Untersuchung der optischen Turbulenz

Variationen im Brechungsindex der Luft beeinflussen die Wellenausbreitung im gesamten elektro-optischen Wellenlängenbereich. Der Brechungsindex der Luft ist eine Funktion der Temperatur, der Luftfeuchte und des Luftdruckes. In den betrachteten Bedingungen der bodennahen atmosphärischen Grenzschicht sind hochfrequente Druckvariationen zu vernachlässigen. Der Brechungsindex ist reziprok zur betrachteten Wellenlänge λ², d.h. er wirkt sich auf langwellige Strahlung geringer aus als auf kurzwellige. Für Wellenlängenbereiche im sichtbaren und nahen Infrarot sind Temperaturfluktuationen dominant und beschreiben hinreichend die Fluktuationen im Brechungsindex. In der Abbildung ist die Auswirkung der Turbulenz auf eine ebene Wellenfront schematisch dargestellt.

Die Stärke der Fluktuationen im Brechungsindex der Luft wird beschrieben durch den Strukturfunktionsparameter des Brechungsindex der Luft, C_n², die sogenannte optische Turbulenz. Die optische Turbulenz ist die Größe mit der atmosphärische Korrekturfaktoren in der Wellenausbreitung elektro-optischer oder Lasersysteme beschrieben werden. C_n² wird auch als Turbulenzparameter eingesetzt um in der Simulation die Qualität von Messsystemen zu bewerten und im operationellen Einsatzbereich vorherzusagen.

Die optische Turbulenz ist abhängig von thermischen (Erwärmung) und mechanischen (Windscherung, d.h. Zunahme der horizontalen Windgeschwindigkeit mit der Höhe aufgrund des nachlassendem Einfluss der Erdreibung) Einflüssen. Daher ist die optische Turbulenz zeitlich und räumlich sehr variabel und erfordert eine genaue Beschreibung der meteorologischen Bedingungen.

Zusätzlich verfügt das Fraunhofer IOSB über eine Datenbank von bodennahen C_n²-Werten über Wasser und über Land, die an ausgewählten Orten weltweit gemessen wurden.