淺析大氣折射率高度分布其模式和應用環(huán)境

■賈娜 王玉坤

（中國人民解放軍91550部隊遼寧大連116000）

淺析大氣折射率高度分布其模式和應用環(huán)境

■賈娜 王玉坤

（中國人民解放軍91550部隊遼寧大連116000）

光束經(jīng)過大氣時，受其密度的影響，導致光束會出現(xiàn)偏折，同時光波在傳播過程中，程長增加后，其軌跡也會隨之發(fā)生改變，在此情況下，測定目標的測量值便會出現(xiàn)誤差，如：距離、角位置等。因此，本文分析了大氣折射率高度分布模式及其應用，旨在借助理論分析與實踐研究，有效修正光傳輸?shù)恼凵湫?/p>

大氣 折射率 高度分布模式 應用

目前，關(guān)于大氣折射的研究報道相對較多，為有效解決大氣光學測量折射問題，國內(nèi)外學者積極探索與研究，提出了天文測量、大地測量及飛行器定位等理論。近幾年，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在先進技術(shù)的支持下，大氣光學測量工作積極開展，其精度逐步提高，但光傳輸中的大氣折射問題仍需深入研究，在此基礎(chǔ)上，本文分析了大氣折射率及其高度分布，介紹了戈壁地區(qū)大氣折射率高度分布模式，探討了大氣折射率的影響參量，同時也研究了激光傳輸?shù)拇髿庹凵渎剩荚诖龠M高精度激光束作用的充分發(fā)揮。

1　大氣折射率及高度分布

1.1大氣折射率

大氣折射率n受與諸多參量有關(guān)，如：光波波長λ、空氣溫度T、水汽壓e及壓強p等，通常情況下，可以表示為n=1+N（λ，T，e，p）。在光學頻率范圍內(nèi)，對流程高度低于17km時，地球大氣空氣折射率可以表示為

其中p為大氣氣壓，T為熱力學溫度，λ為光波波長。如果研究對象為新疆戈壁地區(qū)，此時其空氣較為干燥，地面水汽壓e對n的影響較小，因此，第二個公式中的e基本可以忽略。

1.2大氣折射率高度分布

對于大氣折射率而言，對其起決定因素的主要有氣壓、溫度與水汽壓，因此，上述參數(shù)也影響折射率的高度分布。對于大氣而言，在平均狀態(tài)下，其密度呈指數(shù)規(guī)律遞減分布，此時折射率剖面的計算公式可以表示為

其中HS為地面折射率，HN為大氣折射率標高，二者可由模式大氣進行計算從而確定。

對于指數(shù)模式來說，其最為顯著的特點便是便捷，但其缺點也不容忽視，主要表現(xiàn)為誤差相對較大，造成此情況的原因主要為模式中參數(shù)的可調(diào)整性較小，因此，三參數(shù)伽馬分布模式可能是較為適合的公式，即

其中h為高度。

上述公式不僅可以體現(xiàn)大氣折射率剖面的相關(guān)情況，還可以展現(xiàn)折射率對光波傳播的影響。在不同地區(qū)與時間，大氣折射率高度分布的具體情況與其平均模式可能存在差異，但此時的差異通常出現(xiàn)在低空，如果海拔高度≥4km，則平均模式具有一致性[1]。

2　戈壁地區(qū)大氣折射率高度分布模式

本文以新疆隔壁地區(qū)為研究對象，分析了其大氣參數(shù)數(shù)據(jù)，通過甄選，獲得了接近700份真實數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量高達30萬條，經(jīng)統(tǒng)計分析，掌握了大氣壓強、溫度的平均高度分布廓線，經(jīng)多項式擬合，從而獲得了擬合曲線圖，同時結(jié)合公式，獲得了大氣折射率模數(shù)平均高度分布廓線，此時波長為1.319μm，大氣折射率與高度的關(guān)系為：隨著后者的增加，前者呈指數(shù)規(guī)律遞減；再者對上述內(nèi)容進行了指數(shù)模式與三參數(shù)伽馬模式擬合，以此獲得了相應的擬合曲線圖，通過對二者的比較可知，后者≥4km時，擬合良好，擬合相似度為0.9999，前者擬合相似度為0.9969，因此，高度≥4km時，折射率高度分布應選用三參數(shù)伽馬分布模式，此時其擬合江都較高，而＜4km時，應利用指數(shù)模式。

3　大氣折射率的影響參量

3.1波長

通常情況下，在標準大氣環(huán)境下，如果波長在330～1695mm之間，則可利用文章中的第二個公式進行計算，此時便可以明確大氣折射率與波長的關(guān)系，即：二者呈負相關(guān)[2]，波長越短，大氣折射率越大，而波長越長，大氣折射率越小，在波長范圍內(nèi)，大氣折射率的變化量為19×10-6。

3.2大氣壓強

在波長為650nm、溫度為273.15K時，大氣壓強在0～1000hPa之間，利用文章中第二個公式進行計算，此時大氣壓強與大氣折射率呈正相關(guān)，前者越大，后者越大，在此范圍內(nèi)，大氣折射率變化量為300×10-6。

3.3大氣溫度

在波長為650nm、溫度為101325Pa時，溫度在-60～40℃之間，利用文章中第二個公式進行計算，此時溫度與大氣折射率呈倒數(shù)關(guān)系，前者越高，后者越小，在此范圍內(nèi)，大氣折射率變化量為120×10-6。

4　激光傳輸大氣折射率分析

大氣折射主要是指光線在大氣傳播中受不均勻大氣密度的影響，從而出現(xiàn)了其傳播方向、傳播速度的改變。大氣折射率受諸多因素的影響，如：大氣壓力、溫度、濕度與波長等，對于不同波長的光波而言，其經(jīng)過大氣層傳播，會出現(xiàn)不同程度的偏折，此現(xiàn)象便是大氣色散。激光束有著不同的波長，在傳播過程中會出現(xiàn)一定的偏差，為了對其進行有效的糾正，應關(guān)注大氣色散的影響，通過數(shù)據(jù)分析可知，大氣色散與天頂角有關(guān)，在后者增大后，前者也隨之增大[3]。

5　總結(jié)

綜上所述，本文以新疆戈壁地區(qū)為研究對象，探討了大氣折射率的高度分布，并利用模式擬合，獲取了指數(shù)分布模式與三參數(shù)伽馬分布模式，同時闡述了大氣壓強、溫度與波長對大氣折射率的影響，再者還探討了激光傳輸大氣折射率分析，旨在糾正其誤差。

[1]羅曦,李新陽.隨機并行梯度下降算法擬合大氣湍流廓線統(tǒng)計模式的研究 [J].光學學報,2012,09:21-27.

[2]孫剛,翁寧泉,張彩云,等.基于NOAA模式的典型地區(qū)大氣湍流高度分布 [J].紅外與激光工程,2014,02:388-393.

[3]李浩,張偉星,衛(wèi)克晶,等.一種電波折射訂正方法及其在高空風探測中的應用 [N].解放軍理工大學學報 (自然科學版),2011,05:548-554.

P185.16[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-430-1