浅析大气折射率高度分布其模式和应用环境

■贾娜 王玉坤

（中国人民解放军91550部队辽宁大连116000）

浅析大气折射率高度分布其模式和应用环境

■贾娜 王玉坤

（中国人民解放军91550部队辽宁大连116000）

光束经过大气时，受其密度的影响，导致光束会出现偏折，同时光波在传播过程中，程长增加后，其轨迹也会随之发生改变，在此情况下，测定目标的测量值便会出现误差，如：距离、角位置等。因此，本文分析了大气折射率高度分布模式及其应用，旨在借助理论分析与实践研究，有效修正光传输的折射效应。

大气 折射率 高度分布模式 应用

目前，关于大气折射的研究报道相对较多，为有效解决大气光学测量折射问题，国内外学者积极探索与研究，提出了天文测量、大地测量及飞行器定位等理论。近几年，随着科学技术的发展，在先进技术的支持下，大气光学测量工作积极开展，其精度逐步提高，但光传输中的大气折射问题仍需深入研究，在此基础上，本文分析了大气折射率及其高度分布，介绍了戈壁地区大气折射率高度分布模式，探讨了大气折射率的影响参量，同时也研究了激光传输的大气折射率，旨在促进高精度激光束作用的充分发挥。

1　大气折射率及高度分布

1.1大气折射率

大气折射率n受与诸多参量有关，如：光波波长λ、空气温度T、水汽压e及压强p等，通常情况下，可以表示为n=1+N（λ，T，e，p）。在光学频率范围内，对流程高度低于17km时，地球大气空气折射率可以表示为

其中p为大气气压，T为热力学温度，λ为光波波长。如果研究对象为新疆戈壁地区，此时其空气较为干燥，地面水汽压e对n的影响较小，因此，第二个公式中的e基本可以忽略。

1.2大气折射率高度分布

对于大气折射率而言，对其起决定因素的主要有气压、温度与水汽压，因此，上述参数也影响折射率的高度分布。对于大气而言，在平均状态下，其密度呈指数规律递减分布，此时折射率剖面的计算公式可以表示为

其中HS为地面折射率，HN为大气折射率标高，二者可由模式大气进行计算从而确定。

对于指数模式来说，其最为显著的特点便是便捷，但其缺点也不容忽视，主要表现为误差相对较大，造成此情况的原因主要为模式中参数的可调整性较小，因此，三参数伽马分布模式可能是较为适合的公式，即

其中h为高度。

上述公式不仅可以体现大气折射率剖面的相关情况，还可以展现折射率对光波传播的影响。在不同地区与时间，大气折射率高度分布的具体情况与其平均模式可能存在差异，但此时的差异通常出现在低空，如果海拔高度≥4km，则平均模式具有一致性[1]。

2　戈壁地区大气折射率高度分布模式

本文以新疆隔壁地区为研究对象，分析了其大气参数数据，通过甄选，获得了接近700份真实数据，其数据量高达30万条，经统计分析，掌握了大气压强、温度的平均高度分布廓线，经多项式拟合，从而获得了拟合曲线图，同时结合公式，获得了大气折射率模数平均高度分布廓线，此时波长为1.319μm，大气折射率与高度的关系为：随着后者的增加，前者呈指数规律递减；再者对上述内容进行了指数模式与三参数伽马模式拟合，以此获得了相应的拟合曲线图，通过对二者的比较可知，后者≥4km时，拟合良好，拟合相似度为0.9999，前者拟合相似度为0.9969，因此，高度≥4km时，折射率高度分布应选用三参数伽马分布模式，此时其拟合江都较高，而＜4km时，应利用指数模式。

3　大气折射率的影响参量

3.1波长

通常情况下，在标准大气环境下，如果波长在330～1695mm之间，则可利用文章中的第二个公式进行计算，此时便可以明确大气折射率与波长的关系，即：二者呈负相关[2]，波长越短，大气折射率越大，而波长越长，大气折射率越小，在波长范围内，大气折射率的变化量为19×10-6。

3.2大气压强

在波长为650nm、温度为273.15K时，大气压强在0～1000hPa之间，利用文章中第二个公式进行计算，此时大气压强与大气折射率呈正相关，前者越大，后者越大，在此范围内，大气折射率变化量为300×10-6。

3.3大气温度

在波长为650nm、温度为101325Pa时，温度在-60～40℃之间，利用文章中第二个公式进行计算，此时温度与大气折射率呈倒数关系，前者越高，后者越小，在此范围内，大气折射率变化量为120×10-6。

4　激光传输大气折射率分析

大气折射主要是指光线在大气传播中受不均匀大气密度的影响，从而出现了其传播方向、传播速度的改变。大气折射率受诸多因素的影响，如：大气压力、温度、湿度与波长等，对于不同波长的光波而言，其经过大气层传播，会出现不同程度的偏折，此现象便是大气色散。激光束有着不同的波长，在传播过程中会出现一定的偏差，为了对其进行有效的纠正，应关注大气色散的影响，通过数据分析可知，大气色散与天顶角有关，在后者增大后，前者也随之增大[3]。

5　总结

综上所述，本文以新疆戈壁地区为研究对象，探讨了大气折射率的高度分布，并利用模式拟合，获取了指数分布模式与三参数伽马分布模式，同时阐述了大气压强、温度与波长对大气折射率的影响，再者还探讨了激光传输大气折射率分析，旨在纠正其误差。

[1]罗曦,李新阳.随机并行梯度下降算法拟合大气湍流廓线统计模式的研究 [J].光学学报,2012,09:21-27.

[2]孙刚,翁宁泉,张彩云,等.基于NOAA模式的典型地区大气湍流高度分布 [J].红外与激光工程,2014,02:388-393.

[3]李浩,张伟星,卫克晶,等.一种电波折射订正方法及其在高空风探测中的应用 [N].解放军理工大学学报 (自然科学版),2011,05:548-554.

P185.16[文献码]B

1000-405X（2016）-7-430-1