Shack-Hartmann传感器实现湍流大气横向风速精确测量：实验验证与应用拓展

本文主要探讨了Shack-Hartmann传感器在测量湍流大气中横向风速的应用潜力。Shack-Hartmann波前传感器是一种精密的光学仪器，通常用于测定光波前的形状和畸变，但在本文中，作者将其用于一种创新的风速测量方法。他们通过分析子孔径之间的光强度信号时间延迟交叉相关函数，实现了对光传播路径上横向平均风速的精确测量。 在测量原理部分，作者解释了利用传感器的多个子孔径对来捕捉光束在不同位置的微小波动，这些波动反映了风速对光波传播的影响。通过对这些波动进行数学处理，如计算光信号的时间延迟，可以推算出风速的平均值。这种方法特别适用于湍流大气环境，因为其能有效地减少单次测量的随机误差并提供横向平均值，这对于降低风速测量中的不确定性至关重要。 实验结果显示，在水平1公里的湍流大气条件下，使用Shack-Hartmann传感器的不同子孔径对同时测量的横向风速具有高度相关性，相关系数达到0.988。当将多个子孔径对的数据整合后，与现场安装的风速计测量结果相比，两者的趋势保持良好一致性，两次实验的拟合相关系数分别为0.848和0.820，标准偏差也相当稳定，分别为0.372和0.376。这证明了该技术的有效性和准确性。 这一研究扩展了Shack-Hartmann传感器的应用范围，使之不仅仅局限于传统的波前检测，还可以作为一种新型的大气风速测量工具，特别是在难以到达或难以部署传统风速计的复杂环境，如高空或海上。此外，这种无接触、非侵入式的测量方式，对于减少设备损坏和提升测量效率具有显著优势。 这篇文章展示了Shack-Hartmann传感器作为一种新兴的风速测量技术的潜力，为气象学、遥感和大气物理学等领域提供了新的研究视角和应用可能。通过这种方法，科学家和工程师能够更准确地了解和预测大气中的风速变化，这对于许多领域，如航空、能源、气候研究等都有着重要的实际意义。