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近地面大气温度梯度的测量是研究地气间区域水热通量的重要内容之一，温度梯度结合显热通量可计算出大气湍流扩散系数，进而得到地气间的热交换系数。折射法温度梯度测量的基本原理是通过测量点光源在水平方向上传播的成像光斑质心坐标变化来计算温度梯度。测量系统使用安平装置来消除风吹抖动等外界因素的干拢，并通过恒温控制克服了温度效应引起的误差。
本文重点分析了大气温度梯度测量系统的图像采集模块和相应的分析算法。硬件选取了基于Firewire的数字CCD相机。设计了基于Firewire数字CCD相机的图像采集软件，以及图像处理软件。光斑图像处理算法基于类间最大方差法，自适应阈值选取，可在一定范围内适应环境的光强变化。通过2009年3月至4月间进行的外场实验，分别测量了光源与接收端相距24米、1380米温度梯度变化情况。实验结果呈现与理论一致的规律性，说明该系统可以准确测量光斑质心的变化。实验证明在外场应用时，测量系统的内层温度控制精度可以达到0.1℃，满足折射法温度梯度测量要求。
本文在实现大气温度梯度测量的基础上，对光斑质心测量方法的应用范围做了进一步扩展。将其应用在湍流池的研究上，使用四象限探测器对大气相干长度进行测量。实验结果与理论一致说明了该方法的可行性。