[科普中国]-湍流外尺度

简介

大气光学湍流是指大气折射率的随机起伏，它对光学成像系统分辨率和许多光电工程系统如自由空间光通信系统的性能有重要影响。描述光学湍流特性及其在光传播效应分析中应用的主要参量有湍流强度和空间特征尺度，其中空间特征尺度主要包含湍流内尺度和外尺度。在Kolmogorov湍流统计理论中，外尺度是指惯性区的最大尺度。同时也有一些相近、易混淆的湍流尺度概念， 如把湍涡的最大尺度看作外尺度，或用一个积分尺度来表示湍涡的最大尺度，或将湍涡的最大尺度称之为含能涡区尺度，认为它就是湍流惯性子区的边界。1

测量方法重要性在大气光学及其应用研究中，湍流的特征尺度起着重要的作用。由于大尺度湍流对光波的相位起伏起主要作用,以相位补偿为目的的自适应光学技术及在天文观测对大气湍流外尺度的准确测量十分关注。研究结果表明有限的大气外尺度对大气湍流统计特征的测量有很大的影响，尤其对大尺寸的望远镜和子孔径更是如此。

技术手段目前有采用光束抖动频谱遥感大气湍流外尺度，或者借助于同一目标天体经两不同直径的子孔后所成像的抖动方差之间关系进行测量，亦有用四台独立的小型望远镜通过一定的位置配置，通过同一目标天体成像之间的到达角协方差，然后通过插值的方法来得到外尺度。此外，还有利用非光学的方法进行测量，如采用温度起伏方差、折射率结构常数与外尺度之间的关系进行测量。但使用非光学方法测量湍流光学参量的可靠程度尚存在着一些不确定因素，最近有报道认为用温度起伏测定的和光学方法测得的值相差达4 倍以上。如果实际情况确实如此，则会在工程应用中产生很大的影响。

根据到达角起伏协方差与外尺度之间的联系，结合差分图像运动方差给出了计算大气湍流外尺度的表达式。并采用四孔到达角起伏测量仪测量了大气湍流外尺度。该方法所需设备较为简单,易于工程上实现。

由于大气的时间演化规律、传播路径的地理条件、季节、天气状况、空气洁净度等各种因素都对湍流的发展产生影响，尤其是大尺度的湍流和太多的因素相关使得无法确切了解其特征，因而湍流的外尺度测量非常困难。通常认为湍流外尺度与观测高度相仿。2

影响众所周知，光学通讯系统采用大孔径接收器时将降低接收到的光闪烁程度，这种效应称为孔径平滑效应并已为不少研究工作者所研究。此外，由于激光雷达和自适光学研究的需要，大气湍流的内、外尺度对光波传播的影响己被广泛研究，其中包括内、外尺度对大气光闪烁的影响和湍流外尺度对大气成像系统的积分分辨率的影响等。这些研究表明，研究光波在大气中的传播与成像规律仅采用不考虑湍流内、外尺度影响的Kolmogorov 折射率谱(也常简称“湍谱”) 是不够的，应该采用考虑包含湍流内、外尺度参数的折射率谱。当然，孔径平滑问题也不例外。

目前，人们己经通过采用Kolmogorov 湍谱或Tatarskii 湍谱给出了湍流内尺度远小于或远大于第1 Fresnel 区时的大气闪烁孔径平滑因子和采用包含高波数跃变湍谱得出的适用于所有湍流内尺度的平滑因子，湍流外尺度对闪烁的影响也是十分重要的，必然会影响到接收孔径的闪烁平滑作用。

应用变形Andrews 折射率谱研究湍流大气中平面波和球面波传播闪烁接收孔径平滑效应,研究湍流外尺度对孔径平滑的影响。发现，如同湍流内尺度对光闪烁有影响，湍流的外尺度对平面波闪烁接收孔径平滑作用有较明显的作用，而对球面波闪烁的调制作用不明显。3