CN114884577A - 一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法 - Google Patents

一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法 Download PDF

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余文辉
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Abstract

本发明公开了一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法，在基台上固定安装激光传输链路和阵列相干声波发生链路，激光传输链路完成激光的发射接收；阵列相干声波发生链路完成阵列相干声波的产生，并作用于大气湍流模拟装置产生的大气湍流；激光传输链路包括顺次排列的激光器、准直镜、大气湍流模拟装置、光斑分析仪、电脑，光斑分析仪信号连接电脑；阵列相干声波发生链路包括顺次排列的信号发生器、功率放大器、阵列相干声源，阵列相干声源的声波传输方向与激光传输链路垂直；信号发生器电性连接功率放大器，功率放大器电性连接阵列相干声源；在可见光频段随着阵列相干声源声波频率的不同，激光束通过声波扰动后实现大气湍流的不同的传输特性。

Description

一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法
技术领域
本发明涉及无线激光技术领域，具体为一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法。
背景技术
光作为人类信息传递和信息获取的重要手段之一，针对光波在大气湍流中的传播理论和应用技术研究，在各个国家国防、军事航天及民用领域都具有显著的学术价值和广泛的应用背景。且由于激光准直性好，结构简单，抗干扰能力强等特点，各种各样的激光通信系统诸如星载、机载激光对地通信系统，或者激光探测系统诸如激光制导，激光跟踪，激光雷达，激光测速测距，激光瞄准警告，激光遥感和测绘等等，它们都以不同作用分别应用在空间、空中和地面目标探测、识别和监视中，和我国航天、航空、国防和民用地空链路上光信息传输国家重大战略密切相关。
然而，地空链路光信息传输过程中，不可避免的受到大气湍流环境的影响，例如接收光斑发生闪烁和漂移现象：一方面闪烁现象导致了能量的损耗，使接收处的信噪比降低，有时甚至低于接收门限；另一方面漂移现象会使光斑部分或全部漂移到接收器孔径外，从而引起接收错误。再例如，对于直接接收方法且以信号大小为判据的激光雷达，大气湍流以闪烁(信号幅度起伏)的形式会干扰激光雷达的正常工作，但由于大气闪烁的影响，可能判断成无目标，这就造成了漏报错误。另外，在遥感工程中，常常用反射波来反演目标的物理特征，但是由于大气湍流的存在，大气折射率会发生微小的起伏，当激光穿
过其中时，光场强度起伏，相位扰动，光束会产生展宽和漂移，同样会造成很大的反演误差。这些由大气湍流所引起的效应会削弱光束质量，极大地限制了自由空间光通信系统、激光雷达系统、激光测距系统等系统的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种阵列相干声源装置，解决现有技术中没有相关设备主动影响大气信道从而改善激光在大气湍流中的传输特性的问题。声波是一种机械波，在传播过程中会引起空气分子的振动，使附近的空气分子产生规律的疏密变化，从而影响局部大气密度，造成对大气参数的扰动，使大气折射率在一定程度上发生改变。两列相干声波相遇会产生干涉叠加现象，产生稳定、持久、可控的大气声压分布，进而可以得到稳定、持久、可控的大气折射率起伏分布。因此采用阵列相干声源可达到主动影响大气湍流，来达到影响大气湍流效应。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法，在基台上固定安装激光传输链路和阵列相干声波发生链路，激光传输链路完成激光的发射接收；阵列相干声波发生链路完成阵列相干声波的产生，并作用于大气湍流模拟装置产生的大气湍流；
激光传输链路包括顺次排列的激光器、准直镜、大气湍流模拟装置、光斑分析仪、电脑，光斑分析仪信号连接电脑；
阵列相干声波发生链路包括顺次排列的信号发生器、功率放大器、阵列相干声源，阵列相干声源的声波传输方向与激光传输链路垂直；信号发生器电性连接功率放大器，功率放大器电性连接阵列相干声源；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：开启激光器，发射高斯光束发送到准直镜；
步骤2：准直镜使得高斯光束准直扩束，得到准直光束；
步骤3：准直光束经过大气湍流模拟装置入射到光斑分析仪；
步骤4：光斑分析仪将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大和模数转换，实现图像和数据的获取、存储、传输、处理，再通过终端中的BeamGage软件将信息直接传输到电脑；
步骤5：开启大气湍流模拟装置，设置模拟大气湍流强度；
步骤6：重复步骤4；
步骤7：开启信号发生器，信号发生器生成固定频率信号传输至功率放大器；
步骤8：开启功率放大器，功率放大器将信号放大后传输至阵列相干声源，阵列相干声源工作产生阵列相干声波；
步骤9：重复步骤4；
步骤10：改变信号发生器生成信号频率，重复步骤4；
在可见光频段随着阵列相干声源声波频率的不同，激光束通过声波扰动后实现大气湍流的不同的传输特性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过测试对比阵列相干声波影响局部大气湍流后的激光传输特性进行检测。检测了不同声源频率下，激光通过声波扰动局部大气湍流后的传输特性变化情况，解决现有技术中没有相关设备研究主动改善大气信道从而影响激光传输特性，在可见光频段随着阵列相干声源声波频率的不同，激光束通过声波扰动大气湍流后的传输特性不同。本发明对抑制激光在大气中传输湍流效应提供了思路和帮助。
附图说明
图1是本发明激光通过阵列相干声波扰动局部大气湍流传输的结构示意图；
图2是本发明三组不同激光传输特性的对比图；
图3是本发明的大气湍流模拟装置结构图。
图中，1.基台，2.激光器，3.准直镜，4.大气湍流模拟装置，5.光斑分析仪，6.电脑，7.信号发生器，8.功率放大器，9.阵列相干声源、11.透光口，12.冷却层，13.温度传感器,14.温控器14，15.加热管，16.加热层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的本发明附图，对本发明实施例中的本发明技术方案进行清楚、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。
如图1-3所示，本发明提供一种技术方案：一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法包括如下步骤：
步骤1：开启激光器2，发射高斯光束发送到准直镜3；
步骤2：准直镜3使得高斯光束准直扩束，得到准直光束；
步骤3：准直光束经过大气湍流模拟装置4入射到光斑分析仪5；
步骤4：光斑分析仪5将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大和模数转换，实现图像和数据的获取、存储、传输、处理，再通过终端中的BeamGage软件将信息直接传输到电脑6。
步骤5：开启大气湍流模拟装置4，设置模拟大气湍流强度。
步骤6：重复步骤4；
步骤7：开启信号发生器7，信号发生器7生成固定频率信号传输至功率放大器8；
步骤8：开启功率放大器8，功率放大器8将信号放大后传输至阵列相干声源9，阵列相干声源9工作产生阵列相干声波；
步骤9：重复步骤4；
上述步骤中：激光器2为远明激光的LSR532NL型号；大气湍流模拟装置4(如图3所示，基于流动相似性原理设计，尺寸：长1m、宽0.5m、高0.5m，可模拟温度差范围：0-50℃，内部固定安装温度传感器13，温度传感器13电性连接温控器14，温控器14电性连接加热管15，温度传感器13测得冷却层15与加热层16温度传数据至温控器14，温控器14通过改变输出电流大小控制加热管15功率，从而达到人工控制温度差的目的，进而产生不同强度大气湍流。其中11为透光口，12为冷却层，温度传感器13为联测仪表品牌的PT100型号，温控器14为宇电品牌的Al-207L型号，15为加热管，16为加热层)，光斑分析仪5为UPOLabs品牌的PhaseInsight光斑分析仪，信号发生器7为FNIRSI品牌的JDS-6615型号，功率放大器8为菱声品牌的SA-9019型号；阵列相干声源9为乐声松下品牌，参数为2.5寸、6欧、60W。
本发明利用阵列相干声源9扰动局大气湍流从而影响激光传输特性的方法分析了3次测试实验结果：
测试一：阵列相干声源9未开启；
测试二：开启阵列相干声源9，设置阵列相干声源9单个声源功率0.5W、频率1Khz；
测试三：开启阵列相干声源9，设置阵列相干声源9单个声源功率0.5W、频率5Khz；
测试四：开启阵列相干声源9，设置阵列相干声源9单个声源功率0.5W、频率10Khz。
通过上述方法，在同一条件下，只改变单个声源频率，将三组测验结果对比得到：
从图2可以看出，声源未开启时，光束的光斑漂移方差在6.9×10-10左右、闪烁指数在1.55×10-4左右、光束扩展直径在3.75mm左右；声源开启后，频率为1Khz时，光斑漂移方差下降至2.2×10-10左右、闪烁指数下降至3.49×10-5左右、光束扩展直径下降至3.26mm左右；声源开启后，频率为5Khz时，光斑漂移方差下降至2.7×10-10左右、闪烁指数下降至4.87×10-4左右、光束扩展直径下降至3.21mm左右、；声源开启后，频率为10Khz时，光斑漂移方差下降至2.5×10-10左右、闪烁指数下降至4.73×10-4左右、光束扩展直径下降至3.19mm左右。
因此，可得到声源开启后，声波对原本大气湍流结构产生了影响，从而对激光在大气湍流中传输后的激光特性光斑漂移方差、闪烁指数、光束扩展直径产生了影响，其他条件一定情况下，声源频率的改变对激光传输特性的影响也不同。通过人为改变声源参数，主动改善大气信道，进而达到主动抑制湍流效应的目的，该方法可以为抑制湍流效应提供一个新的思路，可有效改善地空链路上激光传输性能，对于无线激光技术的应用有十分重要的意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种影响激光在大气湍流中传输特性的方法，其特征在于，在基台(1)上固定安装激光传输链路和阵列相干声波发生链路，激光传输链路完成激光的发射接收；阵列相干声波发生链路完成阵列相干声波的产生，并作用于大气湍流模拟装置(4)产生的大气湍流；
激光传输链路包括顺次排列的激光器(2)、准直镜(3)、大气湍流模拟装置(4)、光斑分析仪(5)、电脑(6)，光斑分析仪(5)信号连接电脑(6)；
阵列相干声波发生链路包括顺次排列的信号发生器(7)、功率放大器(8)、阵列相干声源(9)，阵列相干声源(9)的声波传输方向与激光传输链路垂直；信号发生器(7)电性连接功率放大器(8)，功率放大器(8)电性连接阵列相干声源(9)；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：开启激光器(2)，发射高斯光束发送到准直镜(3)；
步骤2：准直镜(3)使得高斯光束准直扩束，得到准直光束；
步骤3：准直光束经过大气湍流模拟装置(4)入射到光斑分析仪(5)；
步骤4：光斑分析仪(5)将光学信号转换为模拟电流信号，经过放大和模数转换，实现图像和数据的获取、存储、传输、处理，再通过终端中的BeamGage软件将信息直接传输到电脑(6)；
步骤5：开启大气湍流模拟装置(4)，设置模拟大气湍流强度；
步骤6：重复步骤4；
步骤7：开启信号发生器(7)，信号发生器(7)生成固定频率信号传输至功率放大器(8)；
步骤8：开启功率放大器(8)，功率放大器(8)将信号放大后传输至阵列相干声源(9)，阵列相干声源(9)工作产生阵列相干声波；
步骤9：重复步骤4；
步骤10：改变信号发生器(7)生成信号频率，重复步骤4；
在可见光频段随着阵列相干声源声波频率的不同，激光束通过声波扰动后实现大气湍流的不同的传输特性。
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