CN101980056A - 基于m2因子和光闪烁指数确定大气湍流参数方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于测量M²因子和光闪烁指数(

)来确定大气湍流参数的方法及其实验装置，属于空间激光通信领域。该方法是先将激光器发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流再被光学接收天线接收；然后将接收到的光束分成两束，一束通过M²因子测量仪，另一束通过光闪烁测量仪；最后利用测得的M²因子和光闪烁指数来确定大气湍流参数。实现上述方法的实验装置包括激光器，光学发射天线，光学接收天线，分束器，M²因子测量仪，光闪烁测量仪，数据处理器。本发明的方法及其实验装置不仅能确定大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度参数，且实验装置结构简单，操作测量方便。

Description

基于M2因子和光闪烁指数确定大气湍流参数方法及装置

技术领域

本发明属于空间激光通信领域，特别涉及一种通过测量光束传输因子(M²因子)和光闪烁指数来确定大气湍流参数的方法，以及实现所述方法的实验装置。

背景技术

从激光出现至今，空间激光通信技术以及大气激光通信技术发展迅速。人们已纷纷对星际、星地、空空等激光链路开展理论、模拟、关键技术研究和演示等实验研究。大气湍流是一种非均匀的随机介质，通常可看作包含各种尺度折射率的湍涡的集合，但激光波阵面通过大气湍流时，与湍涡发生相互作用，产生如光束漂移、光束扩展、光强闪烁和误码率等各种湍流效应，这些效应严重影响了激光系统的应用。因此，激光的大气传输效应越来越受到人们的重视，而大气湍流参数则是表征这些激光的大气传输效应的重要参数。因而，确定大气湍流参数的方法成为空间激光通信技术领域研究的热点之一。大气湍流参数包括大气湍流折射率结构常数、大气湍流内尺度和大气湍流外尺度，其中大气湍流折射率结构常数是反映大气湍流光学特性的最重要的参数，而与大气湍流内尺度相比，大气湍流外尺度引起的光传输效应一般都很小。因此，大气湍流参数一般是指大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度，其外尺度参数可忽略不计。而现有的大气湍流参数的测量方法在使用范围和使用条件均会受到一定的限制，并存在诸多问题。

现有技术中，测量大气湍流参数的方法有很多，主要分为两类，一类是非光学测量方法，如双点法和温度脉动法；另一类是光学测量方法，如光闪烁法、到达角起伏法以及光闪烁法与到达角起伏混合法等。

非光学测量方法主要包括以下两种：

1.双点法测量大气湍流折射率结构常数

用惠斯通电桥实验装置直接探测空中两固定点之间的温度差，测量时，让电桥的两个测量臂电阻R₁和R₂分别位于这两个固定点，这两个点之间的距离必须远小于大气湍流的外尺度。于是电桥输出端输出这两个点的温度差，并经过一定的程序处理，可得到大气湍流温度场的结构常数最后，根据大气湍流折射率结构常数

和大气湍流温度场结构常数

之间的关系，计算出

的大小。该方法的缺点是，它只能测定电桥实验装置所在处的大气湍流折射率结构常数

的值。为获得传播路径上的大气湍流折射率结构常数

分布，则必须安装多个电桥，且需要同步处理数据。如果激光传播方向与地面有一定角度向上，实际上就不可能利用此方法来测定传播路径上的

值。

2.温度脉动法

通过测量大气温度的起伏来获得大气湍流折射率起伏特性的间接测量法。该方法存在诸多固有的缺陷，首先温度脉动法使用的金属铂丝只有几微米的直径，容易被折断或被环境污染，所以难以达到测量的实时性，因而它的时间分辨率有限；其次，由于铂丝长度大于大气湍流内尺度，所以沿铂丝长度方向的可分辨湍流尺度大于湍流内尺度，因而它的空间分辨率有限；此外，铂丝与空气进行热交换，它不可避免地会对空气造成一定的扰动。

光学测量方法主要包括以下几种：

1.光闪烁法

利用平面波或球面波的光闪烁指数在大气湍流中的传输规律，通过测量光波的闪烁指数来确定大气湍流参数。具体又发展为双口径光闪烁法、双波长光闪烁法、多口径光闪烁法等多种方法，这些方法均存在各自的缺陷。并且，它们的理论基础均是根据弱起伏条件下的Rytov近似，推导出的光闪烁指数与大气湍流参数之间的关系式，所以，在强起伏条件下，光闪烁法失效。

2.到达角起伏法

通过实验同步测量平面波或球面波的到达角起伏和光强闪烁，从而得到大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度，如文献(Consortini.A，Yi Yi Sun，C.Innocenti，Zhiping Li.Opt.Commun，2003，216，19-23)中所报道的方法。然而，此方法实现的前提是利用平面波或球面波在大气湍流中传输规律，从而不能直接利用激光束，其理论基础仍然是根据弱起伏条件下的Rytov近似推导出的到达角和光闪烁指数随大气湍流参数变化的关系式，所以，在强起伏条件下，这种方法也会失效。

3.激光雷达法

通过测量气溶胶或大气分子的后向散射光的特性参数，如光闪烁指数、到达角起伏方差或接收光点的抖动，反演出大气湍流参数。由于大气分子的散射效率低，使散射光的强度很弱，因而这种方法需要高灵敏度的微光探测技术，测量系统复杂；同时，也受弱起伏条件的限制。此外，有些激光雷达测量大气湍流参数还基于雷达方程的湍流各向同性和平稳性假设条件，这在实际大气中很难得以满足，雷达方程本身的形式尚待进一步完善，此方法还处于初步的探索阶段。因此，如能研究出一种确定大气湍流参数的简单而又准确的测量方法，以及实现所述方法的实验装置，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是为了克服现有技术中所存在的不足，而提出一种基于测量光束传输因子(M²因子)和光闪烁指数来确定大气湍流参数的方法，该方法即是利用M²因子和光闪烁指数均与大气湍流参数有关这一性质，通过测量M²因子和光闪烁指数，从而达到确定大气湍流参数的目的。

本发明的另一目的还在于提供一种实现上述大气湍流参数确定方法的实验装置，通过该实验装置对M²因子和光闪烁指数进行测量，根据测得的M²因子和光闪烁指数来确定大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度参数。

本发明的基本思想是：基于测量M²因子和光闪烁指数来确定大气湍流参数的方法，是先将激光光源发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；然后用分束器将接收到的光束分成两束，一束通过M²因子测量仪，另一束通过光闪烁测量仪；最后利用测得的M²因子和光闪烁指数来确定大气湍流参数大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度。

根据在广义惠更斯-菲涅耳原理和维格纳分布函数方法得到的M²因子在大气湍流中的传输定律[Y.Dan and B.Zhang，Opt.Lett.34，563-565(2009)]，得到M²因子与大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度的函数关系式如下：

$C_n^2{l}_0^{-1/3}=f\left(M^2\right)---\left(1\right)$

式(1)中，为大气湍流折射率结构常数，l₀为大气湍流内尺度，所述式(1)在弱起伏条件和强起伏条件下均成立；

以及，根据弱起伏条件下高斯光束的光闪烁指数公式[A.Ishimaru，Wave Propagationand Scattering in Random Media(Academic Press，New York，1978)]，得到光闪烁指数与大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度的函数关系式如下：

$C_n^{2}g\left(l_0\right)={\mathrm{\σ}}_I^2---\left(2\right)$

式(2)中，

为光闪烁指数，g(l₀)表示大气湍流内尺度l₀的函数关系式。

所述弱起伏条件和强起伏条件的公式[L C.Andrews and R.L.Phillips，Laser BeamPropagation through Random Media(SPIE，2005)]表示为：

${\mathrm{\σ}}_R^2=1.23C_n^2{k}^{7/6}{L}^{11/6}---\left(3\right)$

式(3)中，σ_R ²为Rytov方差；k为光波数，L为光束传输距离，σ_R ²≥1时，表示强起伏条件成立；σ_R ²＜1时，表示弱起伏条件成立；然后分别把测量所得的M²因子和光闪烁指数代入(1)式和(2)式计算，便可得到大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度的值。

本发明为实现上述所述确定大气湍流参数的方法，采用包括激光器，光学发射天线，光学接收天线，分束器，M²因子测量仪，光闪烁测量仪，数据处理器等元器件组成的实验装置来完成。本发明所述实验装置结构简单，操作测量方便。

为实现本发明的目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明提出的基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的方法，包括以下步骤：

(1)将激光器发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；

(2)然后用分束器将光学接收天线接收到的高斯准直光束分成两束，一束通过光束传输因子(M²因子)测量仪，另一束通过光闪烁指数

测量仪；

(3)最后根据M²因子测量仪和光闪烁指数测量仪所测得的数值来确定大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度值；

所述高斯光束均为完全相干高斯光束，且M²因子和光闪烁指数满足以下两个函数关系式：

$C_n^2{l}_0^{-1/3}=f\left(M^2\right)---\left(1\right)$

$C_n^{2}g\left(l_0\right)={\mathrm{\σ}}_I^2---\left(2\right)$

式(1)中，

为大气湍流折射率结构常数，l₀为大气湍流内尺度，f(M²)表示M²因子的函数关系式；式(2)中，

为光闪烁指数，g(l₀)表示大气湍流内尺度l₀的函数关系式。

本发明提供一种实现上述方法的实验装置，按照本发明，所述实验装置包括激光器，光学发射天线，光学接收天线，分束器，M²因子测量仪，光闪烁测量仪，数据处理器；所述实验装置由激光器发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；然后用分束器将光学接收天线接收到的高斯准直光束分成两束，一束通过M²因子测量仪，另一束通过光闪烁测量仪；最后根据M²因子测量仪和光闪烁测量仪测得的数值来确定大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度。

上述技术方案中，所述发出高斯光束的激光器为Nd:YAG激光器，或光纤激光器。

上述技术方案中，所述光学发射天线为开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

上述技术方案中，所述光学接收天线为卡塞格伦望远镜，或牛顿望远镜，或开普勒望远镜。

上述技术方案中，所述分束器其工作波长与所用激光器的波长相同。

上述技术方案中，所述M²因子测量仪为ModeMaster PC型M²因子测量仪，或BP 1M2系列M²因子测试仪，或M2-200系列M²因子测量系统。

上述技术方案中，所述光闪烁指数测量仪为LAS/XLAS大口径闪烁仪，或BLS450大口径闪烁仪。

上述技术方案中，所述数据处理器为安装有所编制的计算程序的计算机。

本发明与现有技术相比具有以下特点及有益技术效果：

1、本发明提出的一种基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的方法，在把实验测量值用于计算过程中，由于依据的公式(1)是从近轴形式的广义惠更斯-菲涅耳原理这一基本规律直接出发推导出来的[Y.Dan and B.Zhang，Opt.Lett.34，563-565(2009)]，没有使用任何近似，故与现有的方法相比，所得到的大气湍流参数的结果更加准确。

2、本发明提出的基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的方法，在把实验测量值用于计算过程中，由于依据的公式(1)是从近轴形式的广义惠更斯-菲涅耳原理这一基本规律直接出发推导出来的[Y.Dan and B.Zhang，Opt.Lett.34，563-565(2009)]，因而所用的M²因子公式在强起伏条件下也成立，而大气湍流内尺度一般在1mm-10mm范围之内，故在强起伏条件下，仍可以在一个数量级内确定大气湍流折射率结构常数，所以本发明提出的测量方法比现有的方法适用范围更广。

3、本发明提供的实现一种基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的实验装置，其光学元件无特殊要求，且结构简单，操作测量方便。

附图说明

图1是本发明实现一种基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数方法的实验装置的结构示意图。

图中，1-激光器，2-光学发射天线，3-光学接收天线，4-分束器，5-M²因子测量仪，6-光闪烁测量仪，7-数据处理器。

具体实施方式

下面结合附图，并通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不意味着对本发明内容的任何限定。

本发明实现一种基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的方法提供的实验装置结构如图1所示。图1中，包括输出高斯光束的激光器1，光学发射天线2，大气湍流，光学接收天线3，分束器4，M²因子测量仪5和光闪烁测量仪6，数据处理器7。由图1，所述激光器1输出的高斯光束，经光学发射天线2准直后发射，进入大气湍流，大气湍流使所述高斯光束的M²因子增加和光强起伏；所述高斯光束在大气湍流中传输一段距离后被光学接收天线3接收，再经分束器4分成两束光，一束进入M²因子测量仪5，所述M²因子测量仪5输出接收到的光束的M²因子并传送到数据处理器7；与此同时，另一束进入光闪烁测量仪6，所述光闪烁测量仪输出接收到的光束的光闪烁指数并传送到数据处理器7。最后，所述数据处理器7按所编制的计算程序处理后，输出大气湍流折射率结构常数

和大气湍流内尺度l₀。

实施例1

本实施例中所用激光器1为Nd:YAG激光器，其波长为1064nm；光学发射天线2为开普勒望远镜；大气湍流为均匀分布的大气湍流；所用光学接收天线3为卡塞格伦望远镜；分束器4是工作波长为1064nm的分束器，与所用Nd:YAG激光器1波长相同；M²因子测量仪5为ModeMaster PC型M²因子测量仪；光闪烁指数测量仪6为LAS/XLAS大口径闪烁仪；所用光学发射天线2和光学接收天线3相距L＝2km。

本实施例通过如图1所示的实验装置结构来实现基于M²因子和光闪烁指数以确定大气湍流参数的方法。按图1的实验装置结构安装好各光学元件，其光路过程描述：所述Nd:YAG激光器1输出完全相干高斯光束，其中心波长为1064nm，所述高斯光束经光学发射天线2准直并放大后，变成束腰宽度W₀为10mm的准直高斯光束，随后该准直高斯光束在大气湍流中传输距离2km后被光学接收天线3接收，再经1064nm分束器4分成两束，一束进入M²因子测量仪5，该M²因子测量仪5输出接收到的光束的M²因子再传送到数据处理器7；与此同时，另一束进入光闪烁测量仪6，该光闪烁测量仪6输出接收到的光束的光闪烁指数再传送到数据处理器7。最后，该数据处理器7按所编制的计算程序处理后，即可输出大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度l₀。

所述数据处理器7为安装有所编制的计算程序的计算机，所述计算程序采用MATLAB7.0编写。该计算程序可以是直接用命令行组成的M文件，或者是GUIDE方式和命令行M文件方式创建的一个GUI程序，所述计算程序处理数据的基本步骤如下：

1)为计算程序的参数赋值：高斯光束波长λ，束腰宽度w₀，及传输距离L，并输入M²因子和光闪烁指数测量值；

2)判断光闪烁指数测量值是否小于1，如果是则执行弱起伏条件下的计算程序A)；否则执行强起伏条件下的计算程序B)；

A)弱起伏条件下的计算程序：

A1)利用公式(1)计算出f(M²)的值；

A2)利用公式(1)和公式(2)得方程：

并用数值方法求解此方程，得大气湍流内尺度l₀；

A3)将计算出的大气湍流内尺度l₀代入公式(1)，即可算出大气湍流折射率结构常数

A4)进一步将计算出的大气湍流内尺度l₀和大气湍流折射率结构常数

代入公式(3)，计算Rytov方差

并判断它是否小于1，如果小于1，则将计算出的

和l₀作为最终结果直接输出，同时输出

的值；否则，执行强起伏条件下的计算程序B)。

B)强起伏条件下的计算程序：

B1)将大气湍流内尺度l₀取为通常值，即l₀＝1mm；

B2)将大气湍流内尺度l₀＝1mm及M²因子测量值代入公式(1)，即可计算出大气湍流折射率结构常数并输出其值作为强起伏条件下测量的结果，同时输出大气湍流内尺度l₀＝1mm，以及由(3)式计算出的Rytov方差

的值。

本实施例测得接收光束的光束传输M²因子为1.5，光闪烁指数为0.0299，通过上述实施例，输出Rytov方差为0.069，大气湍流折射率结构常数C_n ²为6.2×10^-16m^-2/3，大气湍流内尺度l₀为10mm，从而实现了通过光束传输M²因子和光闪烁指数确定出大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度。

实施例2

本实施例中将实施例1中所用激光器1替换为光纤激光器，其中心波长为1550nm；光学发射天线2替换为伽利略望远镜；大气湍流仍为均匀分布的大气湍流；光学接收天线3替换为牛顿望远镜，分束器4替换为工作波长是1550nm的分束器，M²因子测量仪5替换为M2-200系列M²因子测量系统，光闪烁指数测量仪6替换为BLS450大口径闪烁仪，数据处理器7仍与实施例1中所述数据处理器相同；然后按图1的实验装置结构安装好各光学元件，其他操作实验步骤和计算过程与实施例1相同，同样可以通过测量得到的M²因子和光闪烁指数确定出大气湍流折射率结构常数

和大气湍流内尺度l₀的值。

Claims (9)

1.一种基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的方法，包括以下步骤：

(1)将激光器发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；

(2)然后用分束器将光学接收天线接收到的高斯准直光束分成两束，一束通过光束传输因子(M²因子)测量仪，另一束通过光闪烁指数

测量仪；

(3)最后根据M²因子测量仪和光闪烁测量仪所测得的数值来确定大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度值；

所述高斯光束均为完全相干高斯光束，且M²因子和光闪烁指数满足以下两个函数关系式：

$C_n^2{l}_0^{-1/3}=f\left(M^2\right)---\left(1\right)$

$C_n^{2}g\left(l_0\right)={\mathrm{\σ}}_I^2---\left(2\right)$

式(1)中，

为大气湍流折射率结构常数，l₀为大气湍流内尺度，f(M²)表示M²因子的函数关系式；式(2)中，

为光闪烁指数，g(l₀)表示大气湍流内尺度l₀的函数关系式。

2.一种实现权利要求1所述方法的实验装置，其特征在于包括激光器(1)，光学发射天线(2)，光学接收天线(3)，分束器(4)，M²因子测量仪(5)，光闪烁测量仪(6)，数据处理器(7)；所述实验装置由激光器(1)发出的高斯光束经过光学发射天线(2)准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流后被光学接收天线(3)接收；然后用分束器(4)将光学接收天线接收到的高斯准直光束分成两束，一束通过M²因子测量仪(5)，另一束通过光闪烁测量仪(6)；最后根据M²因子和光闪烁测量仪测得的数值确定大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于所述发出高斯光束的激光器(1)为Nd:YAG激光器，或光纤激光器。

4.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于所述光学发射天线(2)为开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

5.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于所述光学接收天线(3)为卡塞格伦望远镜，或牛顿望远镜，或开普勒望远镜。

6.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于所述分束器(4)其工作波长与所用激光器(1)的波长相同。

7.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于所述M²因子测量仪(5)为ModeMaster PC型M²因子测量仪，或BP 1M2系列M²因子测试仪，或M2-200系列M²因子测量系统。

8.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于所述光闪烁指数测量仪(6)为LAS/XLAS大口径闪烁仪，或BLS450大口径闪烁仪。

9.根据权利要求2或3所述的实验装置，其特征在于所述数据处理器(7)为安装有所编制的计算程序的计算机。

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