2.1　观测方法与原理

2.1.1　设备结构

大口径闪烁仪由两部分组成,即发射仪和接收仪。从外观来看,二者几乎一样(图2-1),但从仪器的后面板可以区分。二者都被分成两部分:前舱放置光学部件、反射镜和探测器(接收仪上)或发射仪(LED),后舱为电器部分。取下仪器的顶板可以接触到两个舱位。位于仪器底部的安装座与放置在顶部的望远镜一起用于仪器的野外对准。

发射仪中的砷化钾发光二极管,它发出波长约为940nm不干涉的光源。这个波长取决于通过LED的电流和它的温度。该二极管被调制在称为载波频率为7k Hz的频率上,从而区分背景辐射。LED放置在凹反射镜的焦点(直径0.15m,焦距0.28m,涂氧化硅铝镜)。从发射仪发出的光线几乎是平行的。用有机玻璃窗(对于940nm波长的光,其透射率大于玻璃窗口)保护光学部件(LED和反射镜)使之不受气候影响。在面板与镜子的后板之间是电器部分。仪器通过发射器底下的黑色航空插座与电源相连。发射仪后面是面板(图2-2),上面有电源开关和可调节LED电流的位势计。面板上显示的是实际电流。

根据路径距离和大气条件设定通过LED的电流。路径距离越长,通过LED的电流必须越强。然而,通过LED的最大容许电流约为1A。电流的设置应满足接收仪收到足够的信号并达到最佳信号噪声比。

接收器的反射镜与发射仪完全一样,而硅光电二极管探测器位于其焦点。为了避免背景辐射,探测器前额外放置了一个滤光镜。位于接收仪后舱的电器将处理来自探测器的信号,并输出。闪烁仪的波段被设置在0.1～400Hz内,它去除了直流电压分量和高频噪声的影响,从而使信号限于在闪烁仪的频段。和信号强度(解调信号)被连到位于前舱挨着镜子的Micro-G2数据记录器上。通过接收仪后面板上的RS232串口可以与数据记录器通信。

所有的接口和按键(除了电源位于底部)都分布在接收仪后面的面板上(图2-3)。可以开启和关闭接收仪,信号强度在信号强度计上显示。调制的、解调的和信号可由BNC插头获得。通过增益调节来实现路径距离的设置。

2.1.2　观测原理

当有一束电磁辐射光穿过大气时,它就会被空气折射率(n)波动所干涉。折射率波动会引起光的强度波动,称为闪烁现象。由LAS仪器测得的闪烁可以用空气折射率结构参数表达。温度(T)、湿度(Q)和某种程度上压力(P)的波动会引起空气密度的波动,从而引起空气折射率的波动。空气折射率结构参数可以分解成温度结构参数、湿度结构参数和协方差项的形式(Hill等,1980),即

式中,AT和AQ是光的波长λ、平均温度、比湿和大气压的函数。对于可见光和近红外波长的电磁光谱,系数AT和AQ为(Andreas,1989)

式中,Rv为水汽的气体常数[461.5J/(K·kg)]。通常在大气条件下,AT≫AQ。与湿度相关的闪烁的贡献远小于与温度相关的闪烁。所以CT可简化为(Kohsiek,1982)

式中,β为Bowen比,它包含了对湿度相关闪烁的修正。Bowen比是显热通量与潜热通量之比,在干的地区值很大(>3),这意味着项中的修正项很小。当地表非常干时,跟直接成正比关系,即

一旦已知,显热通量可以从已用于导出的Monin-Obukhov相似理论的相似关系中导出

式中　d——位移高度;

zLAS——闪烁仪光束高出地面的距离;

CT1,CT2——经验常数;

θ*——温度尺度,其定义为

L是Obukhov长度,为

式中　ρ——空气的密度;

cp——空气的定压比热容;

u*——摩擦速度;

kv——冯卡门常数(～0.40);

g——重力加速度(=9.81m/s2)。

最后这些公式可以用摩擦速度u*表示,即

式中　——风的平均速度;

zu——测量风速处的高度;

Ψm——积分的动量稳定性函数(Panofsky和Dutton,1984)。

根据数据、平均风速、平均绝对温度T和粗糙度z0,显热通量可以从方程式(2-6)和式(2-7)迭代得到。然而,在自然对流条件下,u*不再相关,显热通量只能与平均绝对温度(T)相结合时才能从闪烁仪数据得到

式中　b——经验常数,等于0.48(Kohsiek,1982b)。