CN103063869B - 一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法，测量系统包括半导体激光器、扩束镜、缩束镜，面阵CCD探测器。半导体激光发出的光束先经过扩束镜扩束为有一定横截面的平行光束入射到大气中，经过大气湍流和大气风场的扰动，产生闪烁和相位的随机起伏效应，利用接收端的面阵CCD探测器探测光束横截面上不同部位的光强闪烁，统计得到不同孔径对之间的闪烁相关特性，然后根据得到的归一化时间延迟互相关函数在τ=0处的导数与路径横向风速的关系：，获得光传播路径横向平均风速风向信息。

Description

一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体为一种利用激光大气传播接收端探测器上探测的光强闪烁相关特性实现的光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法。

背景技术

对作为重要气象参数之一的风速的研究具有重要意义，航空监测、天气预报和气候变化研究中，都需要具有大气风场的数据。而在激光大气湍流传输中，路径横向风速的随机起伏是制约光波大气传输的重要因素之一。由于光传播路径上横向风速的存在，使湍流产生快速变化，横向平均风速与湍流强度决定着光波的相干特性，另外，在天文高分辨光学成像技术中，如斑点成像技术中的斑点寿命和光干涉中的条纹最大积分时间的物理本质均为大气相干时间，合理的选择曝光时间必须了解光传输路径上的横向平均风速。有时为了需要，研究者更希望能准确得到光传播路径上横向风速的廓线分布，因此，实时、准确的测量横向风速，无论是在理论研究还是工程应用上都有重要的意义。

目前，对横向平均风速的测量有多种方法，最为普遍的是将多个超声风速计布置在传输路径的不同位置，将各个风速计的测量结果求取平均从而得到横向平均风速，然而，该方法无法实现特殊路径(例如海、湖面上空或者飞机场跑道上空等)的测量；微波雷达、多普勒雷达通过测量到的空间三维风速，分解到光路的横向方向从而得到横向风，然而这些技术的设备造价及维护成本都比较高。总体而言，上述这些方法在测量上要么设备造价高、维护成本高，要么测量不够准确或者难以实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法，以克服现有光传播路径横向平均风速测量技术的不足。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：包括半导体激光器、扩束镜组成的发射端，以及缩束镜、面阵CCD探测器组成的接收端，接收端和发射端之间是一段待求路径横向平均风速的自由大气，所述半导体激光器发出的激光束首先经由扩束镜被扩束后以准直平行光出射，从扩束镜出射的激光束经过一定距离的大气湍流和路径横向风场的扰动，其相位和振幅会产生随机起伏现象，包含大气湍流信息和路径横向风场信息的激光束到达缩束镜，由缩束镜会聚在面阵CCD探测器上感光成像；根据在面阵CCD在探测器动态测量范围内，其像元的灰度值与入射光强成正比的特性，将一定尺寸范围内的面阵CCD探测器的面元像素值相累加，即形成有一定接收孔径的光强探测系统，整个面阵CCD探测器等同于可以实现光强起伏变化探测的阵列探测器，继而可以获得光强的归一化起伏方差即闪烁指数，其中I_m,n为第(m,n)个孔径内的灰度值之和，分析任意间距的两个不同孔径闪烁指数的归一化时间延迟交叉相关函数，可以实现光传播路径横向平均风速风向的探测。

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述半导体激光器选择波长为635nm的连续激光器，能量约为20mw，发射角为0.1mrad。

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述扩束镜与半导体激光器之间的间距，缩束镜与面阵CCD探测器之间的间距为厘米量级，以尽量减少这两种仪器之间的空气扰动对路径横向风场平均风速测量结果带来的误差。

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：半导体激光器和扩束镜之间严格共轴，缩束镜和面阵CCD探测器之间也满足严格共轴，调节光路使得两轴重合或者平行，但必须满足缩束镜的入射瞳内激光光束是充满的，即要求探测到的信号是发射光束的一部分或者全部，

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述半导体激光器和扩束镜分别安装在三脚架上，利用三脚架实现光路的水平和俯仰调节。

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述扩束镜改变激光的发散角，将激光束变为准直平行光束出射。

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述缩束镜将携带大气湍流和风场信息的激光束的光束截面等比例缩小，被后面的面阵CCD探测器接收。

所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述面阵CCD探测器采样频率为955Hz，采样位数为8位，每个像素的灰度数值介于0-255。

一种光传播路径横向平均风速风向测量方法，其特征在于：包括以下操作步骤：

（1）实验前首先检验半导体激光器发出的激光波长和能量以及能量的稳定性；

（2）打开半导体激光器电源，使半导体激光器正常工作，调节光路，使得半导体激光器和扩束镜严格共轴，缩束镜和面阵CCD探测器之间也满足严格共轴，同时缩束镜前的光束为扩束镜出射光束经大气扰动后光斑的一部分或者全部，保证采集的信号完全包含有光传播路径横向平均风速和湍流信息；

（3）关闭半导体激光器电源，断开整个光路，利用笔记本电脑采集背景信号，将光路接通时采集的信号与背景信号想减，即得到用于光传播路径横向平均风速风向计算的有效信号；

（4）统计分析面阵CCD探测器得到的光强信息，求得两间距为r的两孔径之间信号的自相关函数和互相关函数，得到归一化的互相关函数即互相关函数与自相关函数的比率，将其对互相关时间延迟τ求导运算，进一步得到τ=0处的导数数值f(L)，这里L即光波传播距离；

（5）归一化的互相关函数在零延迟处的导数与路径横向平均风速的关系表达式满足：，其中 $C=\frac{{\∫}_0^L\mathrm{dzW}\left(z\right)}{{\∫}_0^L\mathrm{dz}{\∫}_0^{\∞}d{\mathrm{\κ\κ}}^{-8/3}{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\κ}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right)F(\mathrm{\κ},D_1,D)}$ ，是与测量系统配置参数有关的物理量，可以通过数值积分计算或者实验定标方法得到，即为求得得到的光传播路径横向平均风速的大小，其值为正，表明风速的方向与预先假定的正方向一致，否则与预先假定的正方向相反。

本发明的测量原理具体解释如下：

根据随机介质中光传播理论和Rytov近似条件以及Taylor湍流冻结假说理论，推导容易得到垂直于光传播路径平面上空间间距为r的两点，对数振幅的协方差函数满足：

$C_{\mathrm{\χ}}(r,\mathrm{\τ})={\left(2\mathrm{\πk}\right)}^2{\∫}_0^L\mathrm{dz}{\∫}_0^{\∞}{J}_0\left(\mathrm{\κ}\right|\mathrm{r\γ}-v\left(z\right)\mathrm{\τ}\left|\right){\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\κ}}^2\mathrm{\γ}(L-z)}{2k}\right){\mathrm{\Φ}}_n(\mathrm{\κ},z)\mathrm{\κF}(\mathrm{\κ},D_1,D)\mathrm{d\κ}$ 其中，τ为两孔径信号的之间的时间延迟，L表示发射系统与接收系统之间的距离，z为传播路径上任意点与发射系统之间的距离，γ=z/L是激光光束的传播因子，k为光波波数，D为孔径的等效直径，Φ_n(κ,z)表示折射率起伏的三维功率谱密度，这里我们采用Kolmogorov谱的形式，即，式中表示湍流强度，通常对于水平大气传输可以认为该参量在整个路径上为常数。结合我们实际的装置，对孔径滤波函数F(κ,D₁,D)，D₁为发射孔径，D为接收等效孔径大小。引入归一化时间延迟交叉相关函数，将其定义为两子孔径上光强起伏的时空间交叉相关函数与闪烁指数的比值，可得归一化时间延迟互相关函数(简称互相关零延迟斜率)在τ=0处的导数的表达式为： $f\left(L\right)=\frac{{\∫}_0^L\mathrm{dzW}\left(z\right)v\left(z\right)}{{\∫}_0^L\mathrm{dz}{\∫}_0^{\∞}d{\mathrm{\κ\κ}}^{-8/3}{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\κ}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right)F(\mathrm{\κ},D_1,D)}$ ，其中横向风速的路径权重函数满足： $W\left(z\right)={\∫}_0^{L}d{\mathrm{\κ\κ}}^{-5/3}{J}_1(\mathrm{\κ\ρz}/L){\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\κ}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right)F(\mathrm{\κ},D_1,D)$ ，欲求得光传播路径横向平均风速风向，将前述公式重写为：，其中系统常数：

$C=\frac{{\∫}_0^L\mathrm{dzW}\left(z\right)}{{\∫}_0^L\mathrm{dz}{\∫}_0^{\∞}d{\mathrm{\κ\κ}}^{-8/3}{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\κ}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right)F(\mathrm{\κ},D_1,D)}$ 。

上述理论分析可以看出，对于固定的测量系统，横向风速加权函数的路径积分与互相关零延迟斜率一一对应。这就是利用面阵CCD探测器面元之间闪烁相关信息进行光传播路径横向平均风速测量的基本原理，换言之，统计空间特定间隔的两个孔径的光强信号随时间的起伏，即可得到归一化时间延迟交叉相关系数，得到闪烁互相关零延迟斜率，进一步得到横向风速的结果。根据以上理论分析，可以利用前述实验装置来计算光路上的横向平均风速的大小，其值的正负表明风速的方向与预先假设的正值方向一致或者相反。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用单个半导体激光器和面阵CCD探测器，利用CCD面元组成的等效光强探测孔径之间的闪烁相关特性，实现光传播路径横向平均风速的准确非接触测量，同时系统结构简单、紧凑、易于实现；

(2)本发明采用面阵CCD探测器，通过将不同位置的CCD像元组区域划分，各区域内像素值相累加，等效为任意孔径大小的光强探测系统，两两之间进行闪烁相关分析，可以获得由不同间距不同大小探测孔径对测量的路径横向平均风速的结果，多组之间可以进行比对和求平均值；

(3)本发明扩束镜对激光光束进行扩束，保证激光光束以一定直径准直的平行出射，且光束截面上所有光线与大气湍流充分相互作用，与点状且有一定发散角发射角的光源相比较，有效的避免了探测器边缘效应带来的测量误差，从而能够提高系统的测量精度；

(4)本发明发射系统与接收系统之间是自由大气，特别为特殊路径(例如海面、湖面上空或者飞机场跑道上空等)的大气风场测量提供了可靠的解决方案；

(5)本发明利用激光前向相关特性进行路径横向平均风速的测量，根据光散射理论，前向散射能量远比非前向强，因此完全可以实现昼夜二十四小时不间断测量。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

如图1所示。本发明测量装置包括发射系统和接收系统两部分，发射系统包括半导体激光器2、扩束镜3，接收系统包括缩束镜4、面阵CCD探测器5、用于数据传输的数据线6和笔记本电脑8，其中半导体激光器2和面阵CCD探测器5分别架在三角调整架1、三角调整架7上，可以实现高度、水平和俯仰的调节。半导体激光器2发出的能量为20mw，波长为635nm，发散角约为0.1mrad的激光束入射到扩束镜3，经扩束的激光束准直入射到大气中，受到大气湍流和风场的随机起伏，光波的振幅和相位也会发生随机起伏现象，光束到达接收端的缩束镜4被缩束后入射到面阵CCD探测器5上感光成像，经数据线6传输后计算机8采集、处理。整套装置为减少系统空气扰动带来的误差，要求扩束镜3与半导体激光器2之间的间距和缩束镜4、面阵CCD探测器5之间的间距为1cm，且半导体激光器2与扩束镜3之间、缩束镜4与面阵CCD探测器5两两之间严格共轴。最后根据推导得到的路径横向平均风速与归一化时间延迟互相关函数在τ=0处的导数公式，得到光传播路径横向平均风速的大小和方向。

本发明测量方法实现步骤如下：

一、半导体激光器2发出的激光波长和能量以及能量稳定性的检验，选用的仪器为激光能量计；

二、搭建系统光路，打开激光器光源，调节光路，使得半导体激光器2和扩束镜3严格共轴，缩束镜4和面阵CCD探测器5之间也满足严格共轴，同时缩束镜4前的光束为扩束镜3出射光束经大气扰动后光斑的一部分或者全部，保证采集的信号完全包含有光传播路径横向平均风速和湍流信息；

三、关闭激光器电源，断开测量系统光路，采集系统的背景信号，将光路接通时采集的信号与背景信号想减，即得到用于光传播路径横向平均风速风向计算的有效信号；

四、将面阵CCD探测器5按照尺寸划分为多个孔径区域，对每个孔径区域内的灰度值求和，求得两间距为r的两孔径之间信号的自相关函数和互相关函数，得到归一化的互相关函数(即互相关函数与自相关函数的比率)，将其对互相关时间延迟τ求导运算，进一步得到τ=0处的导数数值f(L)；

五、根据归一化互相关函数在零延迟处的导数与路径横向平均风速的关系即可得到的光传播路径横向平均风速的大小，其值为正，表明风速的方向与预先假定的正方向一致，否则与预先假定的正方向相反。

总之，采用面阵CCD探测器等效孔径之间闪烁相关信息实现光传播路径横向平均风速风向的准确在线测量，系统结构简单、易于调节、成本低，特别为特殊路径(例如海面、湖面上空或者飞机场跑道上空等)的大气风场测量提供了可靠的解决方案。同时有效拓展了面阵CCD探测器在激光大气传输领域的应用，具有重要的工程意义和实用价值。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的理论和技术。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：包括半导体激光器、扩束镜组成的发射端，以及缩束镜、面阵CCD探测器组成的接收端，接收端和发射端之间是一段待求路径横向平均风速的自由大气，所述半导体激光器发出的激光束首先经由扩束镜被扩束后以准直平行光出射，从扩束镜出射的激光束经过一定距离的大气湍流和路径横向风场的扰动，其相位和振幅会产生随机起伏现象，包含大气湍流信息和路径横向风场信息的激光束到达缩束镜，由缩束镜会聚在面阵CCD探测器上感光成像；根据在面阵CCD在探测器动态测量范围内，其像元的灰度值与入射光强成正比的特性，将一定尺寸范围内的面阵CCD探测器的面元像素值相累加，即形成有一定接收孔径的光强探测系统，整个面阵CCD探测器等同于可以实现光强起伏变化探测的阵列探测器，继而可以获得光强的归一化起伏方差即闪烁指数 ，其中为第(m,n)个孔径内的灰度值之和，分析任意间距的两个不同孔径闪烁指数的归一化时间延迟交叉相关函数，可以实现光传播路径横向平均风速风向的探测。

2.根据要求1所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述半导体激光器选择波长为的连续激光器，能量约为，发射角为。

3.根据要求1所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述扩束镜与半导体激光器之间的间距，缩束镜与面阵CCD探测器之间的间距为厘米量级，以尽量减少这两种仪器之间的空气扰动对路径横向风场平均风速测量结果带来的误差。

4.根据要求1所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：半导体激光器和扩束镜之间严格共轴，缩束镜和面阵CCD探测器之间也满足严格共轴，调节光路使得两轴重合或者平行，但必须满足缩束镜的入射瞳内激光光束是充满的，即要求探测到的信号是发射光束的一部分或者全部。

5.根据要求1所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述半导体激光器和扩束镜分别安装在三脚架上，利用三脚架实现光路的水平和俯仰调节。

6.根据要求1所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述缩束镜将携带大气湍流和风场信息的激光束的光束截面等比例缩小，被后面的面阵CCD探测器接收。

7.根据要求1所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于：所述面阵CCD探测器采样频率为955Hz，采样位数为8位，每个像素的灰度数值介于0-255。

8.一种基于权利要求1所述测量装置的光传播路径横向平均风速风向测量方法，其特征在于：包括以下操作步骤：

（1）实验前首先检验半导体激光器发出的激光波长和能量以及能量的稳定性；

（2）打开半导体激光器电源，使半导体激光器正常工作，调节光路，使得半导体激光器和扩束镜严格共轴，缩束镜和面阵CCD探测器之间也满足严格共轴，同时缩束镜前的光束为扩束镜出射光束经大气扰动后光斑的一部分或者全部，保证采集的信号完全包含有光传播路径横向平均风速和湍流信息；

（3）关闭半导体激光器电源，断开整个光路，利用笔记本电脑采集背景信号，将光路接通时采集的信号与背景信号相减，即得到用于光传播路径横向平均风速风向计算的有效信号；

（4）统计分析面阵CCD探测器得到的光强信息，求得两间距为的两孔径之间信号的自相关函数和互相关函数，得到归一化的互相关函数即互相关函数与自相关函数的比率，将其对互相关时间延迟求导运算，进一步得到处的导数数值，这里即光波传播距离；

（5）归一化的互相关函数在零延迟处的导数与路径横向平均风速的关系表达式满足：，其中，是与测量系统配置参数有关的物理量，可以通过数值积分计算或者实验定标方法得到，即为求得得到的光传播路径横向平均风速的大小，其值为正，表明风速的方向与预先假定的正方向一致，否则与预先假定的正方向相反。