一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法技术

本发明专利技术公开了一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，包括有飞行器、探测器和地面站电脑，所述的飞行器具有在任意点悬停、垂直升降及稳定的自主飞行能力。所述的探测器包括有电池、数据存储器和温度脉动仪，温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器的机身连接。本发明专利技术依靠飞行器的垂直升降能力，保证了所测得数据为垂直大气廓线数据，提高了对廓线的测量准确性。

Vertical distribution of turbulence intensity and calibration of turbulence profile radar

The invention discloses a method for measuring the vertical distribution of turbulence intensity and turbulence profile radar calibration, including vehicle detector, and the ground station computer, the aircraft has the autonomous flight capability and stability of vertical lift, hovering at any point. The detector comprises a battery, a data memory and a temperature pulsation meter, and the temperature pulsation instrument is connected with the fuselage of the flying vehicle through a thin wire with a retracting device. The invention relies on the vertical lifting capability of an aircraft, and ensures that the measured data is vertical atmospheric profile data, thereby improving the accuracy of profile measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法
本专利技术涉及大气湍流测量
，尤其涉及一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法。
技术介绍
激光在湍流大气中传输时，由于大气中折射率的起伏导致激光波阵面畸变，引起光束漂移、光斑扩展和光强起伏等湍流效应。大气相干长度(r0)和大气折射率结构常数Cn2是表征大气湍流前度的两个重要参数，大气相干长度与湍流强度的关系为式中k为波数，h0为仪器离地面的高度，为天顶角，W(h)为核函数，可表示为温度脉动仪是通过测量两点的温度脉动差求出再利用测量得到温度和气压的平均值，代入与Cn2的关系式中，从而得到大气折射率结构常数。根据Kolmogorov的局地均匀各向同性湍流的理论可知，在湍流惯性区内两点间的结构常数只与两点间的距离的2/3次方有关,与两点的位置和相对方向无关，于是在小尺度的情况下温度起伏结构函数和折射率起伏结构函数可表示为式中，DT(r)和Dn(r)分别是温度和折射率的结构函数；和Cn2分别是温度和折射率的结构常数，r是两点间的距离。在可见光波段范围内，对流层(高度<17km)中地球大气的折射率表示为[10]：式中，P是大气气压(单位：100Pa)，T是热力学温度(单位：K)，λ是光波波长(单位：μm)。对上式两边进行微分，可得：在某一固定高度处，气压变化相对较小，可以忽略，折射率变化dn主要由温度dT产生。由此，大气折射率结构常数Cn2与温度结构常数的关系是[10]：因此只要得到压强P和温度T和两点的温度差，就能够计算出由于温度脉动探空仪是通过测温来获得Cn2，原理简单，技术成熟，容易实施，因此这种测量方法得到了广泛的应用。该方法的最大优势是它具有较高的分辨率，不足之处是实时性不强，测量一条完整廓线所需时间较长，并且若高空风速过大也会对探空气球的造成较大影响。基于差分光柱像运动(Differentialcolumnimagemotion，DCIM)雷达的湍流廓线测量系统用来实时测量整层大气折射率结构常数廓线(以下称湍流廓线)，该系统由DCIM雷达和等晕角测量仪组成。该雷达以单束激光为信标，通过对激光光柱侧向散射信号成像的差分抖动信息结合不同高度光柱焦平面成像的算法，成功克服了近地面湍流对分时测量大气相干长度的干扰，能够同时测量1Km到高空12Km的大气相干长度廓线，测量实时性好。根据DIM原理，两子孔径连线方向的差分像运动方差与大气相干长度(r0)的关系表示为：其中D表示子孔径直径，d表示子孔径中心间距，r0表示大气相干长度，与波数k和信标高度ZBeacon关系为：通过连续分析两光带对应区域成像的差分运动大小即可得到大气相干长度廓线。在实际应用中，大气相干长度仪的定标往往是采用探空气球法，就是将温度脉动仪挂在探空气球下，随探空气球上升过程中进行测量从而获得整层大气相干长度与大气相干长度仪测量结果对比分析。但气球上升时间较长，测得整层大气相干长度所需时间较长，实时性差。这便导致了定标有较大的误差。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，将带有电池、数据存储器的温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数的测量,温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器连接，飞行器上飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控上,使用遥控器解锁飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后飞行器就会自动开始执行任务进行测量,依靠飞行器的悬停能力，用温度脉动仪实现在任意地点、任意高度进行稳定的参数测量，测量时把实验测得的压强P和温度T和两点的温度差及从飞控获得实时的高度数据直接存储在温度脉动仪的数据存储器内；在地面站设置飞行器最大上升速度后，使用遥控器解锁飞行器，然后操作飞行器飞行到湍流廓线雷达附近，记录下测量开始时间，将遥控器油门推到最大处，飞行器将会按照最大速度上升测量，将飞行器的高度与测量得到的大气折射率结构常数进行处理，拟合出3KM以下的各个高度上的R0廓线与湍流雷达测得的R0廓线进行对比分析。传统的探空气球在上升过程中，受到风的影响，会偏离原来位置，而且偏离距离及上升轨迹决定于风的速度及风向，具有不可控性。当气球在一定高度爆炸后，所挂载的仪器自由飘落，即使能够找回所挂仪器，仪器往往也有较大的损坏，因此该种方法还不利于仪器的重复使用。将温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器上，温度脉动仪距离飞行器有一定的距离以避免飞行器产生的下压风场对温度脉动仪测量造成影响。依靠飞行器上自带的GPS及其他惯性传感器，可以将飞行器位置水平偏差控制在±2米以内、垂直偏差控制在±0.5米以内，从而实现精确的位置测量、有效克服风对测量的影响。温度脉动仪往往作为其他测量大气湍流方法的标定装置，如大气相干长度仪。但是由于测量原理上的不同，两个仪器测量结果存在一个较大的差异。本专利技术方法在给大气相干长度仪进行水平定标时，可以采用在相干长度仪测量路径附近的另一平行路径上，采用由近及远匀速运动的方法来测量整个路径上的Cn2以减少测量原理不同导致的差异，提高定标精度。另外，为了解Cn2在不同高度上的差异特性是，需要长期对某个高度点进行测量观测，常规的办法是将多个温度脉动仪架设在铁塔上，但铁塔高度有限。本专利技术的另外一个优点就是可以弥补这种不足，采用系留的办法，通过两根电线为飞行器供电，可实现长期对某几个较高高度点的长期观测。本专利技术的优点是：1、本专利技术提出的大气湍流测量方法可保证在3公里以下测量任意点的垂直湍流廓线，且数据密度可控。2、本专利技术提出的大气湍流测量方法可以在空中任意点进行悬停测量。3、本专利技术使用的飞行器及测量仪器可以重复使用，在测量时可以在把实验数据直接存储在专用存储器上，省去了地面数据接收装置和信号发射装置，也避免了数据传输时可能存在的干扰。4、本专利技术定标及测量方法与采用探空气球法相比，不需要使用价格高昂的氦气，也不会对测量仪器造成损坏，可以大幅降低实验成本。实验操作方便快捷。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，将带有电池10、数据存储器11的温度脉动仪9挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数Cn2的测量,包括有飞行器、探测器和地面站电脑，所述的飞行器包括有机身12以及安装在机身12外侧的多个机架3，在每个机架3的端部安装有无刷电机1，在机身12内部安装有飞控4、GPS5、数传电台6、接收机7和无刷电子调速器2，所述的GPS5、数传电台6、接收机7和无刷电子调速器2均与飞控4连接，所述的无刷电子调速器2通过接收飞控的油门信号控制无刷电机转速，在飞控4内部集成有加速度计、电子罗盘和气压高度计，所述的接收机7还与遥控器通讯连接，所述的探测器包括有电池10、数据存储器11和温度脉动仪9，电池10和数据存储器11均与温度脉动仪9连接，温度脉动仪9通过带有收放装置的细线与飞行器的机身12连接，所述的飞控4通过数传电台6与地面站电脑无线连接，遥控器信号由接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，其特征在于：将带有电池、数据存储器的温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数

【技术特征摘要】
1.一种湍流强度垂直分布测量及湍流廓线雷达标定方法，其特征在于：将带有电池、数据存储器的温度脉动仪挂载在多旋翼飞行器下对3km以下空间进行大气折射率结构常数Cn2的测量,温度脉动仪通过带有收放装置的细线与飞行器连接，飞行器上飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控上,使用遥控器解锁飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后飞行器就会自动开始执行任务进行测量,依靠飞行器的悬停能...

【专利技术属性】
技术研发人员：何枫，王浩，侯再红，谭逢富，张巳龙，秦来安，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34