CN102840963A - 大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合气流发生装置，特别是涉及一种大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，包括气流发生装置主体、湍流循环系统、进气口、多光程系统、光学观察窗口、气体参数传感器和DSP控制器；本发明产生的湍流方式更多，不仅可以模拟不同气压、不通组分的气体，而且还可以模拟平流、对流，采用了外部的冷风与热风循环系统，系统的温度稳定性和可控性更强，并且在循环控制器中通过不同的旋流引导装置产生不同的风场，以模拟更复杂的大气湍流环境；采用基于改进的Harriet多光程系统，只需要一个复合气流装置，当反射次数在500以上时，则光程就达到了500米以上，克服了由于级联而带来的成本，使用复杂等问题。

Description

大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置

技术领域

本发明涉及一种复合气流发生装置，特别是涉及一种大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置。

背景技术

激光在大气中传输与激光通信、光学雷达、卫星遥感、远距测量、激光武器等方面的应用密切相关，由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。然而激光在大气中传输是一个非常复杂的随机过程，由于大气折射率的随机起伏，激光在大气湍流中传输一定距离后，光束将发生扩展，光强将出现起伏，光束所带的信息受到不同程度的破坏或丢失，这些都严重地影响了激光通信的性能。如何准确的建立激光与大气的动力学行为成为了激光在大气中传输的首要问题，然而实际的大气环境是一个随机的过程，各种实验不具备重复性和可操作性，很难找到一个普适的研究结论，因此在实验室内，设计一种能产生不同气体组分，不同压强，不同光程，不同旋流方式，不同风速，不同湍流方式的可以标定、加压、真空的复合气流发生装置就成了一个最主要一种研究手段。

大气环境是一种随机场，包含了多种参数情况，如压强、气体组分、风速、通信的距离、旋流方式等，目前国内外的模拟装置基本都是单一的参数可控发生装置，如中国专利号为201020699835.8的大气湍流模拟装置，采用空气为介质，通过装置的底部加热板和装置的顶部的制冷版形成大气的对流湍流方式的一种模拟装置；又如中国专利号为201010605579.6的热风式湍流模拟装置，在装置的顶部有两个孔，一个是吹进经过加热丝的热风，另一个安装了抽风机，用于将经过装置内部后的热风输出，其中的风速是可控的；又如中国专利号为200810041656.2的空气湍流运动模拟微型模拟装置，通过控制器控制热风湍流的形成，该装置可以级联。

中国专利号00221591.8，介绍了一种对流湍流发生池，该池也是通过在底部加热，顶部制冷的方式产生对流湍流，不过它采用是利用油介质来加热的，并在加热后的的油上放置一个平板，从而使得加热均匀。

以上的专利几乎都是采用单一或是两个大气湍流参数而设计的简单大气湍流发生装置，在某些场合的实验已经足够，然而不具备一种普适研究条件。

中国专利号201110042703.7，提出了一种大气环境模拟装置，可以模拟不同气压，不同气体、不同温度、湿度等大气环境，整个模拟装置被密闭在一个圆柱体内部，而且模拟装置可以进行级联构成多级气流发生装置来增加光程。然而对于研究激光与大气的分子相互作用的研究，那么必须考虑的因素有：（1）不同的湍流，如平流、对流、湍流；（2）多光程的实现，因为实际的激光通信，当距离较近时，大气湍流对激光的印象是微小的，当进行远距离实验时，此专利需要尽可能多的单节模拟装置级联，每节是1m，如果要达到100m，需要100节，实现起来的难度比较大，而且在级联的时候，由于多次经过光学窗口，这也会造成实验误差；（3）加热、制冷、风扇灯安装在装置的内部，这易造成光学系统的热和冷的变形和震动，同样会造成实验误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种大气湍流与激光相互作用的多功能复合气流发生装置。

本发明的一种大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，包括气流发生装置主体、湍流循环系统、进气口、多光程系统、光学观察窗口、气体参数传感器和DSP控制器。

所述气流发生装置主体为一个密闭的立方体结构，所述的湍流循环系统包括热风循环系统和冷风循环系统，所述气流发生装置主体的一侧设置所述热风循环系统，所述气流发生装置主体的另一侧设置所述冷风循环系统，所述热风循环系统与所述冷风循环系统在气流发生装置内部的前面汇合，在气流发生装置内部的后面分流。

所述进气口设置在所述气流发生装置主体上端，用于向气流发生装置主体内部加入不同组分的气体，所述进气口处设置有控制阀门，通过控制阀门对气流发生装置主体内加压或抽真空以实现多种方式的大气环境模拟。

所述多光程系统设置在所述复合气流装置主体中部的湍流区域内，多光程系统采用改进的Herriot型长光程模拟装置，包括平面反射镜和凹面反射镜。

所述光学观察窗口，位于所述的复合气流主体的上端中间，位于湍流形成的顶部，用于观测激光与各种状态下的气体相互作用的光学参数测量。

所述气体参数传感器设置在所述复合气流装置主体内，包括温度传感器，湿度传感器，压力传感器和风速传感器，分别用于检测气体的温度、湿度、压力和风速。

所述DSP控制器设置在所述复合气流主体的外部，所述DSP控制器用于处理所述气体参数传感器数据、分析、存储和显示，同时还检测和控制所述湍流循环系统的温度与风速。

所述气流发生装置主体为长方体钢质结构，钢板的厚度在3mm以上，所述气流发生装置主体包括一个可以打开的上盖，上盖的四周采用密封橡胶密封，四周采用多个螺栓连接，螺栓之间的间距在6mm以内，接触面表面的平均粗糙度R_a不超过6.3μm。

所述热风循环系统包括风扇、呈蜂窝状的铝片、加湿器和旋流发生管道，所述DSP控制器控制所述热风循环系统，所述风扇用于给热风循环系统内送入气体，所述铝片内设有加热丝，送进的气体通过加热丝加热后进入旋流发生管道，最后进入气流发生装置主体的内部。

所述冷风循环系统包括风扇、呈蜂窝状的铝片、加湿器和旋流发生管道，所述DSP控制器控制所述冷风循环系统，所述风扇用于给冷风循环系统内送入气体，所述铝片内设有制冷管，送进的气体通过制冷管制冷后进入旋流发生管道，最后进入气流发生装置主体的内部。

所述多光程系统用于增加激光在湍流中的光程，实现多次反射，其反射次数至少为500次，传输距离达到500米以上。

所述光学观察窗口采用内高温耐高压材质制成，耐温在280°以上，耐压在8MPa以上。

所述DSP控制器采用高速浮点运算的DSP控制器。

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1、与现有的单一湍流产生方式，如利用常压下的热风与冷风对流或平流，温度可调与否，风速可调与否相比，本发明产生的湍流方式更多，不仅可以模拟不同气压，不通组分的气体，而且还可以模拟平流，对流，湍流在不同压强下的大气湍流；

2、与现有的多功能（大气的温、湿、度、压、风、湍流）湍流发生装置相比，本发明采用了外部的冷风与热风循环系统，系统的热稳定性和可控性更强，并且在循环控制器中通过不同的旋流引导装置产生不同的风场，以模拟更复杂的大气湍流环境；采用基于改进的Harriet多光程系统，只需要一个复合气流装置，当反射次数在500以上时，则光程就达到了500米以上，克服了由于级联而带来的成本，使用复杂等问题；

3、由于系统采用了高速浮点运算的DSP控制器，其运算速度快，处理数据时间短，系统的响应快，并且易于热风与冷风循环的电机控制，各种参数实时检测与直观化显示，同时还可以通过RS232与计算机通信，用于长时间的测量。

附图说明

图1是本发明中一种大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置的结构示意图。

图2是本发明中复合气流发生装置顶盖结构示意图。

图3是本发明中热风循环系统结构示意图。

图4是本发明中冷风循环系统结构示意图。

图5是本发明中复合气流发生控制原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1—图5所示，一种大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，包括气流发生装置主体1、湍流循环系统、进气口、多光程系统3、光学观察窗口4、气体参数传感器5和DSP控制器6。

气流发生装置主体1为长方体钢质结构，钢板的厚度在3mm以上，气流发生装置主体1包括一个可以打开的上盖11，上盖11的四周采用密封橡胶密封，四周采用多个螺栓连接，螺栓之间的间距在6mm以内，接触面的粗糙度在1.6μm以上，保证密闭腔内足够的密封性，以承受相应的气体压强，气流发生装置主体1用于产生不同气体组分、不同压强、不同光程、不同旋流方式、不同风速、不同湍流方式的可以标定、加压、真空的复合气流发生装置，这样可重复性和可操作性较强。

湍流循环系统包括热风循环系统21和冷风循环系统22，气流发生装置主体1的一侧通过管道连通热风循环系统21，在接口处设置有密闭阀12，气流发生装置主体1的另一侧通过管道连通冷风循环系统22，在接口处设置有密闭阀12，热风循环系统21与冷风循环系统22在气流发生装置的前面汇合，在气流发生装置的后面分流。

热风循环系统21包括风扇201、呈蜂窝状的铝片202、加湿器203和旋流发生管道204，DSP控制器6控制热风循环系统21中温度、湿度、风速和风扇201的电机开关等，风扇201用于给热风循环系统21内送入气体，铝片202内设有加热丝，送进的气体通过加热丝加热后进入旋流发生管道204，最后进入气流发生装置主体1的内部。

冷风循环系统22包括风扇201、呈蜂窝状的铝片202、加湿器203和旋流发生管道204，DSP控制器6控制冷风循环系统22中温度、湿度、风速和风扇201的电机开关等，风扇201用于给冷风循环系统22内送入气体，铝片202内设有制冷管，送进的气体通过制冷管制冷后进入旋流发生管道204，最后进入气流发生装置主体1的内部。

并且热风和冷风的温度，风速是可调的；通过选择不同的旋流导板以改变气体的前进方式，形成不同的风场。

进气口设置在气流发生装置主体1上端，用于向气流发生装置主体1内部加入不同组分的气体，进气口处设置有控制阀门2，通过控制阀门2对气流发生装置主体1内加压或抽真空以实现多种方式的大气环境模拟。

多光程系统3设置在复合气流装置主体1中部的湍流区域内，多光程系统3采用改进的Herriot型长光程模拟装置，包括平面反射镜和凹面反射镜，具有等效光程长和便于光路调控的优点方式，激光可以从前面射入，从后面射出，也可以从前面射出，由多光程的镀膜镜片确定，用于增加激光在湍流中的光程，实现多次反射，其反射次数至少为500次，传输距离达到500米以上。

光学观察窗口4采用内高温耐高压材质制成，耐温在280°以上，耐压在8MPa以上，位于的复合气流主体的上端中间，位于湍流形成的顶部，用于观测激光与各种状态下的气体相互作用的光学参数测量。

气体参数传感器5设置在复合气流装置主体1内，包括温度传感器51，湿度传感器52，压力传感器53和风速传感器54，分别用于检测气体的温度、湿度、压力和风速；

DSP控制器6采用高速浮点运算的DSP控制器6，设置在复合气流主体1的外部， DSP控制器6用于处理气体参数传感器5的数据、分析、存储和显示，同时还检测和控制湍流循环系统的温度与风速。

本实施例湍流循环系统可以模拟对流，平流以及湍流等各种大气湍流，湍流的形成位于复合气流发生池中部，各种模拟标准气体通过进气口和控制阀门2进入复合气流发生装置主体1内，同时通过该控制阀门2控制装置内的气压，激光由位于前侧的多光程系统3进入复合气流中部，在达到设计的反射系数后，从后面的窗口出射，也可以通过前侧的光学镀膜镜头出射，该发生装置的各种参数如温度、湿度、压强、风速等通过气体参数传感器5检测并将检测结果输入到DSP控制器6并通过液晶显示器7来显示，可以进行单组分的标准气体如氮气、氧气等空气主要成分气体分子与激光相互作用的机理分析，同时控制气体的各种压强来模式大气层的不同高度，具有良好的重复性和可控性，非常适合与激光与大气相互作用的各种动力学行为研究。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：包括气流发生装置主体、湍流循环系统、进气口、多光程系统、光学观察窗口、气体参数传感器和DSP控制器；

所述气流发生装置主体为一个密闭的立方体结构，所述的湍流循环系统包括热风循环系统和冷风循环系统，所述气流发生装置主体的一侧设置所述热风循环系统，所述气流发生装置主体的另一侧设置所述冷风循环系统，所述热风循环系统与所述冷风循环系统在气流发生装置内部的前面汇合，在气流发生装置内部的后面分流；

所述进气口设置在所述气流发生装置主体上端，用于向气流发生装置主体内部加入不同组分的气体，所述进气口处设置有控制阀门，通过控制阀门对气流发生装置主体内加压或抽真空以实现多种方式的大气环境模拟；

所述多光程系统设置在所述复合气流装置主体中部的湍流区域内，多光程系统采用改进的Herriot型长光程模拟装置，包括平面反射镜和凹面反射镜；

所述光学观察窗口，位于所述的复合气流主体的上端中间，位于湍流形成的顶部，用于观测激光与各种状态下的气体相互作用的光学参数测量；

所述气体参数传感器设置在所述复合气流装置主体内，包括温度传感器，湿度传感器，压力传感器和风速传感器，分别用于检测气体的温度、湿度、压力和风速；

所述DSP控制器设置在所述复合气流主体的外部，所述DSP控制器用于处理所述气体参数传感器数据、分析、存储和显示，同时还检测和控制所述湍流循环系统的温度与风速。

2.如权利要求1所述的大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：所述气流发生装置主体为长方体钢质结构，钢板的厚度在3mm以上，所述气流发生装置主体包括一个可以打开的上盖，上盖的四周采用密封橡胶密封，四周采用多个螺栓连接，螺栓之间的间距在6mm以内，接触面表面的平均粗糙度R_a不超过6.3μm。

3.如权利要求1所述的大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：所述热风循环系统包括风扇、呈蜂窝状的铝片、加湿器和旋流发生管道，所述DSP控制器控制所述热风循环系统，所述风扇用于给热风循环系统内送入气体，所述铝片内设有加热丝，送进的气体通过加热丝加热后进入旋流发生管道，最后进入气流发生装置主体的内部。

4.如权利要求1任意一项所述的大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：所述冷风循环系统包括风扇、呈蜂窝状的铝片、加湿器和旋流发生管道，所述DSP控制器控制所述冷风循环系统，所述风扇用于给冷风循环系统内送入气体，所述铝片内设有制冷管，送进的气体通过制冷管制冷后进入旋流发生管道，最后进入气流发生装置主体的内部。

5.如权利要求1所述的大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：所述多光程系统用于增加激光在湍流中的光程，实现多次反射，其反射次数至少为500次，传输距离达到500米以上。

6.如权利要求1所述的大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：所述光学观察窗口采用内高温耐高压材质制成，耐温在280°以上，耐压在8MPa以上。

7.如权利要求1所述的大气湍流与激光相互作用的复合气流发生装置，其特征在于：所述DSP控制器采用高速浮点运算的DSP控制器。

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