A CN 112525826 A CN112525826 A CN 112525826A
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Abstract

本发明公开了一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，应用于大气光学湍流强度测量技术领域，具体步骤包括如下：采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，对所述声虚温时间序列数据进行预处理，得到大气温度时间序列数据；由预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，由单点结构函数法实时测量温度结构常数—
Figure DDA0002777212720000011
对大气温度时间序列数据进行傅里叶变换，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数
Figure DDA0002777212720000012
的准确值。为全天侯、长时间持续地获取准确的光学湍流强度提供了保证。

Description

一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统
技术领域
本发明涉及湍流强度测量技术领域，更具体的说是基于超声风速计的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统。
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，再有与的关系式得到。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。
因此，如何提供一种既能测量光学湍流强度，又能保证光学湍流强度测量值的准确性大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了基于超声风速计的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，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，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，为全天侯、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证；同时，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，具体步骤包括如下：
采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，对所述声虚温时间序列数据进行预处理，得到大气温度时间序列数据；其中所述大气温度时间序列数据包括但不限于：采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值；
通过预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数；
由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法中，所测量的声虚温时间序列数据是由高精度超声风速计，通过高采样率获得，组成数据集xi＝{yi1 xi1 xi2xi3 ... xin}；其中，yi1为气温；xi1，xi2，xi3，…，xin为声虚温的特征。
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量方法中，将超声风速计测量的声虚温时间序列进行修正，剔除声虚温中湿度的贡献，得到气温，具体步骤包括：
由公式
Figure BDA0002777212700000031
得到气温；Ts是声虚温，e、P分别是水气压和气压；
e＝es×RH/100
es＝6.1121(1.0007+3.46×10-6P)exp(17.502T/(240.97+T))，RH是相对湿度，es是饱和水气压。
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法中，超声风速计测量的声虚温进行修正，剔除声虚温中湿度的贡献具体方法包括但不限于：线性回归、聚类算法、K近邻算法。
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法中，所述修正后的气温数据测量数据满足集Xi＝{Yi1 Xi1 Xi2 Xi3 ... Xin}；其中，Yi1为结构常数；Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin为气温的特征；通过预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，将空间两点温差转换成时间间隔的两点温差，计算时间间隔的两点温差的二阶结构函数，实现温度结构常数
Figure BDA0002777212700000032
的实时测量；
计算出每组数据的平均风速
Figure BDA0002777212700000033
空间长度为常数，计算出时间间隔τ；
由公式
Figure BDA0002777212700000034
计算出温度结构常数
Figure BDA0002777212700000035
其中尖括号表示统计平均，T(t)为t时刻温度脉动信号。
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法中，温度结构常数
Figure BDA0002777212700000041
通过湍流惯性区内一维温度谱来确定；
对于Kolmogorov湍流，一维温度波数谱ΨT(k)为：
Figure BDA0002777212700000042
k是波数，ΨT(k)通过Taylor假定由时间序列的温度脉动信号频率谱ΨT(f)得到，两者关系为：
Figure BDA0002777212700000043
其中
Figure BDA0002777212700000044
(2)式代入(1)，
Figure BDA0002777212700000045
对超声风速计测量的超声温度时间序列数据进行快速傅里叶变换，得到温度功率谱；对功率谱进行平滑，结合风速，确定惯性区范围，由式(3)计算出惯性区内一组
Figure BDA0002777212700000046
值，并取平均值得到
Figure BDA0002777212700000047
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法中，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正：
当-3≤α＜-1时，用单点结构函数法计算
Figure BDA0002777212700000048
当α≥-1或α＜-3时，用单点频谱法计算
Figure BDA0002777212700000049
其中，α表示谱幂率，所述谱幂率通过对超声风速计测量的超声温度时间序列数据进行快速傅里叶功率谱分析得到。
谱幂率的计算过程如下：
(1)对随机序列Xin的n个观测数据，进行离散傅里叶变换，再取其平方并除以n，得到序列Xin的功率谱ΨT；
[ΨT,fx]＝Psd(Xin,nfft,Fs,windows),ΨT为求得的信号Xin的功率谱密度，fx是对应ΨT的频率序列，nfft为傅里叶变换点数，Fs是采样频率，windows是窗函数；Psd是求功率谱的函数；
(3)对功率谱ΨT进行平滑；
[ΨT_smoothed,fx_smoothed]＝Psd_smooth(ΨT,fx)；ΨT_smoothed,fx_smoothed分别是平滑后的功率谱密度函数和频率序列，Psd_smooth为功率谱平滑函数；
(3)用最小二乘法对惯性区的功率谱密度函数和频率序列对数值进行线性拟合，得到谱幂率α；
α＝polyfit(log10(fx_smoothed(r1:r2)),log10(ΨT_smoothed(r1:r2))；
r1和r2表示惯性区所对应的序列数，polyfit是线性拟合函数。
一种大气光学湍流强度测量、评估和修正系统，包括：
数据获取模块，采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，进行异常数据剔除，得到大气温度时间序列数据；
第一获取模块，通过预定的大气温度时间序列数据，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数；
第二获取模块，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值；
数据输出模块，输出温度结构常数准确值。
优选的，在上述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正系统中，还包括谱幂率确定模块，用于确定谱幂率α的取值范围，进而确定计算方法；当-3≤α＜-1时，用单点结构函数法计算
Figure BDA0002777212700000051
当α≥-1或α＜-3时，用单点频谱法计算
Figure BDA0002777212700000052
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统，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，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，为全天侯、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证；同时，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的方法流程图；
图2附图为本发明的结构框图；
图3附图为本发明的计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法及系统，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，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，为全天侯、长时间持续地获取光学湍流强度提供了保证；同时，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。
一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，如图1所示，具体步骤包括如下：
S101：采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，对声虚温时间序列数据进行预处理，得到大气温度时间序列数据；其中大气温度时间序列数据包括但不限于：采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值；
S102：通过预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数；
S103：由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。
为了进一步优化上述技术方案，所测量的声虚温时间序列数据是由高精度超声风速计，通过高采样率获得，组成数据集xi＝{yi1 xi1 xi2 xi3 ... xin}；其中，yi1为气温；xi1，xi2，xi3，…，xin为声虚温的特征。
为了进一步优化上述技术方案，将超声风速计测量的声虚温时间序列进行修正，剔除声虚温中湿度的贡献，得到气温，具体步骤包括：
由公式
Figure BDA0002777212700000081
得到气温；Ts是声虚温，e、P分别是水气压和气压；
e＝es×RH/100
es＝6.1121(1.0007+3.46×10-6P)exp(17.502T/(240.97+T))，RH是相对湿度，es是饱和水气压。
为了进一步优化上述技术方案，超声风速计测量的声虚温进行修正，剔除声虚温中湿度的贡献具体方法包括但不限于：线性回归、聚类算法、K近邻算法。
为了进一步优化上述技术方案，修正后的气温数据测量数据满足集Xi＝{Yi1 Xi1Xi2 Xi3 ... Xin}；其中，Yi1为结构常数；Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin为气温的特征；通过预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，将空间两点温差转换成时间间隔的两点温差，计算时间间隔的两点温差的二阶结构函数，实现温度结构常数
Figure BDA0002777212700000082
的实时测量；
计算出每组数据的平均风速
Figure BDA0002777212700000083
空间长度为常数，计算出时间间隔τ；
由公式
Figure BDA0002777212700000084
计算出温度结构常数
Figure BDA0002777212700000085
其中尖括号表示统计平均，T(t)为t时刻温度脉动信号。
为了进一步优化上述技术方案，温度结构常数
Figure BDA0002777212700000086
通过湍流惯性区内一维温度谱来确定；
对于Kolmogorov湍流，一维温度波数谱ΨT(k)为：
Figure BDA0002777212700000087
k是波数，ΨT(k)通过Taylor假定由时间序列的温度脉动信号频率谱ΨT(f)得到，两者关系为：
Figure BDA0002777212700000088
其中
Figure BDA0002777212700000091
(2)式代入(1)，
Figure BDA0002777212700000092
对超声风速计测量的超声温度时间序列数据进行快速傅里叶变换，得到温度功率谱；对功率谱进行平滑，结合风速，确定惯性区范围，由式(3)计算出惯性区内一组
Figure BDA0002777212700000093
值，并取平均值得到
Figure BDA0002777212700000094
为了进一步优化上述技术方案，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正：
当-3≤α＜-1时，用单点结构函数法计算
Figure BDA0002777212700000095
当α≥-1或α＜-3时，用单点频谱法计算
Figure BDA0002777212700000096
其中，α表示谱幂率，谱幂率通过对超声风速计测量的超声温度时间序列数据进行快速傅里叶功率谱分析得到。
谱幂率的计算过程如下：
(1)对随机序列Xin的n个观测数据，进行离散傅里叶变换，再取其平方并除以n，得到序列Xin的功率谱ΨT；
[ΨT,fx]＝Psd(Xin,nfft,Fs,windows),ΨT为求得的信号Xin的功率谱密度，fx是对应ΨT的频率序列，nfft为傅里叶变换点数，Fs是采样频率，windows是窗函数；Psd是求功率谱的函数；
(4)对功率谱ΨT进行平滑；
[ΨT_smoothed,fx_smoothed]＝Psd_smooth(ΨT,fx)；ΨT_smoothed,fx_smoothed分别是平滑后的功率谱密度函数和频率序列，Psd_smooth为功率谱平滑函数；
(3)用最小二乘法对惯性区的功率谱密度函数和频率序列对数值进行线性拟合，得到谱幂率α；
α＝polyfit(log10(fx_smoothed(r1:r2)),log10(ΨT_smoothed(r1:r2))；
r1和r2表示惯性区所对应的序列数，polyfit是线性拟合函数。
一种大气光学湍流强度测量、评估和修正系统，如图2所示，包括：
数据获取模块，采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，进行异常数据剔除，得到大气温度时间序列数据；
第一获取模块，通过预定的大气温度时间序列数据，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数；
第二获取模块，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值；
数据输出模块，输出温度结构常数准确值。
为了进一步优化上述技术方案，还包括谱幂率确定模块，用于确定谱幂率α的取值范围，进而确定计算方法；
当-3≤α＜-1时，用单点结构函数法计算
Figure BDA0002777212700000101
当α≥-1或α＜-3时，用单点频谱法计算
Figure BDA0002777212700000102
在一种实施例中提供了一种计算机设备，如图3所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器以及网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指定相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，对所述声虚温时间序列数据进行预处理，得到大气温度时间序列数据；其中所述大气温度时间序列数据包括但不限于：采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值；
通过预定的采样频率值、惯性区的尺度值、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，在泰勒假定下将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数—
Figure FDA0002777212690000012
对大气温度时间序列数据进行傅里叶变换，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值。
2.根据权利要求1所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，所测量的声虚温时间序列数据是由高精度超声风速计，通过高采样率获得，组成数据集xi＝{yi1 xi1 xi2 xi3 ... xin}；其中，yi1为气温；xi1，xi2，xi3，…，xin为声虚温的特征。
3.根据权利要求1所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，将超声风速计测量的声虚温时间序列进行修正，剔除声虚温中湿度的贡献，得到气温，具体步骤包括：
由公式
Figure FDA0002777212690000011
得到气温；Ts是声虚温，e、P分别是水气压和气压；
e＝es×RH/100；
es＝6.1121(1.0007+3.46×10-6P)exp(17.502T/(240.97+T))，RH是相对湿度，es是饱和水气压。
4.根据权利要求3所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，超声风速计测量的声虚温进行修正，剔除声虚温中湿度的贡献具体方法包括但不限于：线性回归、聚类算法、K近邻算法。
5.根据权利要求1所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，所述修正后的气温数据测量数据满足集Xi＝{Yi1 Xi1 Xi2 Xi3 ... Xin}；其中，Yi1为结构常数；Xi1，Xi2，Xi3，…，Xin为气温的特征；通过预定的采样频率值Fs、惯性区的尺度值L、统计时间、统计时间内的风速平均值之间的相互关系，将空间两点温差转换成时间间隔的两点温差，计算时间间隔的两点温差的二阶结构函数，实现温度结构常数
Figure FDA0002777212690000029
的实时测量；
计算出每组数据的平均风速
Figure FDA0002777212690000021
空间长度为常数，计算出时间间隔τ；
由公式
Figure FDA0002777212690000022
计算出温度结构常数
Figure FDA0002777212690000023
其中尖括号表示统计平均，T(t)为t时刻温度脉动信号。
6.根据权利要求1所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，温度结构常数
Figure FDA0002777212690000024
通过湍流惯性区内一维温度谱来确定；
对于Kolmogorov湍流，一维温度波数谱ΨT(k)为：
Figure FDA0002777212690000025
k是波数，ΨT(k)通过Taylor假定由时间序列的温度脉动信号频率谱ΨT(f)得到，两者关系为：
Figure FDA0002777212690000026
其中
Figure FDA0002777212690000027
(2)式代入(1)，
Figure FDA0002777212690000028
对超声风速计测量的超声温度时间序列数据进行快速傅里叶变换，得到温度功率谱；对功率谱进行平滑，结合风速，确定惯性区范围，由式(3)计算出惯性区内一组
Figure FDA0002777212690000031
值，并取平均值得到
Figure FDA0002777212690000032
7.根据权利要求1所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正：
当-3≤α＜-1时，用单点结构函数法计算
Figure FDA0002777212690000033
当α≥-1或α＜-3时，用单点频谱法计算
Figure FDA0002777212690000034
其中，α表示谱幂率，所述谱幂率通过对超声风速计测量的超声温度时间序列数据进行快速傅里叶功率谱分析得到。
8.根据权利要求7所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正方法，其特征在于，谱幂率的计算过程如下：
(1)对随机序列Xin的n个观测数据，进行离散傅里叶变换，再取其平方并除以n，得到序列Xin的功率谱ΨT；
[ΨT,fx]＝Psd(Xin,nfft,Fs,windows),ΨT为求得的信号Xin的功率谱密度，fx是对应ΨT的频率序列，nfft为傅里叶变换点数，Fs是采样频率，windows是窗函数；Psd是求功率谱的函数；
(2)对功率谱ΨT进行平滑；
[ΨT_smoothed,fx_smoothed]＝Psd_smooth(ΨT,fx)；ΨT_smoothed,fx_smoothed分别是平滑后的功率谱密度函数和频率序列，Psd_smooth为功率谱平滑函数；
(3)用最小二乘法对惯性区的功率谱密度函数和频率序列对数值进行线性拟合，得到谱幂率α；
α＝polyfit(log10(fx_smoothed(r1:r2)),log10(ΨT_smoothed(r1:r2))；
r1和r2表示惯性区所对应的序列数，polyfit是线性拟合函数。
9.一种大气光学湍流强度测量、评估和修正系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，采用高精度超声风速计实时采样高频声虚温时间序列数据，进行异常数据剔除，得到大气温度时间序列数据；
第一获取模块，通过预定的大气温度时间序列数据，将时间间隔的两点温差转换成空间两点温差，计算空间两点温差的二阶结构函数，实时测量温度结构常数；
第二获取模块，由单点频谱法计算出温度结构常数值，从谱幂率的取值范围对单点结构函数法得到的温度结构常数值进行评估和修正，得到温度结构常数准确值；
数据输出模块，输出温度结构常数准确值。
10.根据权利要求9所述的一种大气光学湍流强度测量、评估和修正系统，其特征在于，还包括谱幂率确定模块，用于确定谱幂率α的取值范围，进而对
Figure FDA0002777212690000041
的测量结果进行评估和修正；
当-3≤α＜-1时，用单点结构函数法计算
Figure FDA0002777212690000042
当α≥-1或α＜-3时，用单点频谱法计算
Figure FDA0002777212690000043
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113868977A (zh) * 2021-09-28 2021-12-31 广州大学 一种生成各向同性湍流脉动速度场方法
CN114152772A (zh) * 2021-11-01 2022-03-08 苏州金象华升科技有限公司 具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统
CN114611234A (zh) * 2022-03-09 2022-06-10 中国船舶科学研究中心 一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法
CN115950916A (zh) * 2023-03-14 2023-04-11 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备
CN116484167A (zh) * 2023-06-21 2023-07-25 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103399084A (zh) * 2013-07-03 2013-11-20 中国科学院安徽光学精密机械研究所 超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法
CN104237162A (zh) * 2014-08-12 2014-12-24 中国科学技术大学 一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103399084A (zh) * 2013-07-03 2013-11-20 中国科学院安徽光学精密机械研究所 超声风速计实时测量光学湍流强度的新方法
CN104237162A (zh) * 2014-08-12 2014-12-24 中国科学技术大学 一种大气折射率虚部结构常数的测量系统及测量方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴晓庆等: "近地面层大气非Kolmogorov湍流特征参数测量", 《光学学报》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113868977A (zh) * 2021-09-28 2021-12-31 广州大学 一种生成各向同性湍流脉动速度场方法
CN113868977B (zh) * 2021-09-28 2024-05-17 广州大学 一种生成各向同性湍流脉动速度场方法
CN114152772A (zh) * 2021-11-01 2022-03-08 苏州金象华升科技有限公司 具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统
CN114152772B (zh) * 2021-11-01 2022-11-04 苏州金象华升科技有限公司 具备异常状态自诊断的高精度超声波风速风向测量系统
CN114611234A (zh) * 2022-03-09 2022-06-10 中国船舶科学研究中心 一种泵喷推进器非定常宽带激励力的评估方法
CN115950916A (zh) * 2023-03-14 2023-04-11 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备
CN115950916B (zh) * 2023-03-14 2023-05-26 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种物体表面热流密度检测方法、装置以及设备
CN116484167A (zh) * 2023-06-21 2023-07-25 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法
CN116484167B (zh) * 2023-06-21 2023-08-22 中国科学院空天信息创新研究院 一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法

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