Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах. Том 2 - Исимару А.
Скачать (прямая ссылка):
Для исследования турбулентности прозрачного воздуха применялись мощные радиолокаторы и акустические системы зондирования [90]. Лидары (лазерные локаторы) использовались для измерения параметров тропосферного аэрозоля [90]. На основе пассивных радиометрических измерений в микроволновом диапазоне были получены температурные профили в атмосфере, а по спутниковым спектрометрическим измерениям в инфракрасном диапазоне определялось вертикальное распределение водяного пара [90].
Атмосферная турбулентность вызывает флуктуации показателя преломления воздуха, которые в свою очередь приводят к флуктуациям амплитуды и фазы распространяющегося оптического пучка. Поэтому оказывается возможным определение параметров турбулентности по измерениям флуктуаций волны. В следующем разделе мы рассмотрим этот случай в качестве примера дистанционного зондирования и обсудим некоторые известные методы дистанционного зондирования.
Определяемые зондированием параметры турбулентности включают интенсивность турбулентности, характеризуемую структурной характеристикой Сп, и скорость ветра. Дистанционное зондирование этих параметров можно разбить на два вида: определение их усредненных вдоль всей трассы значений и нахождение их профилей как функции координаты вдоль трассы. В настоящее время исследования в области дистанционного зондирования практически целиком опираются на теорию слабых флуктуаций, поэтому на оптических частотах они охватывают только трассы порядка нескольких километров. На более протяженных трассах необходимо пользоваться теорией сильных флуктуаций. О каких-либо серьезных исследованиях дистанционного зондирования в области сильных флуктуаций в литературе не сообщалось.
Дистанционное зондирование и методы обращения
249
22.2. Дистанционное зондирование структурной характеристики С„, усредненной вдоль трассы
Как известно, в условиях развитой турбулентности флуктуации скорости имеют колмогоровский спектр. Некоторые величины, например потенциальная температура и масса водяного пара, переносятся в поле скоростей турбулентности без заметного изменения, поэтому флуктуационные характеристики этих величин тоже подчиняются колмогоровскому спектру. В оптическом диапазоне влияние влажности пренебрежимо мало, поэтому поле флуктуаций температуры, как известно, тоже имеет колмогоровский спектр. Поле показателя преломления п связано с температурным полем соотношением
где Р — атмосферное давление в миллибарах, а Г — температура в кельвинах. Связь между давлением и температурой опре-деляехся процессом переноса тепла в турбулентности. Считая время существования турбулентности малым, этот процесс можно рассматривать как адиабатический; в этом предположении имеем
где у — отношение удельных теплоемкостей (y = Cp/Cv = 1,4 для воздуха). Следовательно, структурная функция показателя преломления Dn(r) связана со структурной функцией температуры DT(r) соотношением
Важно отметить, что при оптическом дистанционном зондировании измеряются флуктуации показателя преломления турбулентности, а не флуктуации поля скоростей. Как указывалось выше, эти две характеристики тесно связаны между собой. Однако в некоторых случаях, например в нейтральной атмосфере, при сильных флуктуациях скорости оптический эффект может быть малым [224].
Усредненная структурная характеристика турбулентности Сп может быть получена по результатам измерений дисперсии флуктуаций логарифма интенсивности распространяющейся оптической волны при помощи следующих формул, полученных в гл. 18:
(22.1)
Р
•10~6]cr. (22.3)
1 Г2
{
1,228kTULn,*Cn (плоская волна), 0,496& /aL'/fCn (сферическая волна),
250
Глава 22
где k — 2п/Х, a L — длина трассы распространения. В случае волнового пучка имеем
a2n/ = 4a2(L, р), (22.5)
где величина ст2%(L, р) найдена в гл. 18.
Измерение флуктуаций логарифма интенсивности должно быть проведено с использованием апертуры, малой по сравнению с радиусом корреляции волны, который для плоской и сферической волн приближенно равен -\JXL. Для коллимированного волнового пучка радиус корреляции также приближенно равен д/XL, а для сфокусированного пучка он может быть значительно меньше, чем л/XL.
22.3. Дистанционное зондирование скорости ветра, усредненной вдоль трассы
В последние годы проводились исследования дистанционного зондирования средней скорости ветра в поперечном направлении по отношению к трассе распространения [182, 227, 311]. В этом разделе мы рассмотрим следующие три метода дистанционного зондирования скорости ветра: а) метод, основанный на измерении частотного спектра; б) метод, основанный на регистрации временной задержки, и в) метод, основанный на измерении наклона корреляционной функции.
а. Метод, основанный на измерении частотного спектра. Картина мерцаний, регистрируемая приемником, при наличии у скорости ветра поперечной.составляющей перемещается, причем тем быстрее, чем больше скорость ветра. Поэтому следует ожидать, что с увеличением поперечной скорости ветра в частотных спектрах флуктуаций амплитуды и фазы должны появляться компоненты с более высокими частотами. Следовательно, оказывается возможным определение средней скорости ветра по измерению спектра флуктуаций. Наметим здесь следующие три пути нахождения средней скорости: 1) по форме спектра, 2) по отношению спектров на двух частотах и 3) по степени когерентности на двух частотах.
