CN117030013B - 一种光束大气直线传输补偿方法及系统 - Google Patents

一种光束大气直线传输补偿方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光束大气直线传输补偿方法及系统；解决现有技术中，未有对光束传输过程的偏折程度进行分析，因而不能满足实时测量要求的技术问题；方法包括步骤1：出射准直光束，沿光束传输路径，在光束周侧依次设置至少两个环境监测点；步骤2：获得每个环境监测点处的气象参数，所述气象参数包括温度、湿度、压强、风速以及风向；步骤3：基于步骤2中的温度、湿度、压强，计算每个环境监测点的大气折射率；步骤4：基于步骤2中的风速、风向以及步骤3中每个环境监测点的大气折射率，获得光束的偏折路径；步骤5：基于步骤4中光束的偏折路径，对光束进行偏折补偿，完成光束大气直线传输的补偿；本发明还提出实现上述方法的系统。

Description

一种光束大气直线传输补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及一种光束大气直线传输补偿方法及系统，可广泛应用于不均匀大气环境测量时的光线实时偏折补偿。
背景技术
光束在大气中传输时，易被大气中的分子、气溶胶、烟尘等散射和吸收，造成光束信号的衰减，并且近地面大气湍流的影响会引起光波振幅和相位起伏，破坏光束相干性，产生光强闪烁、光斑扩展、光束漂移和波前畸变等现象，使得光束质量退化，探测能力下降，限制了其在跟踪测距、光学成像、光束通信等领域的应用。
风力发电叶片变形测量、大口径射电望远镜的多面板位姿测量等大尺寸合作目标测量时，近地面表面环境极度不稳定，光束测量受到大气衰减和湍流效应的影响不可忽视，其中对光束实现各种大尺寸合作目标的快速高精度位姿测量方法中影响最大的是光束偏折。
由于大气状态的时间演化，随机大气介质能在多长时间内保持统计意义上的平稳状态很难确定，且大尺寸合作目标近地面测量时，大气介质可能会以小于秒级为量级变化，且变化范围随机，因此需要对光束大气直线传输进行实时测量。
在现有的光束大气传输技术专利文献中，对光束偏折的测量手段有多种方案：方案一采用单一点测量的气象监测手段，大气条件瞬息万变，在短时间内湍流起伏，是否满足各态历经更加难以确定，使得单一点测量的光束大气传输缺乏检测数据的真实性和实时性，往往无法满足实际需要。公开号为CN113670438A的中国专利中，通过分束镜等光学元件操作获得入射光束在原坐标系中的位置偏移量和角度偏差量，从而实现高精度光束漂移的检测，但其仅包含精确性，不涉及实时性和广泛适用性；方案二如公开号为CN114910922A的中国专利中，通过自适应光学相位校正技术调整光束偏折，但其只能进行相位校正，若要实现大气湍流对光束偏折影响的全面校正，就必须同时考虑相位和振幅二者的变化，适用性有限；方案三通过判断湍流强度的等级进行光束大气影响的判定，比如弱湍流时根本不考虑大气对光束传输的影响，中强湍流通过固定的大气折射率的计算公式进行计算，这种先验算法缺乏对环境可变的实时监测，进而影响光束大气直线传输的可预测性；方案四仅通过数值仿真模拟光束的偏折情况，其中大气折射率的设置等都是固定值，但实际大气湍流可能更为复杂，功率谱并不是具有一个单一幂值的函数，可能是几种幂律的混合，因此仅数值仿真光束大气传输的方法不具有普遍性和实时性。目前在公开的专利文献中，全部是针对光束在大气传输最终偏折情况的分析，尚未发现有对光束传输过程偏折程度进行分析的报道，因而不能满足实时测量的要求。
因此目前急需设计一种光束大气直线传输补偿的方法，能够应用于所有近地面表面环境极度不稳定时保证光束大气传输的实时直线传播，其方法既能适用于多种环境变化，又能提供光束大气传播路径上的实时偏折变化，为后续所有的高精度光束测量提供保障。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中，未有对光束传输过程的偏折程度进行分析，因而不能满足实时测量要求的技术问题，提出一种光束大气直线传输补偿方法及系统，通过在光束传输路径上设置多个距离相等或不等的环境监测点，通过环境监测模块测量对应环境监测点的温度、湿度、压强、风速以及风向等气象参数，并根据每个环境监测点的温度、湿度、压强计算大气折射率，利用风速、风向等信息得到光束大气传输的整体偏折路径，最后通过偏移补偿完成光束大气的直线传输补偿，实现近地面表面环境极度不稳定时的光线传输的直线稳定性。
为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
一种光束大气直线传输补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：出射准直光束，沿光束传输路径，在光束周侧依次设置至少两个环境监测点；
步骤2：获得每个环境监测点处的气象参数，所述气象参数包括温度、湿度、压强、风速以及风向；
步骤3：基于步骤2中的温度、湿度、压强，计算每个环境监测点的大气折射率；
步骤4：基于步骤2中的风速、风向以及步骤3中每个环境监测点的大气折射率，获得光束的偏折路径；
步骤5：基于步骤4中光束的偏折路径，对光束进行偏折补偿，完成光束大气直线传输的补偿。
进一步地，4.1基于步骤3中每个环境监测点的大气折射率，通过非线性曲线拟合，获得光束传输路径上所有点的大气折射率；
4.2根据步骤4.1中光束传输路径上所有点的大气折射率，以及步骤2中的风速和风向，根据折射定律计算光束传输路径上所有点的偏折角，获得光束的偏折路径。
进一步地，4.1基于步骤2中每个环境监测点的风速、风向以及大气折射率，获得光束传输路径上的风速变化梯度；
4.2基于步骤4.1中的光束传输路径上的风速变化梯度，以及相邻两个环境监测点之间的距离，根据折射定律计算每个环境监测点处的偏折角；
4.3对步骤4.2中所有环境监测点处的偏折角进行非线性曲线拟合，获得光束的偏折路径。
进一步地，步骤1中，定义所述至少两个环境监测点中每个环境监测点与光束之间的距离为E，则E满足以下公式：
0＜E≤10mm。
进一步地，所述步骤5具体为：
基于步骤4中光束的偏折路径，对光束传输路径上不同位置处的光束偏折角施加一个与光束偏折角互为逆的偏移补偿；
和/或，基于步骤4中光束的偏折路径，选取任意一段局部路径，根据局部路径两端点的大气折射率判断光束的遮挡情况，进行局部角度偏移补偿；
和/或，基于步骤4中光束的偏折路径，通过光束发射的角度经一定传输距离后计算最终的光束偏折角，求出光束在一定传输距离下的光斑偏移量，对偏移方向施加相应互为逆的偏移量进行光束大气直线传输补偿；
完成光束大气直线传输的补偿。
进一步地，所述步骤4.3中的非线性曲线拟合方法与步骤4.1中的非线性曲线拟合方法相同。
进一步地，所述环境监测点的数量为七个。
进一步地，所述步骤3中，大气折射率N的计算公式如下：N=77.6890×p/K+71.2952×Q×e0/K+375463×Q×e0/K2
其中，K是开尔文温度，K=T+273.15，e0为饱和水汽压，p为压强，Q为湿度，T为温度。
本发明还提出一种光束大气直线传输补偿系统，其特殊之处在于：
包括光束发射模块、中央处理模块和至少两个环境监测模块；
所述光束发射模块用于发射准直光束；
所有所述环境监测模块沿光束传输路径，依次设置在光束周侧，用于监测对应位置处的气象参数，所述气象参数包括温度、湿度、压强、风速以及风向；
所述中央处理模块与环境监测模块连接，用于以小于秒级的量级实时记录气象参数并实现上述一种光束大气直线传输补偿方法。
进一步地，所述环境监测模块包括用于测量温湿度以及压强的温湿度计和用于测量风速与风向的风速风向记录仪；所述温湿度计和风速风向记录仪与中央处理模块连接；
所述光束发射模块包括底座以及设置在底座上的光束出射及准直单元。
本发明的有益效果：
1、本发明中，使用多个环境监测模块，对一定传输距离内的多个环境监测点连续监测温度、湿度、压强、风速和风向，保证整个光束传输距离的全面覆盖，并保证大气折射率在光束传输的每个位置的精准计算。
2、本发明中，针对不同光束测试环境灵活选取不同个数的环境监测点，确保所有环境监测点发挥最大监测功效。
3、本发明中，在光束一定距离范围内，选取相应环境监测点，且环境监测点的实际位置要求精度不苛刻，仅需要知道每两个环境监测点的绝对距离。
4、本发明中，根据每个环境监测点的风向，将光束传输路径分析成n个不同大气折射率的大气介质，作为湍流流动的方向，用于分析真实环境中的湍流情况，确保本发明的真实性和有效性。
5、本发明中，可以获得任意位置环境监测点的监测情况。
6、本发明中，通过以小于秒级的量级实时记录反馈气象参数，计算和拟合光束的偏折路径，确保了本发明的实时性和准确性。
7、本发明中，可以根据需求选取多点偏折补偿、局部偏折补偿和/或整体偏折补偿，完成光束大气的直线传输补偿，确保了测量结果的精确性和完整性。
附图说明
图1为本发明一种光束大气直线传输补偿系统实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的光束大气传输偏折程度原理示意图；
附图标号说明：
1- 光束发射模块、11-底座、12-光束出射及准直单元；
2-环境监测模块；
3-中央处理模块、31-显示屏、32-中央处理器。
具体实施方式
实施例1：
本发明提出一种光束大气直线传输补偿系统，如图1所示，包括光束发射模块1、中央处理模块3和七个环境监测模块2；
各模块的功能、组成及设置方式如下：
光束发射模块1用于输出一条高功率光束，且输出的光束具有确定的传输距离，并且在长时间传输时具有稳定性，光束发射模块1包括底座11以及设置在底座11上的光束出射及准直单元12。
在光束传输路径周侧依次设置七个环境监测点，七个环境监测模块2依次设置在七个环境监测点处，分别用于监测七个环境监测点的气象参数，七个环境监测模块2不均匀设置或者均匀设置，在本实施例中，七个环境监测模块2均匀设置，光束发射模块1输出的高功率光束覆盖所有环境监测模块2，通过七个环境监测模块2可以同时监测七个环境监测点的气象参数，每个环境监测模块2均包括温湿度计和风速风向记录仪，即沿光束的传播方向，在光束传输路径周侧上均匀地选取七个点，分别放置高精度温湿度计和高精度风速风向记录仪，温湿度计用于测量当前位置的温度、湿度和压强，风速风向记录仪用于测量当前位置的风速与风向，高精度温湿度计和风速风向记录仪要确保一定的测量误差精度，以及必须保持高同步数据记录。
中央处理模块3与每个温湿度计和风速风向记录仪连接，用于以小于秒级的量级实时记录大气环境参数。中央处理模块3包括显示屏31以及中央处理器32，中央处理模块3与每个温湿度计和风速风向记录仪采用蓝牙和/或WIFI进行数据传输。
在本实施例中，光束发射模块1采用高功率定焦光束发射，确保发射的光束光斑的稳定性，减少由于光源本身带来的光束偏差。温湿度计和风速风向记录仪测量误差在允许范围内，且两者保持以小于等于秒级为单位数据记录的高精度统一性和同时性。
基于上述一种光束大气直线传输补偿系统，本发明还提出一种光束大气直线传输的补偿方法，具体包括以下步骤：
步骤1：光束发射模块1发射准直光束；
步骤2：沿光束传输路径，在距离光束±10mm以内的位置依次设置七个环境监测点P1，P2，…，P7，并将七个环境监测模块2分别设置在七个环境监测点处，其中，七个环境监测点的具体位置根据实际分析情况而定，可分布均匀或不均匀，需保证，环境监测点的位置不能遮挡光束的传播路径；
步骤3：获得相邻两个环境监测点之间的距离L1， L2， L3，…，L6；通过设置的环境监测模块2监测对应环境监测点所在位置的气象参数，所述气象参数包括温度T，湿度Q，压强p，风速V以及风向f，分别定义为：P1T，P1Q，P1p，P1V，P1f，P2T，P2Q，P2p，P2V，P2f，…P7T，P7Q，P7p，P7V，P7f；
步骤4：根据步骤3中七个环境监测点的温度T，湿度Q，压强p，通过以下公式分别计算得到七个环境监测点对应的大气折射率N1，N2， N3，... ，N7；
大气折射率的计算公式为：N=77.6890×p/K+71.2952×Q×e0/K+375463×Q×e0/K2
其中，K为开尔文温度，K=T+273.15，e0为饱和水汽压；
步骤5：基于步骤4中得到的七个环境监测点对应的大气折射率N1，N2， N3，... ，N7，将步骤3中的风向f作为每个环境监测点处不同折射介质的监测方向，分析光线传输情况，并基于步骤3中的风速V，获得光束传输路径上的风速变化梯度（环境监测点的风向作为光束传输路径上每个环境监测点的湍流介质传输的方向），具体的：统一风速风向记录仪的风向，将监测到的风向角度叠加到每个环境监测点，获得七个环境监测点的风速变化梯度；
步骤6：基于步骤5中的风速变化梯度以及步骤3中的相邻两个环境监测点之间的距离，根据折射定律计算每个环境监测点处光束的偏折角，获得的偏折角曲线如图2所示，图中，A表示偏折角曲线，B表示光束理想路径；
步骤7：对步骤6得到的所有环境监测点的偏折角做非线性曲线拟合，得到光束传输路径上所有点的偏折，拟合出整体光束的偏折路径；
在本实施例中，非线性曲线拟合通过Gauss函数拟合，并通过Levenberg-Marquadt算法进行迭代，具体公式为：
y=y0+(Ae/(w×(π/2)^(1/2))^(-2×(x-xc)^2/(w^2)；
其中，A为高斯曲线的峰值，xc为高斯曲线的峰值的横坐标，w为标准差，y0为高峰曲线的谷值对应的纵坐标，y为拟合后的点的纵坐标；e为自然常数；
步骤8：同时分析不同位置的光线偏折程度，对如图2所示的光束偏折角施加一个与光束偏转互为逆的偏移补偿，实现光束传输路径的多点同时补偿；或者选取任意一段路径的光线偏折进行分析，进行局部角度偏折补偿；或者通过光束发射的角度经一定距离后计算最终的光束偏折角，求出光束预期距离下的光斑偏移情况，对偏移方向施加相应的偏移量进行光束大气直线传输补偿，完成光束大气直线传输的补偿。
实施例2：
实施例2与实施例1中的步骤3、步骤5-步骤8不同：
步骤3中无需计算相邻两个环境监测点之间的距离；
步骤5：基于步骤4中每个环境监测点的大气折射率，通过非线性曲线拟合，获得光束传输路径上所有点的大气折射率；
步骤6：基于步骤5中光束传输路径上所有点的大气折射率，以及步骤2中的风速、风向，根据折射定律计算光束传输路径上所有点的偏折角，从而获得光束的偏折路径；
随后进行偏折补偿。

Claims (7)

1.一种光束大气直线传输补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：出射准直光束，沿光束传输路径，在光束周侧依次设置至少两个环境监测点；
步骤2：获得每个环境监测点处的气象参数，所述气象参数包括温度、湿度、压强、风速以及风向；
步骤3：基于步骤2中的温度、湿度、压强，计算每个环境监测点的大气折射率；
步骤4：基于步骤2中的风速、风向以及步骤3中每个环境监测点的大气折射率，获得光束的偏折路径；
步骤5：基于步骤4中光束的偏折路径，对光束进行偏折补偿，完成光束大气直线传输的补偿；
所述步骤4具体为：
4.1基于步骤2中每个环境监测点的风速、风向以及步骤3中大气折射率，获得光束传输路径上的风速变化梯度；
4.2基于步骤4.1中的光束传输路径上的风速变化梯度，以及相邻两个环境监测点之间的距离，根据折射定律计算每个环境监测点处的偏折角；
4.3对步骤4.2中所有环境监测点处的偏折角进行非线性曲线拟合，获得光束的偏折路径。
2.根据权利要求1所述的一种光束大气直线传输补偿方法，其特征在于：
步骤1中，定义所述至少两个环境监测点中每个环境监测点与光束之间的距离为E，则E满足以下公式：
0＜E≤10mm。
3.根据权利要求2所述的一种光束大气直线传输补偿方法，其特征在于：
所述步骤5具体为：
基于步骤4中光束的偏折路径，对光束传输路径上不同位置处的光束偏折角施加一个与光束偏折角互为逆的偏移补偿；
和/或，基于步骤4中光束的偏折路径，选取任意一段局部路径，根据局部路径两端点的大气折射率判断光束的遮挡情况，进行局部角度偏移补偿；
和/或，基于步骤4中光束的偏折路径，通过光束发射的角度经一定传输距离后计算最终的光束偏折角，求出光束在一定传输距离下的光斑偏移量，对偏移方向施加相应互为逆的偏移量进行光束大气直线传输补偿；
完成光束大气直线传输的补偿。
4.根据权利要求3所述的一种光束大气直线传输补偿方法，其特征在于：
所述环境监测点的数量为七个。
5.根据权利要求4所述的一种光束大气直线传输补偿方法，其特征在于：
所述步骤3中，大气折射率N的计算公式如下：
N＝77.6890×p/K+71.2952×Q×e0/K+375463×Q×e0/K2
其中，K是开尔文温度，K＝T+273.15，e0为饱和水汽压，p为压强，Q为湿度，T为温度。
6.一种光束大气直线传输补偿系统，其特征在于：
包括光束发射模块(1)、中央处理模块(3)和至少两个环境监测模块(2)；
所述光束发射模块(1)用于发射准直光束；
所有所述环境监测模块(2)沿光束传输路径，依次设置在在光束周侧，用于监测对应位置处的气象参数，所述气象参数包括温度、湿度、压强、风速以及风向；
所述中央处理模块(3)与环境监测模块(2)连接，用于以小于秒级的量级实时记录气象参数并实现权利要求1-5任一所述的一种光束大气直线传输补偿方法。
7.根据权利要求6所述的一种光束大气直线传输补偿系统，其特征在于：
所述环境监测模块(2)包括用于测量温湿度以及压强的温湿度计和用于测量风速与风向的风速风向记录仪；所述温湿度计和风速风向记录仪与中央处理模块(3)连接；
所述光束发射模块(1)包括底座(11)以及设置在底座(11)上的光束出射及准直单元(12)。
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