CN102636270B - 一种大气相干长度的光学测量仪器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气相干长度的光学测量仪器和方法，其中大气相干长度的光学测量仪器包括氦氖激光发射单元(1)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)；激光发射单元1包括发射激光的氦氖激光器11和扩束装置12，氦氖激光器11发射的激光束经扩束装置12扩束后，经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元(2)；本发明还阐述了其测量方法。本发明的优点在于：本发明可以很好的克服大气湍流内外尺度对测量方法的影响，使测量结果更合理，所使用的位置敏感探测器可直接给出位置信号及相对光强信号，节约了内存，同时降低了对计算机的要求。

Description

一种大气相干长度的光学测量仪器及方法

技术领域

本发明属于一种大气相干长度的光学测量仪器及方法，具体是一种测量近地面光传输路径上大气相干长度的仪器。它适用于大气科学研究，以及天文学、大气光学、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，在天文学中大气湍流引起的光波前起伏使接收光学望远镜的实际分辨率与大气相干长度密切相关。随着空间目标监测，自适应光学，激光通信等现代光学技术的发展，提出了获取光传输路径上大气相干长度的要求。目前主要有两种测量大气相干长度的方法，一种是单纯利用到达角起伏来测量传输路径上大气相干长度的仪器，这种仪器受使用环境的影响较大，与所处环境的大气湍流特征尺度有关，要求环境稳定(如室内)，发射光源本身无抖动等，这必然会限制其使用范围。第二种测量大气相干长度的方法是DIMM(differential image motion monitor)，也是当前较为主流的测量方法。该方法是利用一个光源在两个相距不远的位置上成像光斑质心的距离方差来反演大气相干长度的值，其优势在于回避了利用只成一个单独像测量其质心的到达角起伏来反演大气相干长度值时机械振动、光源本身抖动等因素引起的测量误差，但在实际应用时，成像器件往往选用CCD或ICCD等光电产品，这些器件的使用增加了成本，同时也使得测量受到限制。如采样率较低，必然导致损失了大气湍流的高频特性，在要求采样数满足统计规律的前提下也加长了采样时间，降低了实时性。而且这类器件通常是对整个成像图片进行处理，需要占用大量的内存资源，不利于工程集成和实时测量。

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水平大气相干长度测量仪及测量方法。该测量仪采用氦氖激光器作为发射光源，针孔光阑选取畸变的波面成像在位置敏感探测器上，其位置坐标信号及相对光强信号由A/D转换器转换为数字信号，经采集处理和分析，得到大气相干长度的值。该大气相干长度测量仪不仅能够实时获得大气相干长度的值，而且具有测量精度高，测量不确定度小的优点，同时也降低了不同大气湍流特征尺度条件下带来的方法误差。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大气相干长度的光学测量仪器，包括氦氖激光发射单元(1)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)；

激光发射单元(1)包括发射激光的氦氖激光器(11)和扩束装置(12)，氦氖激光器(11)发射的激光束经扩束装置(12)扩束后，经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元(2)；

激光接收及光电转换单元(2)沿光路依次包括衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)、反射镜(24)、反射镜(25)和位置敏感探测器(27)；入射至激光接收及光电转换单元(2)的光束依次经过衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)和位置敏感探测器(27)；其中从小孔光阑(22)至第一反射镜(24)的位置固定，从第一反射镜(24)至第二反射镜(25)位置固定，从第二反射镜(25)至位置敏感探测器(27)的距离由标尺(26)给出，位置敏感探测器(27)进行光电转换得到光束的相对光强信号、位置信号共3路模拟信号，并将该3路模拟信号输出至数据采集单元(3)；

数据采集单元(3)包括A/D转换器(31)和数据采集卡(32)，A/D转换器(31)将3路模拟信号转换为数字信号传送至数据采集卡(32)，数据采集卡(32)输出至数据处理与分析单元(4)；

数据处理与分析单元(4)将从数据采集卡中得到的数据处理分析后给出光传输路径上的大气相干长度。

所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述衰减片(21)采用吸收型中性衰减片。

所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述小孔光阑(22)采用圆形针孔。

所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述滤光片(23)采用窄带干涉滤光片。

所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述第一反射镜(24)、第二反射镜(25)均为镀膜的全反射镜。

所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述标尺(26)为精密位移台。

所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述位置敏感探测器(27)采用位置敏感光电倍增管。

测量大气相干长度r₀的方法，其特征在于当一束平面波经局地均匀各向同性大气湍流传输后，在几何近似条件(L＜＜l₀ ²/λ)下，有如下关系式成立

$<a^2>=3.28c_n^{2}L{l}_0^{-1/3}---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=12.8C_n^2{L}^3{l}_0^{-7/3}---\left(2\right)$

其中L为光束传输路径长度、l₀为大气湍流内尺度、C_n ²为大气折射率结构常数、<α²>为到达角起伏均方、为光强闪烁指数，其定义为

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}}{d}---\left(3\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=\frac{<I^2>-{<I>}^2}{{<I>}^2}---\left(4\right)$

其中d为针孔至位置敏感探测器的距离，<…>表示统计平均。

测量光传输路径的大气相干长度时，一般认为沿光束传输路径上的大气湍流是近似均匀的，根据大气相干长度与大气折射率结构常数的积分关系，对在水平光程为L，波长为λ的平面波，r₀与大气折射率结构常数的关系为：

$r_0={\left\{\frac{2.91}{6.88}{k}^2{\&Integral;}_0^L{C_n}^2\left(L\right)\mathrm{dL}\right\}}^{-3/5}$

其中k＝2π/λ。

可以给出大气相干长度的值为

$r_0=0.3287{\mathrm{\&lambda;}}^{6/5}{L}^{-1/5}{<a^2>}^{-7/10}{<{\mathrm{\&sigma;}}_I^2>}^{1/10}---\left(6\right)$

从上述关系可以看出，通过测量经大气湍流传输后光束的到达角起伏以及光强闪烁，即可得到大气相干长度r₀的值。

本发明的优点和效果为：

1由于现有的测量的仪器多用CCD或ICCD，这种方法需要大量读取图像灰度值，必然会影响计算速度。而本发明中使用的位置敏感探测器可直接给出位置信号及相对光强信号，节约了内存，同时降低了对计算机的要求。

2使用本发明可以很好的克服大气湍流内外尺度对测量方法的影响，使测量结果更合理。

附图说明

图1为采用位置敏感探测器的大气相干长度测量仪的结构示意图。

其中：1为激光发射单元、2为激光接收及光电转换单元、3为数据采集单元、4为数据处理与分析单元；

11为氦氖激光器，12为扩束装置；21为衰减片，22为小孔光阑，23为滤光片，24、25为反射镜，26为标尺，27为位置敏感探测器；31为A/D转换器，32为数据采集卡；41为PC机。

图2为数据处理与分析单元工作流程图。

图3是本发明在不同风速不同温度条件下大气相干长度的变化情况。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1，大气相干长度测量仪，包括激光发射单元1、激光接收及光电转换单元2、数据采集单元3、数据处理与分析单元4；激光发射单元1包括发射激光的氦氖激光器11和扩束装置12，氦氖激光器11发射的激光束经扩束装置12扩束后经湍流大气传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元2；激光接收及光电转换单元2沿光路依次包括衰减片21、小孔光阑22、滤光片23、反射镜24、反射镜25和位置敏感探测器27；入射至激光接收及光电转换单元2的光束依次经过衰减片21、小孔光阑22、滤光片23，反射镜24、反射镜25后到达位置敏感探测器27。

建立直角坐标，小孔光阑22的位置为(0，0)，滤光片23的位置为(5，0)，反射镜24的位置为(30，0)，反射镜25的位置为(0，-25)，标尺26的中心位置坐标(31，-25)，位置敏感探测器27的位置(x，-25)，其中，x是相对标尺26中心的位移，其中从小孔光阑22至反射镜24的位置固定(小孔光阑22距滤光片23的位置为5cm，距反射镜24的位置为30cm，反射镜24至25的距离为39cm，反射镜25距标尺中心距离为31cm，这样总距离为100cm，所以，从小孔光阑22到位置敏感探测器27的距离就是100±x，一般使x处于0的状态)，从滤光片23到反射镜24、反射镜25全程光路呈“Z”字型，全程光路距离为100cm，反射镜24、反射镜25位置固定，从反射镜25至位置敏感探测器27的距离由标尺26给出，位置敏感探测器27进行光电转换得到光束的相对光强信号、位置信号(x、y两个方向)共3路模拟信号，并将该3路模拟信号输出至数据采集单元3；数据采集单元3包括四通道A/D转换器31和数据采集卡32。A/D转换器31将该3路模拟信号转换为数字信号传送至数据采集卡32，数据采集卡32输出至数据处理与分析单元4，经数据处理与分析单元4处理和分析(见测量原理及方法)，得到大气相干长度的值。

其中，激光发射单元中的氦氖激光器(11)输出的中心波长为632.8nm，输出功率30mw，光束直径0.65mm，具有体积小、重量轻，便于集成的优点，所配置的扩束装置(12)扩束倍数为10，经该扩束装置扩束后的光束可视为平面波。

氦氖激光束经大气湍流传输至接收窗口后，经中性衰减片(21)衰减一次，能量已大为降低，这就避免了损坏位置敏感探测器(27)的可能。通过小孔光阑(22)后成像于位置敏感探测器的光敏面上，其中窄带干涉滤光片(23)可以降低杂散光对测量值的影响，从而提高性噪比，两反射镜24的作用在于增加光程的基础上缩小体积。标尺的读数方法为：小孔光阑(22)至反射镜(24)的距离d₁+反射镜(24)至反射镜(25)的距离d₂+反射镜(25)的距离至位置敏感探测器的距离d₃±标尺指示的读数d₀

为便于计算，前三项距离和可设计为1m，即标尺给出的值d为：d＝1±d₀

进行测量时，首先设置采样率，样本数，传输距离L，以及成像距离d等参数。设置完毕后随即触发采集信号，以采样率300Hz，样本数3000为例，即每10秒计算一次大气折射率结构常数的值。当触发采集信号后，开始采集光斑的相对光强信号，位置信号(x，y两个方向)共3路。每采集一帧将其转换为数字信号并保存至内存中，采集满3000个样本数后做一次统计运算，给出这3000个样本值的光强起伏和到达角起伏及这组数据的一个大气相干长度的值。

测量原理及方法：

当一束平面波经局地均匀各向同性大气湍流传输后，在几何近似条件(L＜＜l₀ ²/λ)下，有如下关系式成立

$<a^2>=3.28C_n^2{\mathrm{Ll}}_0^{-1/3}---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=12.8C_n^2{L}^3{l}_0^{-7/3}---\left(2\right)$

其中L为光束传输路径长度、l₀为大气湍流内尺度、C_n ²为大气折射率结构常数、<α²>为到达角起c伏均方、为光强起伏指数，其定义为

$a=\frac{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}}{d}---\left(3\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=\frac{<I^2>-{<I>}^2}{{<I>}^2}---\left(4\right)$

其中d为小孔光阑22至位置敏感探测器27的距离，<…>表示统计平均。

测量光传输路径的大气相干长度时，一般认为沿光束传输路径上的大气湍流是近似均匀的，根据大气相干长度与大气折射率结构常数的积分关系，对在水平光程为L，波长为λ的平面波，r₀与大气折射率结构常数的关系为：

$r_0={\left\{\frac{2.91}{6.88}{k}^2{\&Integral;}_0^L{C_n}^2\left(L\right)\mathrm{dL}\right\}}^{-3/5}---\left(5\right)$

其中k＝2π/λ。

可以给出大气相干长度的值为

$r_0=0.3287{\mathrm{\&lambda;}}^{6/5}{L}^{-1/5}{<a^2>}^{-7/10}{\left({\mathrm{\&sigma;}}_I^2\right)}^{1/10}---\left(6\right)$

从上述关系可以看出，通过测量经大气湍流传输后光束的到达角起伏以及光强起伏，即可得到大气相干长度r₀的值。

典型实验结果：

图3是本发明在实验室给定不同风速不同温度条件下的大气折射率结构常数的变化情况，沿纵轴自上而下风速依次为1.04m/s、0.78m/s、0.66m/s、0.56m/s、0.48m/s。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，包括氦氖激光发射单元(1)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)；

激光发射单元(1)包括发射激光的氦氖激光器(11)和扩束装置(12)，氦氖激光器(11)发射的激光束经扩束装置(12)扩束后，经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元(2)；

激光接收及光电转换单元(2)沿光路依次包括衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)，第一反射镜(24)、第二反射镜(25)和位置敏感探测器(27)；入射至激光接收及光电转换单元(2)的光束依次经过衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)后到达位置敏感探测器(27)；其中从小孔光阑(22)至第一反射镜(24)的位置固定，从第一反射镜(24)至第二反射镜(25)位置固定，从第二反射镜(25)至位置敏感探测器(27)的距离由标尺(26)给出，位置敏感探测器(27)进行光电转换得到光束的相对光强信号、位置信号，其中位置信号包括x、y两个方向，共3路模拟信号，并将该3路模拟信号输出至数据采集单元(3)；所述小孔光阑(22)采用圆形针孔；

数据采集单元(3)包括A/D转换器(31)和数据采集卡(32)，A/D转换器(31)将3路模拟信号转换为数字信号传送至数据采集卡(32)，数据采集卡(32)输出至数据处理与分析单元(4)；

数据处理与分析单元(4)将从数据采集卡中得到的数据处理分析后给出光传输路径上的大气相干长度。

2.根据权利要求1所述的大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，所述衰减片(21)采用吸收型中性衰减片。

3.根据权利要求1所述的大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，所述滤光片(23)采用窄带干涉滤光片。

4.根据权利要求1所述的大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，所述第一反射镜(24)、第二反射镜(25)均为镀膜的全反射镜。

5.根据权利要求1所述的大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，所述标尺(26)为精密位移台。

6.根据权利要求1所述的大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，所述位置敏感探测器(27)采用位置敏感传感器。

7.根据权利要求1至6任一所述光学测量仪器测量大气相干长度r₀的方法，其特征在于，所述数据处理与分析单元(4)将从数据采集卡中得到的数据进行处理分析的原理方法为：当一束平面波经局地均匀各向同性大气湍流传输后，在几何近似条件L＜＜l₀ ²/λ下，有如下关系式成立：

$<{\mathrm{\&alpha;}}^2>=3.28C_n^2{\mathrm{Ll}}_0^{-1/3}---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=12.8C_n^2{L}^3{l}_0^{-7/3}---\left(2\right)$

其中L为光束传输路径长度、I₀为大气湍流内尺度、C_n ²为大气折射率结构常数、＜α²＞为到达角起伏均方、为光强闪烁指数，其定义为：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}}{d}---\left(3\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_I^2=\frac{<I^2>-{<I>}^2}{{<I>}^2}---\left(4\right)$

其中d为圆形针孔至位置敏感探测器的距离，＜…＞表示统计平均；I为激光束的强度；测量光传输路径的大气相干长度时，一般认为沿光束传输路径上的大气湍流是近似均匀的，根据大气相干长度与大气折射率结构常数的积分关系，对在光束传输路径长度为L，波长为λ的平面波，r₀与大气折射率结构常数的关系为：

$r_0=\{\frac{2.91}{6.88}{k}^2{\&Integral;}_0^L{C_n}^2\left(L\right)\mathrm{dL}{\}}^{-3/5}---\left(5\right)$

其中k＝2π/λ；

给出大气相干长度的值为

$r_0=0.3287{\mathrm{\&lambda;}}^{6/5}{L}^{-1/5}<{\mathrm{\&alpha;}}^2{>}^{-7/10}{\left({\mathrm{\&sigma;}}_I^2\right)}^{1/10}---\left(6\right)$

从上述关系看出，通过测量经大气湍流传输后光束的到达角起伏以及光强闪烁，即得到大气相干长度r₀的值。