CN111948206A - 一种自校正的大气湍流实时监控装置 - Google Patents

一种自校正的大气湍流实时监控装置 Download PDF

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白艳锋
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Abstract

本发明涉及一种自校正的大气湍流实时监控装置。该装置包括：激光器、可调扩束镜、大口径扩束镜、CCD相机、计算机及电控平移台，激光器发射空间光束，发射空间光束经可调扩束镜准直扩束后在大气湍流中传播，并被大口径扩束镜和CCD相机接收和探测；计算机编程计算出CCD相机探测到的光斑漂移、漂移方差和闪烁指数并将光斑漂移反馈给电控平移台，电控平移台通过光斑漂移对大口径扩束镜和CCD相机的位置进行调整；计算机通过漂移方差和闪烁指数分别反演出大气湍流折射率结构常数的大小并实时显示在计算机的屏幕上。本发明能够实现湍流大小的实时监控及接收光斑的及时校准，其结构简单，经济成本低。

Description

一种自校正的大气湍流实时监控装置
技术领域
本发明涉及大气激光通信领域，特别是涉及一种自校正的大气湍流实时监控装置。
背景技术
随着信息大爆炸时代的到来，传统的射频通信在通信速率上已跟不上信息技术的发展需要。自激光诞生以来，自由空间激光通信因其传输速率高、保密性好、架构简单、方向性强等优点而成为现代信息通信研究热点。大气作为其传输链路中不可避免的信道环境，其成分复杂多变，受太阳辐射和各种气象因素的影响呈现出大气湍流效应。激光在传播过程中由于受到大气湍流的影响而发生光强起伏、到达角起伏、光束漂移和扩展等湍流效应，进而对激光通信系统的稳定性和可靠性造成严重的影响。特别地是，在强湍流情况下，光束在传输一段时间后可能飘出接收系统，造成接收系统信号缺失。因而，对大气环境中湍流大小的实时监控及接收光斑的及时校准显得尤为重要。关于湍流的大小可用大气湍流折射率结构常数
Figure BDA0002630536260000011
来表征，通过对
Figure BDA0002630536260000012
的测量来实时监控湍流的大小。
目前，测量
Figure BDA0002630536260000013
的方法主要有双点法、光闪烁法、激光雷达法等。双点法利用电桥实验装置测量空气中两固定点的温度差来计算
Figure BDA0002630536260000014
的大小，但其测量结果仅局限于实验装置处的湍流大小；光闪烁法利用闪烁仪测量大气湍流中激光束的闪烁指数，然后通过大气中闪烁指数与
Figure BDA0002630536260000015
的理论近似关系来计算
Figure BDA0002630536260000016
的大小，但其测量结果对闪烁仪要求较高且缺乏可靠性验证；激光雷达法通过测量气溶胶或大气分子的后向散射光的特性参数来计算
Figure BDA0002630536260000017
的大小，但其测量系统复杂且需要高灵敏度的微光探测技术。另外，关于光束的传输一般通过自适应光学系统来校正大气湍流引起的光学波前畸变，但其系统通常需要高精度的探测仪器来实时探测波前畸变，且要求其能快速进行校正。
发明内容
本发明的目的是提供一种自校正的大气湍流实时监控装置，能够实现湍流大小的实时监控及接收光斑的及时校准，其结构简单，经济成本低。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自校正的大气湍流实时监控装置，包括：激光器、可调扩束镜、大口径扩束镜、CCD相机、计算机及电控平移台，所述大口径扩束镜和所述CCD相机固定在所述电控平移台上，所述激光器用于发射空间光束，所述发射空间光束经所述可调扩束镜准直扩束后在大气湍流中传播，并被所述大口径扩束镜和所述CCD相机接收和探测；所述计算机用于编程计算出所述CCD相机探测到的光斑漂移、漂移方差和闪烁指数并将所述光斑漂移反馈给所述电控平移台，所述电控平移台通过所述光斑漂移对所述大口径扩束镜和所述CCD相机的位置进行调整，实现对光斑的自动校准；所述计算机还用于通过所述漂移方差和所述闪烁指数分别反演出大气湍流折射率结构常数的大小并实时显示在所述计算机的屏幕上。
可选地，所述可调扩束镜用于对所述激光器发出的光束进行准直扩束，扩束光斑大小可调，适应不同传输距离。
可选地，所述CCD相机用于探测所述大口径扩束镜收集到的光斑图。
可选地，所述光斑漂移通过公式
Figure BDA0002630536260000021
和
Figure BDA0002630536260000022
确定；
其中，rx为光斑横向漂移,ry为光斑纵向漂移，N为采样数，＜xc＞和＜yc＞分别为系综平均值，
Figure BDA0002630536260000023
p、q分别为光斑图x、y方向的像素数，Δx、Δy为x、y方向的像元尺寸，I(x,y)为像数点的强度值。
可选地，所述漂移方差通过公式rc 2＝rx 2+ry 2确定，其中，rx为光斑横向漂移,ry为光斑纵向漂移，rc为光斑径向漂移，rc 2为漂移方差。
可选地，所述漂移方差通过公式
Figure BDA0002630536260000024
反演出大气湍流折射率结构常数的大小，其中，L为传输距离，W0为发射光斑半径，rc 2为漂移方差，
Figure BDA0002630536260000037
为大气湍流折射率结构常数。
可选地，所述闪烁指数通过公式
Figure BDA0002630536260000031
确定，其中，I为光斑强度值，
Figure BDA0002630536260000032
为闪烁指数。
可选地，所述闪烁指数通过公式
Figure BDA0002630536260000033
反演出大气湍流折射率结构常数的大小；
其中，
Figure BDA0002630536260000034
为闪烁指数，
Figure BDA0002630536260000035
L为传输距离，
Figure BDA0002630536260000036
为大气湍流折射率结构常数，k为波数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明通过计算探测光斑的漂移方差和闪烁指数来分别反演大气湍流结构常数，其大小可以相互验证，结果更可靠。
2、本发明能够自动校准光斑，能避免光束飘出接收系统。
3、本发明装置结构简单，易于调整，制造成本低。
4、本发明能实时探测与显示，可在计算机上观察大气中湍流的变化情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种自校正的大气湍流实时监控装置示意图；
图2是本发明实施例提供的一种自校正的大气湍流实时监控装置流程示意图。
符号说明：1-激光器；2-可调扩束镜；3-大口径扩束镜；4-CCD相机；5-计算机；6-电控平移台。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种自校正的大气湍流实时监控装置，能够实现湍流大小的实时监控及接收光斑的及时校准，其结构简单，经济成本低。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种自校正的大气湍流实时监控装置包括：激光器1、可调扩束镜2、大口径扩束镜3、CCD相机4、计算机5和电控平移台6，所述大口径扩束镜3和所述CCD相机4固定在所述电控平移台6上，所述激光器1用于发射空间光束，所述发射空间光束经所述可调扩束镜2准直扩束后在大气湍流中传播，并被所述大口径扩束镜3和所述CCD相机4接收和探测；所述计算机5用于编程计算出所述CCD相机4探测到的光斑漂移、漂移方差和闪烁指数并将所述光斑漂移反馈给所述电控平移台6，所述电控平移台6通过所述光斑漂移对所述大口径扩束镜3和所述CCD相机4的位置进行调整，实现对光斑的自动校准；所述计算机5还用于通过所述漂移方差和所述闪烁指数分别反演出大气湍流折射率结构常数的大小并实时显示在所述计算机5的屏幕上。
所述可调扩束镜2用于对所述激光器1发出的光束进行准直扩束，扩束光斑大小可调，适应不同传输距离。所述CCD相机4用于探测所述大口径扩束镜3收集到的光斑图。
所述光斑漂移通过公式
Figure BDA0002630536260000041
和
Figure BDA0002630536260000042
确定；
其中，rx为光斑横向漂移,ry为光斑纵向漂移，N为采样数，＜xc＞和＜yc＞分别为系综平均值，
Figure BDA0002630536260000043
p、q分别为光斑图x、y方向的像素数，Δx、Δy为x、y方向的像元尺寸，I(x,y)为像数点的强度值。
所述漂移方差通过公式rc 2＝rx 2+ry 2确定，其中，rx为光斑横向漂移,ry为光斑纵向漂移，rc为光斑径向漂移，rc 2为漂移方差。
所述漂移方差通过公式
Figure BDA0002630536260000051
反演出大气湍流折射率结构常数的大小，其中，L为传输距离，W0为发射光斑半径，rc 2为漂移方差，
Figure BDA0002630536260000052
为大气湍流折射率结构常数。
所述闪烁指数通过公式
Figure BDA0002630536260000053
确定，其中，I为光斑强度值，
Figure BDA0002630536260000054
为闪烁指数。
所述闪烁指数通过公式
Figure BDA0002630536260000055
反演出大气湍流折射率结构常数的大小；
其中，
Figure BDA0002630536260000056
为闪烁指数，
Figure BDA0002630536260000057
L为传输距离，
Figure BDA0002630536260000058
为大气湍流折射率结构常数，k为波数。
本发明的自校正的大气湍流实时监控装置，通过计算探测光斑的漂移方差和闪烁指数来分别反演大气湍流结构常数，其大小可以相互验证，结果更可靠。本发明电控平移台通过光斑漂移对大口径扩束镜和CCD相机的位置进行调整，从而实现自动校准光斑，能避免光束飘出接收系统。本发明装置结构简单，易于调整，制造成本低。本发明能实时探测与显示，可直接在计算机上观察大气中湍流的变化情况。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，包括：激光器、可调扩束镜、大口径扩束镜、CCD相机、计算机及电控平移台，所述大口径扩束镜和所述CCD相机固定在所述电控平移台上，所述激光器用于发射空间光束，所述发射空间光束经所述可调扩束镜准直扩束后在大气湍流中传播，并被所述大口径扩束镜和所述CCD相机接收和探测；所述计算机用于编程计算出所述CCD相机探测到的光斑漂移、漂移方差和闪烁指数并将所述光斑漂移反馈给所述电控平移台，所述电控平移台通过所述光斑漂移对所述大口径扩束镜和所述CCD相机的位置进行调整，实现对光斑的自动校准；所述计算机还用于通过所述漂移方差和所述闪烁指数分别反演出大气湍流折射率结构常数的大小并实时显示在所述计算机的屏幕上。
2.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述可调扩束镜用于对所述激光器发出的光束进行准直扩束，扩束光斑大小可调，适应不同传输距离。
3.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述CCD相机用于探测所述大口径扩束镜收集到的光斑图。
4.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述光斑漂移通过公式
Figure FDA0002630536250000011
和
Figure FDA0002630536250000012
确定；
其中，rx为光斑横向漂移,ry为光斑纵向漂移，N为采样数，＜xc＞和＜yc＞分别为系综平均值，
Figure FDA0002630536250000013
p、q分别为光斑图x、y方向的像素数，Δx、Δy为x、y方向的像元尺寸，I(x,y)为像数点的强度值。
5.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述漂移方差通过公式rc 2＝rx 2+ry 2确定，其中，rx为光斑横向漂移,ry为光斑纵向漂移，rc为光斑径向漂移，rc 2为漂移方差。
6.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述漂移方差通过公式
Figure FDA0002630536250000021
反演出大气湍流折射率结构常数的大小，其中，L为传输距离，W0为发射光斑半径，rc 2为漂移方差，
Figure FDA0002630536250000022
为大气湍流折射率结构常数。
7.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述闪烁指数通过公式
Figure FDA0002630536250000023
确定，其中，I为光斑强度值，
Figure FDA0002630536250000024
为闪烁指数。
8.根据权利要求1所述的自校正的大气湍流实时监控装置，其特征在于，所述闪烁指数通过公式
Figure FDA0002630536250000025
反演出大气湍流折射率结构常数的大小；
其中，
Figure FDA0002630536250000026
为闪烁指数，
Figure FDA0002630536250000027
L为传输距离，
Figure FDA0002630536250000028
为大气湍流折射率结构常数，k为波数。
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