CN1203296C - 斜程固定路径上大气相干长度的测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜程固定路径上大气相干长度的测量装置及其方法，由信标光源、光学接收、光电转换系统和数据处理系统组成，其特征在于光学接收、光电转换系统包括卡塞格林式接收光学望远镜、光学成像系统和装在望远镜上的用于到达角起伏测量的摄像机；数据处理系统包括视频信号采集卡、计算机和数据处理软件。利用光波到达角起伏的原理测量斜程固定路径上大气相干长度的方法，测量陆地观测点与空中气球之间有限高度上斜程固定路径的大气相干长度。本发明结构简单，成本低廉，操作方便。方法先进、新颖，利于推广。

Description

斜程固定路径上大气相干长度的测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种大气相干长度的测量装置及其方法，确切地说是一种斜程固定路径上大气相干长度的测量装置及其方法。

背景技术

激光大气传输及自适应光学相位校正研究需要对大气湍流介质进行定量的描述。激光在整层大气上行或下行传输过程中，大气相干长度提供了传输路径上的综合湍流强度，为分析作用面上的光强分布特征提供基本的参数。所以大气相干长度是表征大气湍流强度、用于激光大气传输以及自适应光学研究的重要参量。

在这以前，测量大气相干长度皆以大气外界天体(恒星或太阳)作为光源进行测量，这样获得的大气相干长度为描述整个大气的量，但在实际激光应用工程中，希望获得天空中有限距离内的相干长度值，这对测量方法提出了挑战。

发明内容

本发明针对测量大气相干长度中存在的问题，利用光波到达角起伏的原理测量斜程固定路径上大气相干长度的测量装置及其方法成功地解决了有限高度上球面波大气相干长度值的测量问题，对激光大气传输的工程应用做出了重要贡献。

本装置由信标光源、包括卡塞格林式接收光学望远镜、光学成像系统和装在望远镜上的用于到达角起伏测量的摄像机的光学接收、光电转换系统和包括视频信号采集卡、计算机的数据处理软件的数据处理系统组成，其特征在于：

a、所述的信标光源为没有方向的碘钨灯；

b、口径为300-350mm卡塞格林式接收光学望远镜前装有两个口径为100mm的接收光阑。

另外，摄像机采用MTV-2821CB型CCD摄像机。

其测量方法按下列步骤进行：

a、在系留气球上搭载一个点光源，即采用了无方向性的碘钨灯作为信标光源；

b、将大气相干长度的测量装置安置在离系留气球一定的距离处，信标光源通过斜程固定路径经湍流大气后，由大气相干长度的测量装置的接收望远镜成像；

c、大气相干长度的测量装置上的卡塞格林式接收光学望远镜和光学成像系统将信标光在CCD摄像机接收平面上形成两个像；

d、自动或手动对要观测的信标光源进行搜索和跟踪，使信标光通过光学系统在CCD摄像机接收靶面上形成的两个像停留一定的时间，为6-9秒钟；

e、CCD摄像机输出的图像信号由视频图像采集卡采集，经图像处理后利用下式计算出斜程大气相干长度值r₀：

$r_0={\left\{\frac{{2f}^2[0.36{(\mathrm{\&lambda;}/D)}^{1/3}-0.242{(\mathrm{\&lambda;}/d)}^{1/3}]{\mathrm{\&lambda;}}^{5/3}}{<{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c^2>-{<{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c>}^2}\right\}}^{3/5}$

图像处理过程是：

a、CCD摄像机输出的图像信号首先由视频图像采集卡采集，其采集速度为25帧/每秒，每次采集150-200帧的数据；

b、将150帧图像数据存入计算机内存；

c、利用图像处理软件逐帧调出图像数据，算出每幅图像中的两个像的中心位置Pc，并得到Δρ_c；

d、利用计算机程序计算出斜程大气相干长度值r₀，计算公式为

$r_0={\left\{\frac{{2f}^2[0.36{(\mathrm{\&lambda;}/D)}^{1/3}-0.242{(\mathrm{\&lambda;}/d)}^{1/3}]{\mathrm{\&lambda;}}^{5/3}}{<{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c^2>-{<{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c>}^2}\right\}}^{3/5}$

本发明的效果：

1、本发明利用光波到达角起伏的原理测量斜程固定路径上大气相干长度的

测量装置及其方法成功地解决了有限高度上球面波大气相干长度值的测量问题，对激光大气传输的工程应用做出了重要贡献。

2、本装置结构简单，成本低廉，操作方便。

3、本发明采用的测量方法先进、新颖，利于推广。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本装置由信标光源1、光学接收、光电转换系统2和数据处理系统3组成，光学接收、光电转换系统2包括卡塞格林式接收光望远镜4、光学成像系统5和装与望远镜上的用于到达角起伏测量的摄像机6。测量时，在系留气球上搭载一个点光源，即采用了无方向性的碘钨灯作为信标光源1。将本装置安置在离系留气球一定的距离的地方，信标光源通过斜程固定路径经湍流大气后，由本装置的接收望远镜4成像。300-350mm卡塞格林式接收光学望远镜前装有两个口径为100mm的接收光阑7。光学成像系统使得光学望远镜接受的两个信标光像进一步分离这样在MTV-2821CB型CCD摄像机接收靶面上就成了两个分离的信标光像。由于空气中气球上信标光会跟随着大气中风速、风向的变化而产生漂移，在进行斜程测量时，需要手动对要观测的信标光源进行搜索和跟踪，使得信标光通过光学系统在CCD摄像机接靶面上形成两个像停留一定的时间，为6-9秒钟。CCD摄像机输出的图像信号首先通过视频信号采集卡8采集，采集速率为25帧/每秒，每次采集150-200帧的数据，将其存入计算机9内存，再利用图像处理软件逐帧调出图像数据，算出每幅图像的中心位置ρ_c，并得到Δρ_c，利用计算机程序计算出斜程大气相干长度值r₀，计算公式为：

$r_0={\left\{\frac{{2f}^2[0.36{(\mathrm{\&lambda;}/D)}^{1/3}-0.242{(\mathrm{\&lambda;}/d)}^{1/3}]{\mathrm{\&lambda;}}^{5/3}}{<{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c^2>-{<{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c>}^2}\right\}}^{3/5}$

Claims (4)

1、一种斜程固定路径上大气相干长度的测量装置，由信标光源、包括卡塞格林式接收光学望远镜、光学成像系统和装在望远镜上的用于到达角起伏测量的摄像机的光学接收、光电转换系统和包括视频信号采集卡、计算机和数据处理软件的数据处理系统组成，其特征在于：

a、所述的信标光源为没有方向的碘钨灯；

b、口径为300-350mm卡塞格林式接收光学望远镜前装有两个口径为100mm的接收光阑。

2、根据权利要求1所述的斜程固定路径上大气相干长度的测量装置，其特征在于所述的摄像机采用MTV-2821CB型CCD摄像机。

3、斜程固定路径上大气相干长度的测量方法，其特征在于按下列步骤进行：

a、在系留气球上搭载一个点光源，即采用了无方向性的碘钨灯作为信标光源；

b、将大气相干长度的测量装置安置在离系留气球一定的距离处，信标光源通过斜程固定路径经湍流大气后，由大气相干长度测量装置的接收望远镜成像；

c、大气相干长度的测量装置上的卡塞格林式接收光学望远镜和光学成像系统将信标光在CCD摄像机接收平面上形成两个像；

d、自动或手动对要观测的信标光源进行搜索和跟踪，使信标光通过光学系统在CCD摄像机接收靶面上形成的两个像停留一定的时间，为6-9秒钟；

e、CCD摄像机输出的图像信号由视频图像采集卡采集，经图像处理后利用下式计算出斜程大气相干长度值r₀：

$r_0={\left\{\frac{2f^2[0.36{(\mathrm{\&lambda;}/D)}^{1/3}-0.242{(\mathrm{\&lambda;}/d)}^{1/3}]{\mathrm{\&lambda;}}^{5/3}}{{\&lang;{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c^2\&rang;-\&lang;{\mathrm{\&Delta;\&rho;}}_c\&rang;}^2}\right\}}^{3/5}$

4、根据权利要求3所述的斜程固定路径上大气相干长度的测量方法，其特征在于图像处理过程是：

a、CCD摄像机输出的图像信号首先由视频图像采集卡采集，其采集速度为25帧/每秒，每次采集150-200帧的数据；

b、将150-200帧图像数据存入计算机内存；

c、利用图像处理软件逐帧调出图像数据，算出每幅图像中的两个像的中心位置ρ_c，并得到Δρ_c；

d、利用上述计算公式计算出斜程大气相干长度值r₀。

Images