CN106772422A - 高空大气密度在线探测及计算方法 - Google Patents

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侯再红
秦来安
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Abstract

本发明公开了一种高空大气密度在线探测及计算方法，以连续激光为发射光源，利用摄像机接收来自大气的激光回波信号，通过对激光回波图像进行分析处理，得到大气密度信息。本发明采用的设备轻巧、具有高时空分辨率,并具有快速探测、可昼夜连续运行、自动化程度高、无盲区和易于移动等优点可用于大多数军用、民用飞行器对大气密度的测量。

Description

高空大气密度在线探测及计算方法
技术领域
本发明属于一种激光探测技术领域，具体是一种高空大气密度在线探测及计算方法。
背景技术
高空大气密度是影响高空飞行器速度和方向的重要因素。地基所采用的现场测量方法难以得到高层大气特别是高层大气实时背景条件下的大气密度参数。本方法使用激光遥感手段，安装在高空飞行器上，实时得到运动路径周围的大气密度参量，为飞行器提供第一手的数据。
发明内容
本发明提供一种高空大气密度在线探测及计算方法，采用激光发射和接收分离设计，使用二极管泵浦连续激光器发射激光、摄像机接收信号；通过几何结构设计，利用中焦距镜头将测量范围全部纳入摄像机视场，通过计算机进行计算分析，得到大气密度分布。
本发明采用的技术方案是：
高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，以连续激光为发射光源，利用摄像机接收来自大气的激光回波信号，通过对激光回波图像进行分析处理，得到大气密度信息；具体包括以下步骤：
(1)采用二极管泵浦连续激光器发射激光，激光器的前方光路上设置分光镜，分光镜的反射光路上设置功率监测仪，激光器、功率监测仪与计算机连接；
(2)激光器输出的激光束，一部分激光束透过分光镜射向大气中，一部分激光束镜反光镜反射后进入功率监测仪；
(3)射向大气中的激光束，受到大气中大气分子的作用，产生瑞利散射，瑞利散射的一部分散射光，被光学接收部分收集，光学接收部分包括有滤光片、CCD摄像机，CCD摄像机通过A/D转换器与计算机连接；
(4)通过CCD摄像机采集激光回波图像，每幅图像曝光时间一定，激光回波图像由几列光点和背景组成，几列长条光点由密到疏对应高度分布，计算机对采集得到的激光回波图像进行图像处理、平均和去噪，再进行计算分析，反演得出大气密度；
(5)数据反演方程可表示为：
Er＝KElATatmzTatmRn(z)σRaydθ/D (1)
其中，Er为发射距离z处视场角dθ内单位象素接收能量，在光斑图像区域内假设dθ不变；
σRay为所用波长的瑞利分子后项散射截面；
D为CCD与激光器的距离；
EL曝光时间内激光脉冲总能量；
A为接收有效孔径面积；
dθ为光斑图像单位角度对应距离分辨率；
K是设备定标常数，取决于系统光学效率；
n(z)为距离z处大气分子数密度；
Tatmz为从激光器到z处的大气透过率；
TatmR为测量点到CCD摄像机间的大气透过率；对于532nm波长从30公里到80公里大气透过率变化小于0.5％(根据中分辨率大气辐射传输软件Modtran)，这里测量距离也较短，大气透过率可以当作常数；
大气密度与大气分子数密度n有如下关系：
ρ(z)＝n(z)k/R (2)
ρ(z)为z高度上的大气密度；k为波尔兹曼常数,R气体常数；
(6)最后，根据公式(1)和(2)计算得到大气密度。
所述的高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，所述激光器采用激光二极管泵浦连续激光器，波长532nm，能量2W。
所述的高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，所述CCD摄像机的像素单元数为1004x 1002，使用中焦距镜头，镜头口径为60mm、焦距为50mm。
本发明的大气密度探测原理：
主要通过测量大气中气溶胶和分子等的后向散射信号，反演得到测量区域的大气参数。高度约从30公里至100公里的高层大气中，气溶胶含量极微，除特殊情况外，一般可把这一高度范围的大气当作无气溶胶的清洁大气。所以激光雷达接收的大气回波主要是大气分子的的Rayleigh散射信号。在设备测量范围内高层大气的衰减很小，大气消光影响很小，大气散射信号的强度仅与大气分子密度有关，可以由散射信号强度反演出大气密度廓线。
本发明的优点是：
本发明采用的设备轻巧、具有高时空分辨率,并具有快速探测、可昼夜连续运行、自动化程度高、无盲区和易于移动等优点可用于大多数军用、民用飞行器对大气密度的测量。
附图说明
图1是激光发射和光学接收部分的结构框图。
图2是激光雷达结构原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，高空大气密度在线探测及计算方法，以连续激光为发射光源，利用摄像机接收来自大气的激光回波信号，通过对激光回波图像进行分析处理，得到大气密度信息；具体包括以下步骤：
(1)采用二极管泵浦连续激光器发射激光，激光器的前方光路上设置分光镜，分光镜的反射光路上设置功率监测仪，激光器、功率监测仪与计算机连接；
(2)激光器输出的激光束，一部分激光束透过分光镜射向大气中，一部分激光束镜反光镜反射后进入功率监测仪；
(3)射向大气中的激光束，受到大气中大气分子的作用，产生瑞利散射，瑞利散射的一部分散射光，被光学接收部分收集，光学接收部分包括有滤光片、CCD摄像机，CCD摄像机通过A/D转换器与计算机连接；
(4)通过CCD摄像机采集激光回波图像，每幅图像曝光时间一定，激光回波图像由几列光点和背景组成，几列长条光点由密到疏对应高度分布，计算机对采集得到的激光回波图像进行图像处理、平均和去噪，再进行计算分析，反演得出大气密度；
(5)数据反演方程可表示为：
Er＝KElATatmzTatmRn(z)σRaydθ/D (1)
其中，Er为发射距离z处视场角dθ内单位象素接收能量，在光斑图像区域内假设dθ不变；
σRay为所用波长的瑞利分子后项散射截面；
D为CCD与激光器的距离；
EL曝光时间内激光脉冲总能量；
A为接收有效孔径面积；
dθ为光斑图像单位角度对应距离分辨率；
K是设备定标常数，取决于系统光学效率；
n(z)为距离z处大气分子数密度；
Tatmz为从激光器到z处的大气透过率；
TatmR为测量点到CCD摄像机间的大气透过率；对于532nm波长从30公里到80公里大气透过率变化小于0.5％(根据中分辨率大气辐射传输软件Modtran)，这里测量距离也较短，大气透过率可以当作常数；
大气密度与大气分子数密度n有如下关系：
ρ(z)＝n(z)k/R (2)
ρ(z)为z高度上的大气密度；k为波尔兹曼常数,R气体常数；
(6)最后，根据公式(1)和(2)计算得到大气密度。
激光器采用激光二极管泵浦连续激光器，波长532nm，能量2W。
激光发射部分的技术参数如表1所示：
表1激光发射部分技术参数
名称 参数
泵浦方式 激光二极管泵浦
激光波长 532nm
能量 2W
M2factor <2.0
Power stability ≤1％
出光孔径 ≤3mm
CCD摄像机的像素单元数为1004x 1002，使用中焦距镜头，镜头口径为60mm、焦距为50mm。为了消除杂散光干扰，接收系统安装窄带滤光片。根据测量的远近设计发射和接收夹角，1msec一组数据。信号接收部分技术参数如表2所示。
表2信号接收部分技术参数

Claims (3)

1.高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，以连续激光为发射光源，利用摄像机接收来自大气的激光回波信号，通过对激光回波图像进行分析处理，得到大气密度信息；具体包括以下步骤：
(1)采用二极管泵浦连续激光器发射激光，激光器的前方光路上设置分光镜，分光镜的反射光路上设置功率监测仪，激光器、功率监测仪与计算机连接；
(2)激光器输出的激光束，一部分激光束透过分光镜射向大气中，一部分激光束镜反光镜反射后进入功率监测仪；
(3)射向大气中的激光束，受到大气中大气分子的作用，产生瑞利散射，瑞利散射的一部分散射光，被光学接收部分收集，光学接收部分包括有滤光片、CCD摄像机，CCD摄像机通过A/D转换器与计算机连接；
(4)通过CCD摄像机采集激光回波图像，每幅图像曝光时间一定，激光回波图像由几列光点和背景组成，几列长条光点由密到疏对应高度分布，计算机对采集得到的激光回波图像进行图像处理、平均和去噪，再进行计算分析，反演得出大气密度；
(5)数据反演方程可表示为：
Er＝KElATatmzTatmRn(z)σRaydθ/D (1)
其中，Er为发射距离z处视场角dθ内单位象素接收能量，在光斑图像区域内假设dθ不变；
σRay为所用波长的瑞利分子后项散射截面；
D为CCD与激光器的距离；
EL曝光时间内激光脉冲总能量；
A为接收有效孔径面积；
dθ为光斑图像单位角度对应距离分辨率；
K是设备定标常数，取决于系统光学效率；
n(z)为距离z处大气分子数密度；
Tatmz为从激光器到z处的大气透过率；
TatmR为测量点到CCD摄像机间的大气透过率；
大气密度与大气分子数密度n有如下关系：
ρ(z)＝n(z)k/R (2)
ρ(z)为z高度上的大气密度；k为波尔兹曼常数,R气体常数；
(6)最后，根据公式(1)和(2)计算得到大气密度。
2.根据权利要求1所述的高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，所述激光器采用激光二极管泵浦连续激光器，波长532nm，能量2W。
3.根据权利要求1或2所述的高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，所述CCD摄像机的像素单元数为1004x 1002，使用中焦距镜头，镜头口径为60mm、焦距为50mm。
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