CN111735604A - 基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法 - Google Patents

基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空间激光通信领域，具体为基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法；该测量方法是首先将激光发射装置产生的径向偏振光通过光学发射天线准直和扩束后发射出，使其通过各向异性大气湍流后被光学接收天线接收；然后使接收后的光束通过空间相干度测量仪进行测量；最后利用测得的空间相干度计算出大气湍流的各向异性因子；用来实现上述方法的实验装置包括有：激光发射装置，光学发射天线，光学接收天线，空间相干度测量仪，数据处理器。本发明的方法结构简单，操作方便，普适性强。

Description

基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法
技术领域
本发明属于空间激光通信领域，涉及基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法。
背景技术
激光自诞生以来就受到人们的广泛关注，而且在各个领域得到开发和利用。激光具有方向性、相干性强等特点，是信息的优良载体，因此空间激光通信技术发展十分迅速。
但是在地对地，地对空的激光通信系统中，激光的传输媒介是随机的大气。大气中的气体分子、雾、霾、气溶胶等粒子，会引起光的吸收和散射；更甚的是大气湍流的存在，会引起光波波前畸变、光束漂移、光束扩展、强度起伏、像点抖动和误码率等一系列严重的大气湍流效应，这将极大地制约了激光通讯系统的应用。
因此人们越来越重视激光在大气湍流中传输效应的研究，目前也形成了比较完善的大气湍流和传输的理论体系。
用来描述大气湍流的参数包括：大气湍流折射率结构常数、大气湍流内尺度和外尺度、广义指数参数，也诞生了很多关于这些参数的测量实验和方法。
在以往的理论体系中认为大气湍流是各向同性的，但是随着许多实验和研究发现，大气湍流在更多程度上是以各向异性形态存在，称为各向异性大气湍流。
为了描述这种各向异性大气湍流，学者们对描述大气湍流的功率谱进行了改进，对其增加了各向异性因子这一影响项。
因此找到普适于这一新的大气湍流参数(各向异性因子)的测量方法对于激光通信等领域的发展变得尤为重要。
然而目前还没有关于大气湍流各向异性因子的测量方法和装置。
发明内容
本发明的目的正是为了弥补了关于大气湍流各向异性因子测量的空缺，提出了基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的方法，利用光束空间相干度与大气湍流各向异性因子的关联性质，进而通过测量光束空间相干度得到大气湍流各向异性因子。
本发明的另一目的是在于提供实现上述大气湍流各向异性因子测量方法的实验装置，通过该装置对光束的空间相干度进行测量，从而得到大气湍流各向异性因子。
本发明的基本思路：基于空间相干度来确定大气湍流各向异性因子的方法，首先将激光发射装置产生的径向偏振光束经过光学发射天线扩束准直后射出，使发射出的激光束通过各向异性大气湍流后被光学接收天线接收，然后使其通过空间相干度测量仪，最后利用测得的空间相干度来得到大气湍流各向异性因子。
根据扩展的惠更斯—菲涅尔原理得到激光束在各向异性大气湍流中传输后的交叉谱密度矩，和根据光束的空间相干度的定义，得到光束空间相干度与大气湍流各向异性因子的关系式如下：
ξ＝g[μ(ρ1,ρ2,z),W(ρ1,ρ2,z)] (1)
式(1)中，ξ为大气湍流各向异性因子，g[μ(ρ1,ρ2；z),W(ρ1,ρ2；z)]表示空间相干度μ(ρ1,ρ2；z)和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2；z)的函数关系式，ρ1,ρ2为任意两个位置矢量，且
Figure BDA0002535216940000021
是关于光束束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δxx与δyy，湍流内尺度l0，湍流外尺度L0，广义指数参数α，大气折射率结构常数
Figure BDA0002535216940000022
和传输距离z的函数，在大气湍流弱起伏条件和强起伏条件下式(1)都成立。然后把测得的空间相干度带入到式(1)中计算，就可以得到大气湍流各向异性因子。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子装置，包括：激光发射装置、光学发射天线、光学接收天线、空间相干度测量仪和数据处理器。
优选的，所述激光发射装置由激光器和径向偏振片组成，所述的激光器为He-Ne激光器、Nd:YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
优选的，所述光学发射天线为倒置伽利略望远镜或开普勒望远镜。
优选的，所述光学接收天线为卡塞格伦望远镜，或格里高利望远镜，或牛顿望远镜，或伽利略望远镜，或开普勒望远镜。
优选的，所述空间相干度测量仪为包含偏振分光棱镜和两个相同的CCD相机组成的系统。
优选的，所述CCD相机为Basler pilot系列相机。
优选的，所述数据处理器为安装了有所编制的计算程序的计算机。
优选的，基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的方法，具体包括以下实施步骤：
S1.首先将激光发射装置产生的径向偏振光束通过光学发射天线扩束和准直后发射出，使发射出的光束经过各向异性大气湍流后由光学接收天线接收；
S2.将光学接收天线所接收的光束通过空间相干度测量仪测量获得数据；
S3.利用数据处理器处理空间相干度测量仪获得数据计算出大气湍流各向异性因子。
优选的，所述的径向偏振光束为部分相干径向偏振高斯谢尔模光束，且大气湍流各向异性因子与径向偏振光束的空间相干度满足以下的函数表达式：
ξ＝g[μ(ρ1,ρ2,z),W(ρ1,ρ2,z)]
ξ为大气湍流各向异性因子，g[μ(ρ1,ρ2；z),W(ρ1,ρ2；z)]表示空间相干度μ(ρ1,ρ2；z)和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2；z)的函数关系式，ρ1,ρ2为任意两个位置矢量，且
Figure BDA0002535216940000031
是关于光束束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δxx与δyy，湍流内尺度l0，湍流外尺度L0，广义指数参数α，大气折射率结构常数
Figure BDA0002535216940000032
和传输距离z的函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)该基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子方法，在计算过程中，由于公式(1)是根据的扩展的惠更斯-菲涅尔原理[Y.Xu andY.Dan,Optik 179,654-664(2019)]和激光束在大气湍流中的空间相干度[J.Wang,S.Zhu,H.Wang,et al,Opt.Express 24(11),11626-11639(2016)]的定义推导而来，没有使用任何近似，所得到的大气湍流各向异性因子的结果比较准确。
2)该基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子方法，在计算过程中，由于公式(1)是根据的扩展的惠更斯-菲涅尔原理[Y.Xu andY.Dan,Optik 179,654-664(2019)]和激光束在大气湍流中的空间相干度[J.Wang,S.Zhu,H.Wang,et al,Opt.Express 24(11),11626-11639(2016)]的定义推导而来，因而所用空间相干度公式在强起伏条件下也成立，因此在强起伏条件下，仍可探测大气湍流各向异性因子，所以本发明提出的测量方法可以广泛适用。
3)该基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的实验装置，其结构简单，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的空间相干度测量仪的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1激光发射装置、2光学发射天线、3光学接收天线、4空间相干度测量仪、5数据处理器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实现基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的实验结构装置如图1所示。在图1中包含激光发射装置1，光学发射天线2，光学接收天线3，空间相干度测量仪4，数据处理器5。首先由图1所述的激光发射装置1输出的径向偏振光束，经过光学发射天线2准直扩束后发射，使其进入各向异性大气湍流中，大气湍流使光束光强相位起伏，进一步导致其空间相干度发生变化；所述的径向偏振光束在各向异性大气湍流中传输一段距离后被光学接收天线3接收，然后使其进入到空间相干度测量仪4中，所述的空间相干度测量仪输出该光束的空间相干度并将其输入到数据处理器5中。最后数据处理器5按照所编制的计算程序计算并输出大气湍流各向异性因子。
请参阅图1～2，本发明提供以下技术方案：
实施例一
本实施例中激光发射装置1中的激光器为He-Ne激光器，其波长为632.8nm，径向偏振片的工作波长为632.8nm；光学发射天线2为开普勒望远镜；大气湍流为各向异性大气湍流；所用光学接收天线3为伽利略望远镜；空间相干度测量仪中的偏振分光棱镜的工作波长为632.8nm，CCD相机为Baslerpilot系列相机；所用光学发射天线2和光学接收天线3相距z＝3km。
本实施例通过如图1所示的实验装置结构来实现基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子方法。按照图1安装好实验器件，所述由激光发射装置1中的He-Ne激光器输出的线偏振光通过径向偏振片后成为径向偏振光束，其中心波长为632.8nm，该光束经过光学发射天线2准直和扩束后，变成束腰宽度为10mm的准直径向偏振光，然后所述光束在各向异性大气湍流中传输3km后被光学接收天线3接收，在进入到空间相干度测量仪4，该光束进入到空间相干度测量仪中后被偏振分光棱镜分成两束光，分别进入到两个放置等距的CCD相机，再由CCD相机收集到的数据计算出空间相干度[陈亚红,蔡阳健,光学学报36(10),26-42(2016)]，完成空间相干度测量仪4对该光束的空间相干度的测量，再由空间相干度测量仪4输出光束空间相干度并传输到数据处理器5中。最后由数据处理器5按照所编制的程序计算处理，就可得到大气湍流各向异性因子ξ。
所述数据处理器5为安装有所编制的计算机程序的计算机，所述计算机程序采用MatlabR2018b编写。该计算程序可以是直接用命令行组成的M文件，或者是Guide方式和命令行M文件方式创建的一个GUI程序，所述计算程序处理数据的基本步骤如下：
1)参数赋值：径向偏振光束波长λ，光束束腰宽度w0，初始相干长度δxx与δyy，传输距离L，光场中任意n对的坐标ρn1,ρn2以及两点之间空间相干度μn(ρn1,ρn2)的测量值；
2)利用公式(1)，并用数值法解此方程，得到n个各向异性因子ξn；
3)对这n个各向异性因子求平均，得到ξ。
本实施例共取5对坐标，将每对坐标中固定一个坐标在原点(0,0)处，剩余的5个坐标分别为：(0.005,0.005)，(0.007,0.008)，(0.007,-0.01)，(-0.007,0.015)，(-0.01,-0.015)(单位为m)，测得接收光束5对坐标间的空间相干度分别为0.95，0.88，0.85，0.75，0.71。输出各向异性大气湍流各向异性因子ξ为4.502。
实施例二
本实施例中将实施例1中所用激光发射装置1中的激光器换为光纤激光器，其中心波长为1550nm，且更换与之波长相对应的径向偏振片；光学发射天线2替换为伽利略望远镜；大气湍流仍为各向异性大气湍流；光学接收天线3替换为牛顿望远镜；空间相干度测量仪中的偏振分光棱镜换成与激光器波长相对应的棱镜；数据处理器5仍与实施例1中所述数据处理器相同；然后按图1的实验装置结构安装好各光学元器件，其他操作实验步骤和计算过程与实施例1相同，同样可以通过测量得到的空间相干度探测出大气湍流各向异性因子ξ。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书和其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，包括：激光发射装置(1)、光学发射天线(2)、光学接收天线(3)、空间相干度测量仪(4)和数据处理器(5)。
2.根据权利要求1所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，所述激光发射装置(1)由激光器和径向偏振片组成，其中所述的激光器为He-Ne激光器、Nd:YAG激光器、CO2激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，所述光学发射天线(2)为倒置伽利略望远镜或开普勒望远镜。
4.根据权利要求1所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，所述光学接收天线(3)为卡塞格伦望远镜，或格里高利望远镜，或牛顿望远镜，或伽利略望远镜，或开普勒望远镜。
5.根据权利要求1所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，所述空间相干度测量仪(4)为包含偏振分光棱镜和两个相同的CCD相机组成的系统。
6.根据权利要求5所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，所述CCD相机为Baslerpilot系列相机。
7.根据权利要求1所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置，其特征在于，所述数据处理器(5)为安装了有所编制的计算程序的计算机。
8.基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的方法，其特征在于，具体包括以下实施步骤：
S1.首先将激光发射装置(1)产生的径向偏振光束通过光学发射天线(2)扩束和准直后发射出，使发射出的光束经过各向异性大气湍流后由光学接收天线(3)接收；
S2.将光学接收天线(3)所接收的光束通过空间相干度测量仪(4)测量获得数据；
S3.利用数据处理器(5)处理空间相干度测量仪(4)获得数据计算出大气湍流各向异性因子。
9.根据权利要求8所述的基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的方法，其特征在于，所述的径向偏振光束为部分相干径向偏振高斯谢尔模光束，且大气湍流各向异性因子与径向偏振光束的空间相干度满足以下的函数表达式：
ξ＝g[μ(ρ1,ρ2,z),W(ρ1,ρ2,z)]
ξ为大气湍流各向异性因子，g[μ(ρ1,ρ2；z),W(ρ1,ρ2；z)]表示空间相干度μ(ρ1,ρ2；z)和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2；z)的函数关系式，ρ1,ρ2为任意两个位置矢量，且
Figure FDA0002535216930000021
是关于光束束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δxx与δyy，湍流内尺度l0，湍流外尺度L0，广义指数参数α，大气折射率结构常数
Figure FDA0002535216930000022
和传输距离z的函数。
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