常用温度脉动仪测量湍流的频谱，频谱范围多在20 Hz以下，无法呈现大气温度起伏的高频特征。介绍一种宽频带低噪声温度脉动仪的设计方法，研制出相应的仪器，并进行了真实大气温度起伏测量实验。结果表明，大气温度起伏具有丰富的高频信息，温度起伏功率谱在更宽的频率范围内存在幂率不变性，部分温度谱在高频部分出现拐点，以更陡的幂率下降，湍流谱的形状以及拐点出现的位置和湍流强度有一定的关系。拓宽了温度起伏功率谱的研究范围，为光波传输的理论研究和技术应用提供了高频湍流谱信息，为非Kolmogorov湍流研究提供了测量手段。

通过以系留气球和探空气球为平台的方式,搭载温度脉动仪在戈壁地区对大气折射率结构常数开展长期测量。对获取的实验数据开展统计分析,探讨了在白天与夜间折射率结构常数的平均情况、高度分布、偏度与峰度、季节的强弱特性等四个方面的内容,结果表明：在测量地区,随高度分布的大气折射率结构常数在白天和夜间的算术平均值和对数平均值的比值会有较大的差异,并且白天和夜间的对数平均值和标准差系数随高度分布各有其特点,表现在随高度整体减小的同时会有起伏出现,尤其是夜间; 白天和夜间的偏度与峰度主要表现出右偏和尖峰特性,在高度分布上有所不同; 季节变化对湍流的强弱分布产生明显影响,集中体现在中性湍流和弱湍流分布情况随高度发生交互变化。

统计分析了2014年4月至5月期间温度脉动仪和超声风速计测量的成都地区折射率结构常数C2n数据。结果显示: 无论是白天还是夜晚,两种方法测量C2n的结果基本一致。与合肥地区相比, C2n的日变化特 征明显但转换时刻存在差异。在10-15～10-13m-2/3量级温度脉动仪和超声风速计测 量C2n的频数分别是74.05%、84.40%;小于10-15的频数分别是24.07%、10.63%;大于10-13的频数 分别是1.89%、4.97%。温度脉动仪和超声风速计测量C2n的关系为y=－8.5694×10－16+0.6520x,相关 系数为99.24%,并简要分析了两种 方法测量C2n偏差的可能原因。

利用温度脉动仪对大气折射率结构常数进行测量, 通过在铁塔上不同测量高度架设温度脉动仪,对戈壁地区近地面层开展长期连续测量。从各测量高度折射率结构常数的累积概率、偏度与峰度、季节变化、高度经验关系等四个方面对大量实验数据统计分析,结果表明: 测量地区大气折射率结构常数白天和夜间的累积概率以18 m为区别界限,表现出明显的不同；所有测量高度折射率结构常数的概率分布均表现出右偏、平峰特性；季节变化对低层折射率结构常数的影响更为明显；测量地区折射率结构常数随高度变化的经验公式表明,白天折射率结构常数随高度递减接近“-2/3”指数, 夜间折射率结构常数的高度变化则是表现出层次性, 低层折射率结构常数随高度递减接近“-0.16”指数, 而高层变化则接近“-1.05”指数。

介绍了双通道恒温风洞检测系统的设计和性能。该系统的双通道恒温风洞有温度、风速稳定,可控温差可调 等优点,通过实验检验了风洞的性能,风洞内部定点温度脉动标准差(最大处0.025℃)比室内 脉动(0.059℃)小,风洞内横向温度场不完全一致,有一定的温度分布,冷热风洞标准差分别 为0.044℃、0.103℃。双通道恒温风洞检测系统主要是用于对QHTP-2温度脉动仪进行各 种实验操作的平台,通过风洞系统实验验证了热源照射对温度脉动仪的测量会产生辐射增温的 影响,在实验条件下的增温大小为0.365℃。

在大气参数中折射率结构常数是一个重要的参数,有多种测量方法,其中利用温度脉动仪进行 测量是一个重要的测量方法。但是可以精确控制的微温度脉动源较难产生,所以至今还没一个标准的温度 脉动源对温度脉动仪进行定标。从热力学原理出发,采用绝热压缩和膨胀气体的方法,研制了一个温度可以 控制的温度脉动源装置,并且对其不确定度进行分析,认为这个装置可以用来标定温度脉动仪。

阐述了非Kolmogorov湍流谱理论以及湍流谱标度指数的测量与计算方法.在近地面多个地点对大气湍流温度起伏进行了多次的实验观测,结果表明:实际大气湍流温度谱标度指数多数不等于-5/3,并且通常在-2到-1之间变化.分析了湍流温度谱标度指数与湍流发展程度的相关性,利用小波分析方法展现了不同湍流强度下湍流温度脉动能量在各尺度之间的分配状态,发现湍流温度谱标度指数的绝对值在一定程度上随湍流强度的增加而增大.

用光学湍流参数自动测量系统对内陆地区和沿海地区光学湍流内外尺度进行了大量的实验观测.分析了湍流尺度的日变化规律,给出了其频数分布.结果表明:两地内尺度的均值为十几mm,外尺度的均值约为2 m;内陆地区内尺度日变化趋势较为复杂,而外尺度的日变化趋势与湍流强度十分相似;沿海地区内外尺度与湍流强度均无明显关系.大气湍流尺度的大小和分布状态是随时间和空间变化的,因此,在估算实际大气湍流对光学系统的影响时,需要实测湍流尺度以便得到准确的结果.

用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪同时测量了常规气象参数和大气折射率结构常数C_n²,分析并找出了该仪器给出的C_n²在转换时刻与热丝温度脉动仪的测量结果差异较大的原因,是由于超声波法测量温度脉动精度太低,只能达到0.01K.同时建立了另一种适用于超声波仪计算C_n²的方法,即利用该仪器准确的常规气象参数计算C_n²,其计算结果与热丝温度脉动仪的测量结果吻合较好.

在使用温度脉动仪测量温度结构常数时,平均时间长度的选择会影响其测量结果.通过实际测量数据的分析和讨论,确定平均时间应该为10s左右,以得到真实可靠的结构常数.由于温度脉动仪在测量时会受到各种因素的影响,为了筛选掉不可靠的测量结果,提出了一种用温度脉动原始数据来对测量结果进行筛选的方法.该方法首先排除了实验纪录中的错误测量数据,其次对于异常的实验数据,如某一层结构常数数据的异常偏大或偏小,需要根据双点温差原始数据的频谱分析来确认数据是否正常,以进一步排除异常的测量结果,尽可能保证用以统计分析的数据真实可靠.