湍流外尺度

湍流外尺度是指描述光學湍流特性及其在光傳播效應分析中套用的主要參量。在Kolmogorov湍流統計理論中，外尺度是指慣性區的最大尺度。

基本介紹

• 中文名：湍流外尺度
• 外文名：turbulence oute r scale
• 目的：描述光學湍流特性
• 性質：參量
• 定義：慣性區的最大尺度
• 測量方法：光束抖動頻譜遙感湍流外尺度等

簡介

大氣光學湍流是指大氣折射率的隨機起伏，它對光學成像系統解析度和許多光電工程系統如自由空間光通信系統的性能有重要影響。描述光學湍流特性及其在光傳播效應分析中套用的主要參量有湍流強度和空間特徵尺度，其中空間特徵尺度主要包含湍流內尺度和外尺度。在Kolmogorov湍流統計理論中，外尺度是指慣性區的最大尺度。同時也有一些相近、易混淆的湍流尺度概念， 如把湍渦的最大尺度看作外尺度，或用一個積分尺度來表示湍渦的最大尺度，或將湍渦的最大尺度稱之為含能渦區尺度，認為它就是湍流慣性子區的邊界。

測量方法

重要性

在大氣光學及其套用研究中，湍流的特徵尺度起著重要的作用。由於大尺度湍流對光波的相位起伏起主要作用,以相位補償為目的的自適應光學技術及在天文觀測對大氣湍流外尺度的準確測量十分關注。研究結果表明有限的大氣外尺度對大氣湍流統計特徵的測量有很大的影響，尤其對大尺寸的望遠鏡和子孔徑更是如此。

技術手段

目前有採用光束抖動頻譜遙感大氣湍流外尺度，或者藉助於同一目標天體經兩不同直徑的子孔後所成像的抖動方差之間關係進行測量，亦有用四台獨立的小型望遠鏡通過一定的位置配置，通過同一目標天體成像之間的到達角協方差，然後通過插值的方法來得到外尺度。此外，還有利用非光學的方法進行測量，如採用溫度起伏方差、折射率結構常數與外尺度之間的關係進行測量。但使用非光學方法測量湍流光學參量的可靠程度尚存在著一些不確定因素，最近有報導認為用溫度起伏測定的和光學方法測得的值相差達4 倍以上。如果實際情況確實如此，則會在工程套用中產生很大的影響。

根據到達角起伏協方差與外尺度之間的聯繫，結合差分圖像運動方差給出了計算大氣湍流外尺度的表達式。並採用四孔到達角起伏測量儀測量了大氣湍流外尺度。該方法所需設備較為簡單,易於工程上實現。

由於大氣的時間演化規律、傳播路徑的地理條件、季節、天氣狀況、空氣潔淨度等各種因素都對湍流的發展產生影響，尤其是大尺度的湍流和太多的因素相關使得無法確切了解其特徵，因而湍流的外尺度測量非常困難。通常認為湍流外尺度與觀測高度相仿。

影響

眾所周知，光學通訊系統採用大孔徑接收器時將降低接收到的光閃爍程度，這種效應稱為孔徑平滑效應並已為不少研究工作者所研究。此外，由於雷射雷達和自適光學研究的需要，大氣湍流的內、外尺度對光波傳播的影響己被廣泛研究，其中包括內、外尺度對大氣光閃爍的影響和湍流外尺度對大氣成像系統的積分解析度的影響等。這些研究表明，研究光波在大氣中的傳播與成像規律僅採用不考慮湍流內、外尺度影響的Kolmogorov 折射率譜(也常簡稱“湍譜”) 是不夠的，應該採用考慮包含湍流內、外尺度參數的折射率譜。當然，孔徑平滑問題也不例外。

目前，人們己經通過採用Kolmogorov 湍譜或Tatarskii 湍譜給出了湍流內尺度遠小於或遠大於第1 Fresnel 區時的大氣閃爍孔徑平滑因子和採用包含高波數躍變湍譜得出的適用於所有湍流內尺度的平滑因子，湍流外尺度對閃爍的影響也是十分重要的，必然會影響到接收孔徑的閃爍平滑作用。

套用變形Andrews 折射率譜研究湍流大氣中平面波和球面波傳播閃爍接收孔徑平滑效應,研究湍流外尺度對孔徑平滑的影響。發現，如同湍流內尺度對光閃爍有影響，湍流的外尺度對平面波閃爍接收孔徑平滑作用有較明顯的作用，而對球面波閃爍的調製作用不明顯。