CN110261874B - 基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于晴空湍流的预报和探测领域，具体涉及一种基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法及系统，能够实时探测航线上晴空湍流强度，达到探测晴空颠簸的目的，在测试过程中，首先发射两束经过频率调制的同源紫外激光，控制光束的发射角度，对距离为R的区域进行探测，探测时对探测区域采用路径积分的形式，即探测光束汇聚区有一定的厚度ΔR，使两光束汇聚点在远处不同距离进行竖直平面内的一维或二维扫描，利用反向思维，不用直接测量空气密度和风速等大气参数，而是利用大气湍流导致的激光散射信号强度起伏这一特征，来确定飞机前方是否存在晴空湍流，避免了大气参数间复杂关系对晴空湍流探测准确性的影响。

Description

基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法及系统

技术领域

本发明属于晴空湍流的预报和探测领域，具体涉及一种基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法及系统。

背景技术

晴空湍流是指出现在6000米以上高空且与对流云无关的湍流，由随时间变化的不同尺度涡旋气流组成，湍流进行的方向是从大尺度到小尺度耗散。飞机若进入湍流区，大尺度涡旋会造成飞机猛烈的大起大落，小尺度涡旋则会破坏原有空气动力和力矩的平衡，使飞机产生不规则运动，即“晴空颠簸”。颠簸强度与飞机尺寸、航速、空气密度、风的水平和垂直切变、温度的水平和垂直梯度以及温度的局地变化有关。由于晴空湍流常出现在对流层上部和平流层(航空巡航飞行高度)，并且无可见的天气现象与之相伴，颠簸区与无颠簸区没有明显的边界，故飞行员难以事先发现，往往使飞机难以操作甚至失去控制，造成飞机机体的损毁和机上人员伤亡，严重威胁航空飞行安全。据国际航空运输协会统计，全世界每年都有大量晴空颠簸事故发生，造成人员伤亡和巨大经济损失。随着全球气候变化，晴空湍流出现频率不断增高。晴空湍流的预报和探测问题已备受关注。

由于晴空湍流发生的高度高、时空尺度小，用传统方法极难预报，而且几乎不可能进行探测。这些传统方法包括天气预报、飞行员报告、加速计测量、探空气球、风廓线仪、声学测量、GPS大气闪烁测量、气象卫星和气象雷达等。虽然气象卫星和气象雷达能够监测到雷雨云的形成和变化趋势、可提前发出雷雨预报，并且飞行员也可利用机载气象雷达探测雷雨云和云中的风切变，提前采取措施避免颠簸，但对于晴空湍流，因没有大微粒(如雨、雪、雾或云等水汽凝结体)作为载体而缺乏有效实时探测手段。且晴空湍流发生的机理复杂，对大气各参数产生波动且参数间彼此相互影响。因此，目前探测单一大气参数的方法都存在局限性。

相干多普勒激光雷达可观测垂直和水平风切变，对大气气溶胶散射的信噪比要求高，主要用于测量大气边界层湍流。而晴空湍流发生在晴朗洁净通透的高空中，气溶胶微粒数量少，散射回波极弱，致使相干多普勒激光雷达在大多数情况下无法应用。

发明内容

当激光遇到晴空湍流时，其后向散射光信号强度会产生较大幅度波动，其中包含了所有大气参数施加的影响。基于此，本发明提出一种基于外差干涉激光散射信号强度起伏的全新晴空湍流机载探测方法，能够实时探测航线上晴空湍流强度，达到探测晴空颠簸的目的。

本发明的技术方案是提供基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法，包括以下步骤：

S1、控制激光发射系统发射两束经过频率调制的同源激光，控制光束的发射角度，使得两束同源激光在待测区域内汇聚于一点，对待测区域中的其中一个待扫描点进行探测；

S2、探测系统接收来自光束汇聚区域的后散射光，获得当前扫描点对应的散射光功率P_R；

S3、将步骤S2获得的当前扫描点对应的散射光功率与参考信号功率进行比较，获得当前扫描点对应的散射光功率变化值ΔP_R；

S4、控制两束同源激光进行扫描，使得两束同源激光的汇聚点在待测区域内进行扫描，针对每一个扫描点，重复步骤S2到S3的过程，直至完成待测区域内所有扫描点的探测，获得待测区域内每个扫描点对应的后向散射光功率变化值，形成二维空间数据阵列；

S5、通过下述公式计算飞机在该待测区域内的载荷因素变量：

其中，ΔP_R是探测得到的散射光功率和参考信号功率的差值，ρ为空气密度，V为空速，

为常数，G为飞机的重力，S为机翼面积，g为重力加速度，N为

角频率，P_L为发射激光功率，η_R为探测系统效率，η_L为激光发射系统的效率，T为从待测区域到探测系统范围内单程大气对发射激光波长的透过率，Δz为待测区域厚度，Ω是发射激光光束立体角，R为探测距离，A_beam为激光到达探测区域的光斑大小，A_R为探测系统的接收面积。

进一步地，为了增强回波信号能量，提高最远有效探测距离，采用两束同源激光相干外差。

进一步地，为了增加探测区域范围，步骤S4中控制激光器进行扫描的过程具体为：

首先控制两束同源激光的汇聚点在与飞机飞行方向垂直的平面内沿竖直方向扫描，再沿水平方向移至下一列进行竖直方向的扫描。

进一步地，上述参考信号功率是在航路无湍流的条件下，探测系统接收来自光束汇聚区域的后散射光的功率形成的标准时域信号。

本发明还提供一种实现上述方法的基于相干激光的实时晴空颠簸探测系统，其特殊之处在于：包括发射系统、探测系统、存储器及处理器；

上述发射系统包括调制器、激光器、位于激光器出射端的分光镜、分别位于分光镜两路出射光路中的两个扫描反射镜；上述调制器位于分光镜与其中一个扫描反射镜之间；上述探测系统包括汇聚接收镜与探测器；

上述分光镜用于将激光器发出的激光分为两束，其中一束激光经过调制器调制后被其中一个扫描反射镜反射至待测区域；另一束激光直接经过另一个扫描反射镜反射至待测区域；上述汇聚接收镜用于汇聚湍流区域后像散射光并滤除近距离区域散射光，上述探测器用于接收汇聚后的湍流区域后像散射光；

上述存储器中存储计算机程序及参考信号功率，上述计算机程序被处理器执行时实现基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法。

进一步地，上述汇聚接收镜包括依次沿光路设置的会聚主镜、次级会聚镜组和窄带滤光片。

进一步地，为了优化光路，探测系统还包括设置在分光镜与其中一个扫描反射镜之间的反射镜。

本发明的有益效果是：

1、大气湍流对激光产生光束扩展、闪烁、衰减等影响，导致光束质量和光束强度的变化。本发明利用反向思维，不用直接测量空气密度和风速等大气参数，而是利用大气湍流导致的激光散射信号强度起伏这一特征，来确定飞机前方是否存在晴空湍流，避免了大气参数间复杂关系对晴空湍流探测准确性的影响。

2、本发明利用调制激光外差干涉，只接收汇聚区域的散射信号，抑制了近距离后向散射干扰，增强回波信号能量，提高最远有效探测距离，给飞机提供更多预警时间来采取应对措施。

附图说明

图1为本发明晴空湍流探测原理示意图；

图中附图标记为：1-激光器，11-第一激光发射器，12-第二激光发射器，2-探测系统，21-探测器；

图2为本发明根据实时散射信号与参考信号比较判断有无晴空湍流；

图3为本发明晴空湍流探测系统结构示意图；

图中附图标记为：01-发射系统，1-激光器，13-分光镜，14-调制器，15-扫描反射镜，16-反射镜，02-探测系统，21-探测器，22-汇聚接收镜。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

本发明利用相干激光的大气散射信号强度起伏对飞机晴空颠簸进行探测。飞机颠簸是由飞机在湍流中飞行引起的，飞机的载荷因素变化，直接反映了升力的变化，升力变化大，颠簸也一定强。飞机载荷因素变量方程如下：

式中Δn为载荷因素变量，C_y为升力系数，S为机翼面积，ρ为空气密度，G为飞机的重力，α是飞机平飞时的迎角，空速为V，w是横向风速。对固定的飞机，G/S为给定值，在迎角小于临界角的状态时，

可视为常数，当飞行速度不变时，这时Δn的大小就由w和ρ的大小来决定，即|w|和ρ值越大，载荷因素变化越大，飞机受到的颠簸越大，当飞机飞行高度不变时，ρ可视为不变。

激光在湍流介质中会产生散射，散射强度受到大气折射率的影响。湍流介质中大气折射率又受到空气密度ρ、温度T和气压P的影响，而折射率的分布还取决于各种尺度的大气运动。由于湍流输送作用，一部分高折射率的空气被带到低折射率区域中，造成局部空间的相对高折射率；而另一部分低折射率空气被带到高折射率区域中，造成局部的相对低折射率，因此湍流区域中的大气折射率不均匀性增加了，并造成了很大的折射率局部梯度。只要外界的因素使折射率的梯度维持下去，而且大气中的湍流过程存在，则大气中的折射率的随机起伏分布也总是存在，致使有的地方强，有的地方弱。当激光遇到这样的湍流介质上时，就会产生散射，散射系数的变化并且符合以下关系：

其中N是

角频率，典型值在对流层中N＝0.01rad/s，在平流层中N＝0.02rad/s；g是重力加速度，β_π,mol是后向散射系数，w是横向风速。从中可以看出后向散射系数的变化代表了风速变化，结合式(1)，能够明确地得到后散射信号的强度变化表征了飞机受到的颠簸的大小。

探测得到的激光散射光信号信号强度随后向散射系数变化的公式可表示为：

式中，P_R为探测系统接收到的来自厚度为Δz的湍流大气的后向散射光功率，ΔP_R是探测后向散射光功率和参考信号功率的差值；P_L为激光发射系统发射的激光功率；Ω是发射激光光束立体角，由激光光束发散全角θ可以得到Ω＝πθ²/4，其中θ的单位是rad；R为探测距离；A_beam为激光到达探测区域的光斑大小；A_R为探测系统的接收面积；η_L为激光发射系统的效率，η_R为探测系统效率，包括探测系统中各元件的透射率、光电探测器的量子效率等；T为从探测区域到探测系统端范围内单程大气对发射激光波长的透过率；β_π,mol是后向散射系数。

结合公式(1)(2)(3)，可得探测散射光信号与飞机载荷因素变量的关系，如公式(4)所示：

在测试过程中，首先发射两束经过频率调制的同源紫外激光，控制光束的发射角度，对距离为R的区域进行探测，探测时对探测区域采用路径积分的形式，即探测光束汇聚区有一定的厚度ΔR，使两光束汇聚点在远处不同距离进行竖直平面内的一维或二维扫描。

探测系统用汇聚镜控制散射光的接收范围，用窄带滤光片滤除激光传输路径上及远距离区域背景光的干扰，而只接收来自光束汇聚区域的散射光。如图1所示。针对每一个扫描点经计算获取一个Δn，将每一个扫描点获取的Δn作为一个单元，二维扫描后获得的每一个Δn，依次提取，形成二维空间数据阵列，实时观测航路上的飞机颠簸状况。

本发明通过对两束发射激光分别进行频率为Ω₁和Ω₂的调制后，接收到的后向散射总光强信号中，不但包含了上述路径散射激光频率成分，还有调制频率成分。通过滤波可将路径散射激光频率成分分离，只余下外差拍频Ω₁-Ω₂，该外差拍频携带了该探测区域内的湍流信息，因此，探测系统接收探测距离R处厚度为ΔR(探测区域深度)范围内的散射光信号。散射光信号强度直接体现了探测区域湍流的强弱、大气密度和大气折射率的变化。

本实施例具体探测系统如图3所示，由发射系统01、探测系统02、存储器及处理器组成。发射系统01包括调制器14、激光器1、位于激光器出射端的分光镜13、分别位于分光镜两路出射光路中的两个扫描反射镜15；调制器14位于分光镜13与其中一个扫描反射镜15之间；探测系统02包括汇聚接收镜与探测器21；汇聚接收镜22包括依次沿光路设置的会聚主镜、次级会聚镜组和窄带滤光片，存储器中存储参考信号功率及实现探测方法的计算机程序，与发射单光束的激光雷达不同，计算机程序被处理器执行时，首先控制高峰值功率激光器1发出的光经分光镜13分成两束，采用调制器14对其中一束进行频率调制；再分别通过两个扫描反射镜15控制光束的发射角度，使两光束汇聚点在远处不同距离进行与飞机飞行方向垂直的平面内二维扫描，根据上述公式(4)实时计算时域信号，不断地比较实时时域信号与参考信号的差别，预警飞机前方受颠簸程度，从而确定是否有晴空湍流。

本实施例扫描可通过下述方法实现：

平面内二维扫描：将飞机前方待测区域划分为水平方向间距为Δx，竖直方向为间隔为Δy的二维平面阵列，先沿竖直方向以间隔Δy进行扫描，在每一个扫描点上，快速采集该点上时域变化的后向散射信号，然后对时域信号进行滤波形成一个数据点；再沿水平方向下移Δx距离，移至下一列进行竖直方向各点的扫描，不断重复以上步骤，直至完成预定二维平面内的所有扫描点数据采集，这样便形成空间数据阵列，分析空间数据阵列的结构，得出飞机受颠簸的程度。

上述扫描方式，一方面，可减少每一路的光强，进而减少远距离散射强度并增强聚焦区光强；另一方面，倾斜的发射路径可过滤直接照射到接收器的散射光。探测系统用会聚镜控制散射光的接收范围，采集扫描点上的时间数据序列并进行解调和滤波。

Claims (7)

1.基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、控制激光发射系统发射两束经过频率调制的同源激光，控制光束的发射角度，使得两束同源激光在待测区域内汇聚于一点，对待测区域中的其中一个待扫描点进行探测；

S2、探测系统接收来自光束汇聚区域的后散射光，获得当前扫描点对应的散射光功率P_R；

S3、将步骤S2获得的当前扫描点对应的散射光功率与参考信号功率进行比较，获得当前扫描点对应的散射光功率变化值ΔP_R；

S4、控制两束同源激光进行扫描，使得两束同源激光的汇聚点在待测区域内进行扫描，针对每一个扫描点，重复步骤S2到S3的过程，直至完成待测区域内所有扫描点的探测，获得待测区域内每个扫描点对应的后向散射光功率变化值，形成二维空间数据阵列；

S5、通过下述公式计算飞机在该待测区域内的载荷因素变量：

其中，ΔP_R是探测得到的散射光功率和参考信号功率的差值，ρ为空气密度，V为空速，

为常数，G为飞机的重力，S为机翼面积，g为重力加速度，N为Brundt-

角频率，P_L为发射激光功率，η_R为探测系统效率，η_L为激光发射系统的效率，T为从待测区域到探测系统范围内单程大气对发射激光波长的透过率，Δz为待测区域厚度，Ω是发射激光光束立体角，R为探测距离，A_beam为激光到达探测区域的光斑大小，A_R为探测系统的接收面积。

2.根据权利要求1所述的基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法，其特征在于：两束同源激光相干外差。

3.根据权利要求1所述的基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法，其特征在于，步骤S4中控制激光器进行扫描的过程具体为：

首先控制两束同源激光的汇聚点沿竖直方向扫描，再沿水平方向移至下一列进行竖直方向的扫描。

4.根据权利要求3所述的基于相干激光的实时晴空颠簸探测方法，其特征在于：所述参考信号功率是在航路无湍流的条件下，探测系统接收来自光束汇聚区域的后散射光的功率形成的标准时域信号。

5.一种实现权利要求1所述方法的基于相干激光的实时晴空颠簸探测系统，其特征在于：包括发射系统、探测系统、存储器及处理器；

所述发射系统包括调制器(14)、激光器(1)、位于激光器出射端的分光镜(13)、分别位于分光镜两路出射光路中的两个扫描反射镜(15)；所述调制器(14)位于分光镜(13)与其中一个扫描反射镜(15)之间；所述探测系统包括汇聚接收镜与探测器(21)；

所述分光镜(13)用于将激光器(1)发出的激光分为两束，其中一束激光经过调制器(14)调制后被其中一个扫描反射镜(15)反射至待测区域；另一束激光直接经过另一个扫描反射镜(15)反射至待测区域；所述汇聚接收镜用于汇聚湍流区域后像散射光并滤除近距离区域散射光，所述探测器(21)用于接收汇聚后的湍流区域后向散射光；

所述存储器中存储计算机程序及参考信号功率，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4任一所述的方法。

6.根据权利要求5所述的基于相干激光的实时晴空颠簸探测系统，其特征在于：所述汇聚接收镜(22)包括依次沿光路设置的会聚主镜、次级会聚镜组和窄带滤光片。

7.根据权利要求6所述的基于相干激光的实时晴空颠簸探测系统，其特征在于：还包括设置在分光镜(13)与其中一个扫描反射镜(15)之间的反射镜(16)。

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