CN100454038C - 采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，涉及用激光雷达探测大气湍流折射率结构常数C_n ²廓线和大气相干长度r₀。本发明的激光雷达采用脉冲激光器作为发射光源，望远镜接收的双孔径瑞利散射回波，经反射棱镜聚焦于位置敏感探测器，其位置坐标信号由A/D转换器转换为数字信号，经微处理器处理，得到C_n ²的廓线和大气相干长度r₀。本发明的优点为：可直接获得光斑的重心位置坐标，与现有技术相比，节省了大量的图像数据读取和重心计算时间，从而可以从一个激光脉冲获取多个回波光信号数据。由多个激光脉冲回波光信号数据可计算出不同距离处的大气折射率结构常数C_n ²廓线和大气相干长度r₀，且探测方向灵活、空间分辨率高。

Description

采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达

技术领域：

本发明涉及大气湍流参数探测，特别涉及用激光雷达探测大气湍流折射率结构常数廓线。它适用于大气科学研究，以及环保、气象、航空、激光大气传输、军事等领域。

背景技术：

由于大气湍流的影响，光在大气中传播时，会产生光强起伏和相位起伏。对于成像系统，这会导致成像模糊；对于激光大气传输系统而言，这会严重影响光束的传播质量。描述大气湍流效应的参数通常有：大气相干长度r₀和大气折射率结构常数C_n ²，其中r₀表征所测量光学路径上湍流效应的积分总效果，而C_n ²表征大气中某点的湍流效应，能更精细的描述了大气中湍流的细节。

随着空间目标监测、自适应光学、激光通信和激光武器等现代光学技术的发展，提出了获取空间不同方向上一段距离内的大气折射率结构常数C_n ²廓线的要求。目前，测量大气湍流C_n ²的方法有：飞机、探空气球，微波雷达(Radar)或超声雷达(Sodar)及光学方法(吴晓庆，大气光学湍流、模式与测量技术，安徽师范大学学报(自然科学版)2006 Vol.29(2)：103～107)等。

用飞机、探空气球测C_n ²廓线的方法是：通过测量大气气象参数(温度T，气压P，风速υ，湿度RH)和微温传感器测量温度结构函数D_T(r)，计算出C_n ²。这种方法具有很高的空间分辨率，适合详细研究光学湍流结构。不足之处是只能给出有限数量的廓线，而且探测的空间范围受限，实验代价高，不能进行长时间的连续测量。

用微波雷达测量C_n ²廓线的原理是：波长为λ_R的雷达信号受尺度为λ_R/2的湍涡反射，后向散射信号功率与大气湍流强度成正比，由此测出C_n ²。但由于后向散射功率与湿度起伏有关，需要进行定标才能得到光学湍流，但区别湿度起伏项是十分困难的。用超声雷达测量C_n ²廓线的方法与微波雷达类似，也是要进行定标后才能得到光学湍流。这两种方法的精度都不高。

由于光学方法测量大气湍流的方法有精度高、可连续测量等优点，故发展了多种方式，如Scidar(Scintillation Detection and Ranging)、Generalized Scidar、MASS(Multi-Aperture Scintillation sensor)、DIMM(differential image motionmonitor)等。

其中，Scidar和Generalized Scidar方法是通过检测一定面积上光强或相位分布的相关性，可得到大气折射率结构常数C_n ²的廓线，要求两个光源且间隔一定距离，对光源的要求更为苛刻，而且要求望远镜口径较大，一般在1米以上，这给其应用带来了很大的限制。

MASS是一种低分辨率的湍流廓线仪，给出的C_n ²廓线只有6至7个左右的点组成，空间分辨率低。

DIMM光学方法只能测得大气相干长度r₀，而不能得到大气折射率结构常数C_n ²的廓线。

光学测量方法都需要目标光源，目标光源主要有两类：自然光源和人工光源。其中，自然光源主要是各种自然星体。由于测量系统对光源有一定亮度的要求，利用自然光源需要选择合适的星体，难以做到可以对任意方向测量；人工光源主要是利用激光器、高亮度灯等作为目标光源，这些光源设置的高度有限，多用于水平或近水平路径的湍流测量，同样不易满足对任意方向的测量要求。

下面介绍与本发明有关的现有技术。

位置敏感探测器有位置敏感光电倍增管PSPMT及盖革雪崩二极管G-APD四象限探测器等。

其中：位置敏感光电倍增管PSPMT(position sensitive photomultiplier tube)有多种产品，本发明所称的位置敏感光电倍增管包括其外部电路，作用是：将光敏面上的光斑亮度分布转换为电信号，经其外部电路转换为光斑质心的位置坐标信号。它具有高度的探测灵敏度和位置测量精度。

盖革雪崩二极管(G-APD)四象限探测器现有多种产品，本发明所称的盖革雪崩二极管(G-APD)四象限探测器包括其外部电路，其作用是：将光敏面上的光斑转换为电信号，经其外部电路转换为光斑质心的位置坐标。它的优点是价格便宜，但探测灵敏度和位置测量精度比位置敏感光电倍增管稍差。

脉冲激光发射单元由外触发输入端的脉冲激光器和扩束装置组成，可由外部触发信号控制发射激光脉冲。脉冲激光器的作用是发射脉冲激光；扩束装置的作用是：将脉冲激光器发射的脉冲激光聚焦，使发出的脉冲激光在探测距离内的光斑直径尽可能小。

回波光接收单元由有两个通光孔的双孔板、接收望远镜物镜、小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜组成。大气瑞利散射后向回波光仅能通过双孔板的两个通光孔进入接收望远镜，经小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜输出两束聚焦光束。

发明内容：

本发明的目的是，提供一种采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，该激光雷达采用脉冲激光器作为发射光源，望远镜接收的双孔径瑞利散射回波，经反射棱镜聚焦于位置敏感探测器，其位置坐标信号由A/D转换器转换为数字信号，经微处理器处理，得到大气相干长度r₀和C_n ²的廓线。该激光雷达不仅能获取大气折射率结构常数C_n ²廓线还能同时获取大气相干长度r₀，而且具有探测方向灵活、空间分辨率高的优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达包括：脉冲激光发射单元、回波光接收单元、光电转换单元和数据采集与处理单元；

脉冲激光发射单元由具有外触发输入端的脉冲激光器和扩束装置组成。

回波光接收单元由有两个通光孔的双孔板、接收望远镜物镜、小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜组成。

回波光接收单元在与脉冲激光发射单元光轴平行的条件下，靠近放置。

光电转换单元由反射棱镜和两个位置敏感探测器组成。反射棱镜置于回波光接收单元的聚焦透镜与其焦点之间，两个位置敏感探测器的光敏面分别置于经反射棱镜反射的两个焦点处。

数据采集与处理单元由四通道A/D转换器和微处理器组成。两个位置敏感探测器输出端与四通道A/D转换器的模拟输入端连接，A/D转换器的数字输出端连接到微处理器，微处理器读取并存储数字信号；微处理器输出两种触发信号，一种为激光器触发信号，送到脉冲激光发射单元的外触发输入端，用以控制激光脉冲的发射；另一种为数据采集触发信号，送到四通道A/D转换器的触发信号输入端，，用以控制A/D转换进行数据采集；微处理器将从A/D转换器得到的数据进行存储和运算，得到大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²的廓线，输出到外设。

本发明的优点和效果为：

由于现有的测量方法采用ICCD，该装置需要大量读取图像数据和计算重心的时间，而本发明则采用位置敏感探测器直接获得光斑的重心位置坐标，价格便宜，灵敏度高，且不需要读取图像数据，从而有足够的时间处理一个激光脉冲不同距离处的多个瑞利回波信号。由多个激光脉冲的回波光信号数据计算出不同距离处的大气相干长度r₀和大气折射率结构常数C_n ²廓线，且探测方向灵活、空间分辨率高。

附图说明：

图1为采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达的结构示意图。

其中：1为脉冲激光发射单元、2为回波光接收单元、3为光电转换单元、4为数据采集与处理单元。

其中：11为脉冲激光器  12为扩束装置

21为双孔板 22为望远镜物镜 23为光阑 24为准直透镜 25为干涉滤光片 26为聚焦透镜

31为反射棱镜 32为第二位置敏感光探测器 33为第一位置敏感光探测器

41为A/D转换器 42为微处理器

图2为微处理器工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1可知，采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，包括脉冲激光发射单元1、回波光接收单元2、光电转换单元3和数据采集与处理单元4。

脉冲激光发射单元1、回波光接收单元2均为现有技术；脉冲激光发射单元由具有外触发输入端的脉冲激光器11和扩束装置12组成；回波光接收单元由有两个通光孔的双孔板21、接收望远镜物镜22、小孔光阑23、准直透镜24、干涉滤光片25和聚焦透镜26组成；回波光接收单元1在与脉冲激光发射单元2光轴平行的条件下，靠近放置，使得发射光束和接收光束近似平行。

光电转换单元3由反射棱镜31和两个位置敏感探测器32、33组成。反射棱镜31置于回波光接收单元2的聚焦透镜26与其焦点之间，两个位置敏感探测器32、33的光敏面分别置于经反射棱镜31反射的两个焦点处。

数据采集与信息处理单元4由四通道A/D转换器41、微处理器42组成。两个位置敏感探测器32、33输出端与四通道A/D转换器41的模拟输入端连接，A/D转换器41的数字输出端连接到微处理器42，其作用是将两个位置敏感探测器32、33的光斑质心位置模拟信号通过四通道A/D转换器41转换为数字信号，由微处理器42读取并存储该数字信号；微处理器42输出两种触发信号，一种为激光器触发信号，送到脉冲激光发射单元1的外触发输入端；另一种为数据采集触发信号，送到四通道A/D转换器41的触发信号输入端；微处理器42将从A/D转换器41得到的数据存储，然后运算获得大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²的廓线，输出到外设。

上述光电转换单元3的位置敏感探测器32、33可采用位置敏感光电倍增管，也可采用盖革雪崩二极管四象限探测器。

上述光电转换单元3的反射棱镜31也可采用两个反射镜片。

上述数据采集与处理单元4的微处理器42可采用单片机或DSP(DigitalSignal Processing数字信号处理器)。

由图2可知，本激光雷达探测大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²廓线包括下列步骤：

1、由微处理器42发出两种触发信号，第一种为激光器触发信号，第二种为数据采集触发信号；

2、激光器触发信号送到脉冲激光发射单元1的外触发输入端，触发脉冲激光发射单元1发出脉冲激光；数据采集触发信号由M个等时间间隔Δt的脉冲信号组成，送到四通道A/D转换器41的触发信号输入端，触发四通道A/D转换器41进行模数转换；

上述时间间隔Δt越小，空间分辨率越高，M＝2L/(Δt×c)，其中L为待测的空间距离，c为光速，时间间隔Δt的最小值受到四通道A/D转换器41的转换时间和微处理器42的处理时间限制；

3、脉冲激光大气瑞利散射后向回波光通过双孔板21的两个通光孔进入接收望远镜物镜22，经小孔光阑23、准直透镜24、干涉滤光片25，通过聚焦透镜26输出两束聚焦光束；

4、反射棱镜31将聚焦光束分别反射到两个位置敏感探测器32、33的光敏面上，经两个位置敏感探测器及其外部电路的转换，输出两个光点的模拟坐标信号；

5、四通道A/D转换器41接收到微处理器42的数据采集触发信号后，四个通道同时将接收到的模拟坐标信号转换成数字坐标数据，微处理器读取并存储A/D转换器41输出的数字坐标数据；

6、重复M次步骤5；

7、步骤6完成后，微处理器42再次发出两种触发信号，重复步骤2～步骤6，两次激光器触发信号的间隔时间T应大于脉冲激光器的自由运行周期；

8、重复N-2次步骤7，N为计算大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²所需的脉冲激光发射次数，N一般取30～200；

9、微处理器将数字坐标数据处理成大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²的廓线数据。

上述步骤9所述的微处理器将数字坐标数据处理成大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²廓线的方法有多种，为本领域的普通技术人员所公知。以下所述的是其中的一种方法。

微处理器将数字坐标数据处理成大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²廓线的方法为：

(1)数据的取得

由上述步骤4和步骤5可知：每次数据采集触发信号可得到一组4个数据，分别为两个光点的坐标x₁，y₁，x₂，y₂。

由上述步骤6可知：每个脉冲激光可得到M组数据，用m表示1，2，3，...，M的组序号。t_m表示从激光脉冲发射至接收到第m组数据回波光的时间，t_m＝(m-1)×Δt，其中Δt为数据采集触发信号的时间间隔。S_m＝c×t_m/2，式中c为光速，S_m表示脉冲激光与大气湍流探测激光雷达之间的距离。

由上述步骤7和步骤8可知：N个激光脉冲共得到N个M组数据。

(2)大气相干长度r₀的计算

大气相干长度r₀可由下式计算

$r_0={\left\{\frac{{2f}^2[0.36{(\mathrm{\λ}/d)}^{1/3}-0.242{(\mathrm{\λ}/\mathrm{\μ})}^{1/3}]{\mathrm{\λ}}^{5/3}}{{\mathrm{\δ}}_l^2}\right\}}^{3/5}$

式中λ为波长，d为两通光孔径直径，f为接收光学系统等效焦距，μ为两通光孔径的中心间距。δ_l ²为由N次激光脉冲的回波光点质心距离的方差，

${\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{lm}}^2=<l_i^2>-{<l_i>}^2$ 且 $<l_i^2>=\left(\mathrm{\&Sigma;}{l}_i^2\right)/N,$ <l_i ²>＝(∑l_i)²/N； $l_i=\sqrt{{(x_1-x_2)}^2+{(y_1-y_2)}^2},$ l_i为第i次距离为S_m的脉冲激光对应的两回波光点质心间距离，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)为两束瑞利回波光点的质心坐标。

r₀为S_m距离内的大气相干长度。

(3)折射率结构常数C_n ²廓线的计算

由N个M组数据中相同组序号m的数据计算出l的方差δ_lm ²，按下式计算出折射率结构常数C_n ²在距离S_m内的积分值：

$\stackrel{\&OverBar;}{C_n^2}\left(S_m\right)=\frac{({\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{lm}}^2/f^2)d^{1/3}}{11.6[1-0.694{(d/\mathrm{\&mu;})}^{1/3}]}---\left(1\right)$

式中 $\stackrel{\&OverBar;}{C_n^2}\left(S_m\right)={\&Integral;}_0^{S_m}{C}_n^2\left(x\right){(1-x/S_m)}^{5/3}\mathrm{dx}.---\left(2\right)$

在一段小的距离S_m-S_(m-1)内可以认为C_n ²为常数，公式(2)可写为：

$\stackrel{\&OverBar;}{C_n^2}\left(S_m\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n^2\left(S_i\right){\&Integral;}_{S_{j-1}}^{S_j}{(1-x/S_m)}^{5/3}\mathrm{dx}---\left(3\right)$

由(1)(3)得：

${\mathrm{\&delta;}}_{S_m}^2=c\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_n^2\left(S_j\right){\&Integral;}_{S_{j-1}}^{S_j}{(1-x/S_m)}^{5/3}\mathrm{dx}---\left(4\right)$

式中 $c=\frac{11.6[1-0.694{(d/\mathrm{\&mu;})}^{1/3}]f^2}{d^{1/3}}$ 为常量

式(4)可以写成矩阵方式：G＝WF    (5)

其中G为测量得到的

向量，W为 $c{\&Integral;}_{S_{j-1}}^{S_j}{(1-x/S_m)}^{5/3}\mathrm{dx}$ 矩阵，可由系统参数计算出。F为未知的C_n ²(S_m)向量。有多种方法可以由(5)式解出F，至此可以得到C_n ²沿高度S_m的分布，即得到C_n ²的廓线。

由以上计算过程可见，影响大气相干长度r₀和折射率结构常数C_n ²廓线的是两个回波光焦点距离l的方差δ_lm ²，与l的大小没关系，因此可用反射棱镜将两束光分开，由两个位置敏感探测器探测光点质心。

Claims (5)

1、采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，包括脉冲激光发射单元(1)、回波光接收单元(2)，其特征在于，该激光雷达还包括光电转换单元(3)、数据采集与处理单元(4)；

脉冲激光发射单元(1)在与回波光接收单元(2)光轴平行的条件下，靠近放置；

光电转换单元(3)由反射棱镜(31)和两个位置敏感探测器(32、33)组成；反射棱镜(31)置于回波光接收单元(2)的聚焦透镜(26)与其焦点之间，两个位置敏感探测器(32、33)的光敏面分别置于经反射棱镜(31)反射的两个焦点处；

数据采集与处理单元(4)由四通道A/D转换器(41)、微处理器(42)组成；两个位置敏感探测器(32、33)输出端与四通道A/D转换器(41)的模拟输入端连接，A/D转换器(41)的数字输出端连接到微处理器(42)；微处理器(42)输出两种触发信号，一种为激光器触发信号送到脉冲激光发射单元(1)的外触发信号输入端，另一种为数据采集触发信号送到四通道A/D转换器(41)的触发信号输入端，微处理器(42)将从A/D转换器(41)得到的数据处理成折射率结构常数的廓线数据，输出到外设。

2、根据权利要求1所述的采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，其特征在于，所述光电转换单元(3)的位置敏感探测器(32、33)采用位置敏感光电倍增管。

3、根据权利要求1所述的采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，其特征在于，所述光电转换单元(3)的位置敏感探测器(32、33)采用盖革雪崩二极管四象限探测器。

4、根据权利要求1所述的采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，其特征在于，所述光电转换单元(3)的反射棱镜(31)采用两个反射镜片。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，其特征在于，所述数据采集与处理单元(4)的微处理器(42)采用单片机或DSP。