CN203376261U - 一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，采用固体激光器作为发射光源，利用大口径发射望远镜将激光束扩束聚焦到空中形成瑞利激光信标，由多套离轴式接收望远镜对信标处的后向散射光进行接收，通过后继光路将接收到的光分成两束，在探测器上形成双光斑图像。统计两个光斑质心间距的起伏计算出该距离处的差分到达角起伏方差，再改变聚焦信标的距离，依次计算出多个距离处的差分到达角起伏方差，最后通过一定的反演算法计算大气湍流强度廓线。该大气湍流强度廓线测量装置不仅能够实时获得大气湍流强度廓线，而且具有测量路径可控，距离分辨率高的优点。

Description

一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置

技术领域

本实用新型属于光学测量仪器技术领域，涉及一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置。

背景技术

激光束在大气中传输时，由大气密度起伏所致的大气折射率起伏会使得在其中传输的光束产生光束漂移、光束扩展、光强闪烁、相位起伏等效应，破坏激光束的相干性，严重影响光束的传播质量。在大气光学研究中，大气湍流强度C_n ²是表征大气湍流特性的一个基本参数。测量获得的大气湍流强度廓线，能精细地描述大气中湍流的细节，从而为激光大气传输效应研究提供基本参数。

目前，测量大气湍流强度廓线的方法有：温度脉动仪探空法，微波雷达，声雷达和光学方法(SCIDAR、MASS)。温度脉动仪探空法采用探空气球吊挂温度脉动仪进行探空测量，这种方法具有很高的空间分辨率，但是由于气球受风的影响，测量路径不受控制，另外，测量一条廓线的时间也较长。微波雷达通过测量雷达信号的后向散射功率计算大气湍流强度，但需要提供路径上的温度和湿度，比较费时，且湿度对测量的影响很难扣除，所以，精度也不高。声雷达测量原理与微波雷达类似，但由于声波是机械波，只能测量大气边界层，且由于声功率的限制，使测量高度有限。SCIDAR方法通过检测一定面积上光强或相位分布的相关性，得到大气湍流强度廓线，但要求间隔一定距离的两个光源作为信标，对信标的要求较为苛刻，且要求望远镜口径较大，一般在1m以上，给其应用带来了很大的限制。MASS是一种低分辨率的大气湍流强度廓线测量装置，只能给出6至7个距离的大气湍流强度值，空间分辨率低。

实用新型内容

本实用新型解决的问题在于提供一种离轴式大气湍流强度廓线测量装置，不仅能够实时获得大气湍流强度廓线，而且具有测量路径可控，距离分辨率高的优点。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，包括激光器，激光器发射的激光束经反射镜后进入发射望远镜，激光束由发射望远镜扩束后发射至平板反射镜，平板反射镜将光束反射至空中设定距离聚焦，形成激光信标；由平板反射镜对激光信标的后向散射光进行接收并反射至离轴式接收望远镜中，接收望远镜接收的光由三角棱镜反射进入后继光路，后继光路将光束分光后传输至光电探测器中，光电探测器将接收的光束成像并将光信号转换为电信号，电信号经数据采集与处理单元采集、转换为数字信号，通过对空间不同距离处的激光信标图像进行处理后，计算大气湍流强度廓线。

所述的激光器发射的激光束经由两个光路平行的反射镜反射后进入发射望远镜中。

所述发射望远镜为施密特-卡赛格林式结构，包括副镜和主镜，激光束由副镜扩束并反射至主镜，再由主镜聚焦发射，主镜聚焦发射的激光束经平板反射镜反射后，在空中预定距离处聚焦。

所述通过调节发射望远镜中副镜和主镜之间的间距，主镜聚焦发射的激光束经平板反射镜反射后，在空中不同距离处聚焦，形成瑞利激光信标。

所述的平板反射镜的俯仰角可根据光路调节，使主镜聚焦发射的激光束经平板反射镜反射后沿设定的方向传输。

所述的接收望远镜包括凸面镜、反射镜和椭球凹面镜，椭球凹面镜将由平板反射镜反射的光束反射至凸面镜，凸面镜将光束反射至反射镜，反射镜将光束反射至三角棱镜，三角棱镜将光束反射至后继光路中。

所述的接收望远镜为由多套对称的离轴式接收望远镜组成的接收望远镜系统；每套离轴式接收望远镜所接收的光束经后继光路后，其所接收的激光信标均各自在光电探测器上形成光斑图像。

所述的后继光路包括第一凸透镜组、滤光片、光楔和第二凸透镜组，进入后继光路中的光束由第一凸透镜组准直，通过滤光片滤除光束杂散光，经光楔将光束分成两束，最后由第二凸透镜组将光束会聚到光电探测器中。

所述发射望远镜和离轴式收望远镜安装在俯仰角和方位角可以调节的转台上，且发射望远镜和接收望远镜的光轴平行，接收望远镜能够接收发射望远镜发射后在空间设定距离处形成的激光信标的后向散射光。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，采用固体激光器作为发射光源，利用大口径发射望远镜将激光束扩束聚焦到空中形成瑞利激光信标，由多套离轴式接收望远镜对信标处的后向散射光进行接收，通过后继光路将接收到的光分成两束，在探测器上形成双光斑图像。统计两个光斑质心间距的起伏计算出该距离处的差分到达角起伏方差，再改变聚焦信标的距离，依次计算出多个距离处的差分到达角起伏方差，最后通过一定的反演算法计算大气湍流强度廓线。该大气湍流强度廓线测量装置不仅能够实时获得大气湍流强度廓线，而且具有测量路径可控，距离分辨率高的优点。

本实用新型提供的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，使用两个小型离轴式望远镜构成差分接收系统。使系统更加轻便灵巧，降低了成本。同时两个小型离轴式望远镜与发射望远镜构成同轴系统，有利于光路的调节。

现有光束控制系统直接控制发射望远镜的俯仰来控制发射光束的仰角，使得光束控制系统过于庞大。而本实用新型使用平板反射镜控制光束的指向，简化了控制系统。

本实用新型提供的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，采用基于球面波的计算方法，并构造斜率矩阵反演大气湍流强度，得到的数据更加真实可信。

附图说明

图1为离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置的结构示意图。

其中：1为光学平台、2为激光器、3为发射望远镜、4为接收望远镜、5为平板反射镜、6为后继光路、7为光电探测器。

8为反射镜，9为副镜，10为主镜。

11为凸面镜，12为反射镜，13为椭球凹面镜。

14为三角棱镜，15为凸透镜，16为滤光片，17为光楔，18为凸透镜。

19为数据采集与处理单元。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参见图1，一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，包括激光器2，激光器2发射的激光束经反射镜8后进入发射望远镜3，激光束由发射望远镜3扩束后发射至平板反射镜5，平板反射镜5将光束反射至空中设定距离处聚焦，形成激光信标；由平板反射镜5对激光信标的后向散射光进行接收并反射至离轴式接收望远镜4中，接收望远镜4接收的光由三角棱镜14反射进入后继光路6，后继光路6将光束分光后传输至光电探测器7中，光电探测器7将接收的光束成像并将光信号转换为电信号，电信号经数据采集与处理单元19采集、转换为数字信号，通过对空间不同距离处的激光信标图像进行处理后，计算大气湍流强度廓线。

具体的，激光器2采用固体Nd:YAG激光器，其输出的中心波长为532nm，输出单脉冲能量300mJ，重复频率50Hz。激光器2发射的激光束激光束由两个光路平行的反射镜8发射进入发射望远镜3中。

而发射望远镜3为施密特－卡赛格林式结构，包括副镜9和主镜10，激光束由副镜9扩束并反射至主镜10，再由主镜10聚焦发射，主镜10聚焦发射的激光束经平板反射镜5反射后，在空中预定距离处聚焦。

通过调节发射望远镜3中副镜9和主镜10之间的间距，主镜10聚焦发射的激光束经平板反射镜5反射后，在空中不同距离处聚焦，形成瑞利激光信标。这样在测量时，可以根据采样距离调节发射望远镜主副镜间距，使得在预定距离处聚焦形成瑞利激光信标。

所述的平板反射镜5的俯仰角可根据光路调节，使主镜10聚焦发射的激光束经平板反射镜5反射后沿设定的方向传输。

由平板反射镜5对聚焦发射激光束在空间一定距离处形成的瑞利激光信标后向散射光进行接收并反射至接收望远镜4中。所述的接收望远镜4包括凸面镜11、反射镜12和椭球凹面镜13，椭球凹面镜13将由平板反射镜5反射的光束反射至凸面镜11，凸面镜11将光束反射至反射镜12，反射镜12将光束反射至三角棱镜14，三角棱镜14将光束反射至后继光路6中。后继光路6包括第一凸透镜组15、滤光片16、光楔17和第二凸透镜组18，进入后继光路6中的光束由第一凸透镜组15准直，通过滤光片16滤除光束杂散光，经光楔17将光束分成两束，最后由第二凸透镜组18将光束会聚到光电探测器7中，所述光电探测器7为像增强型CCD相机。

进一步，所述的接收望远镜4为由多套对称的离轴式接收望远镜组成的接收望远镜系统；每套离轴式接收望远镜所接收的光束经后继光路6后，其所接收的激光信标均各自在光电探测器7上形成光斑图像。

比如由两套对称的离轴式接收望远镜的接收望远镜系统4所接收的激光信标在光电探测器7上形成双光斑图像。除了由两套对称的离轴式接收望远镜组成的接收望远镜系统之外，也可以是三套、四套或更多的对称的离轴式接收望远镜组成的接收望远镜系统；此时，所接收的激光信标在光电探测器7上形成三光斑图像、四光斑图像更多的光斑图像。

在进行测量时，首先设置采样距离以及每个距离处的采样帧数。设置完毕后即根据采样距离调节发射望远镜主副镜间距，使得在预定距离处聚焦形成瑞利激光信标，随即控制激光器使激光器出光。在第一个距离处完成一定帧数的采样后，再调节发射望远镜将光束聚焦到下一个距离处采样，同时根据采集所得的信号计算第一个距离处的差分到达角起伏方差。依次测量距离为h₃，h₄，……，h_n等处的光斑图像，并计算给出距离h₃，h₄，……，h_n等处的差分到达角起伏方差。对n个距离采样完后得到n个差分到达角起伏方差数据，对此数据进行处理即可得到大气湍流强度廓线。

下面给出离轴式大气湍流强度廓线实时测量方法，包括以下操作：

1)激光器发射N个激光脉冲光束聚焦到h₁距离处形成激光信标，通过两套离轴式接收望远镜来接收激光信标的后向散射光，在光电探测器上形成双光斑，则光电探测器采集所成N帧图像，对每帧图像分别计算两个光斑的质心，设第i帧图像的两个光斑的质心距为b_i，接收望远镜系统的焦距为f₀，则距离h₁处激光信标光束的差分到达角起伏方差由下式计算给出：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{DIM}}^2\left(h_1\right)=\frac{\stackrel{\‾}{B_i^2}-\stackrel{\‾2}{B_i}}{f_0^2}$

$\stackrel{\‾}{B_i^2}=\left(\mathrm{\Σ}{b_i}^2\right)/N$ $\stackrel{\‾}{B_i^2}={(\mathrm{\Σ}{b}_i/N)}^2$ (1)

2)然后调节发射望远镜，分别将光束聚焦到h₂，h₃，h₄，……，h_n等距离处，按照步骤1）的方法计算给出激光信标距离为h₂，h₃，h₄，……，h_n等处光束的差分到达角起伏方差；

3)对于球面波，差分到达角起伏方差与大气湍流强度的关系如下式所示：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{DIM}}^2\left(h\right)=33.2({0.358d}_0^{-1/3}-{0.242d}_a^{-1/3}){\∫}_0^h{C}_n^2(h\text{'}){(1-h\text{'}/h)}^{5/3}\mathrm{dh}\text{'}$    (2)

其中d₀为接收望远镜子瞳直径，d_s为接收望远镜两个子瞳中心的间距，C_n ²(h)为距离h处的大气湍流强度，h′为积分变量；

利用C(h)表示C_n ²(h)，并定义M(h)为：

$M\left(h\right)={\∫}_0^{h}C(h\text{'}){(1-h\text{'}/h)}^{5/3}\mathrm{dh}\text{'}$    (3)

其中M(h)与差分到达角起伏方差σ_DIM ²的区别仅为一个常数因子κ，

所以，利用所测量的各距离处的差分到达角起伏方差即可计算给出M(h)。最后，通过M(h)反演C(h)即可得到大气湍流强度廓线；

由于利用M(h)直接反演C(h)会带来数值求解的不稳定，所得结果也不可信，所以，在此先对公式(3)进行变形，而后再进行求解。对公式(3)两边进行求导数，可以得到M(h)的导数S(h)与C(h)的关系为：

$S\left(h\right)={\∫}_0^{h}C(h\text{'})\left[\frac{5}{3}\frac{h\text{'}}{h^2}{(1-\frac{h\text{'}}{h})}^{2/3}\right]\mathrm{dh}\text{'}$    (4)

假设在每一个距离段C(h)可近似为常数，即

C(h)=C_jh_j-1<h<h_j   (5)

C_j为距离段h_j-1<h<h_j的大气湍流强度的值；

(4)式中各参数均为连续变量，对(4)式进行离散化，给出距离h_i处M(h)斜率S(h)的离散表达式为：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_j{\&Integral;}_{h_{j-1}}^{h_j}\left[\frac{5}{3}\frac{h\text{'}}{h_i^2}{(1-\frac{h\text{'}}{h_i})}^{2/3}\right]\mathrm{dh}\text{'}$    (6)

当j≤i时，上式中的积分为：

$U_{\mathrm{ij}}={[\frac{3}{8}-(\frac{3}{8}+\frac{5}{8}\frac{h\text{'}}{h_i}){(1-\frac{h\text{'}}{h_i})}^{5/3}]}_{h\text{'}=h_{j-1}}^{h\text{'}=h_i}$ (7)

当j>i时，U_ij取值为零，(6)式表示为：

$S_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ij}}{C}_j=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ij}}{C}_j$ (8)

对公式(6)求其逆矩阵，可得：

$C_i=\frac{1}{U_{\mathrm{ii}}}(S_i-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{ij}}{C}_j)$ (9)

利用上式对C_i进行升序求解，即可得到大气湍流强度C_i的廓线值。

上述方法采用基于球面波的计算方法，并构造斜率矩阵反演大气湍流强度，得到的数据更加真实可信。

Claims (10)

1.一种离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，包括激光器(2)，激光器(2)发射的激光束经反射镜(8)后进入发射望远镜(3)，激光束由发射望远镜(3)扩束后发射至平板反射镜(5)，平板反射镜(5)将光束反射至空中设定距离处聚焦，形成激光信标；由平板反射镜(5)对激光信标的后向散射光进行接收并反射至离轴式接收望远镜(4)中，接收望远镜(4)接收的光由三角棱镜(14)反射进入后继光路(6)，后继光路(6)将光束分光后传输至光电探测器(7)中，光电探测器(7)将接收的光束成像并将光信号转换为电信号，电信号经数据采集与处理单元(19)采集、转换为数字信号，通过对空间不同距离处的激光信标图像进行处理后，反演计算大气湍流强度廓线。

2.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述的激光器(2)发射的激光束经由两个光路平行的反射镜(8)反射后进入发射望远镜(3)中。

3.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述发射望远镜(3)为施密特-卡赛格林式结构，包括副镜(9)和主镜(10)，激光束由副镜(9)扩束并反射至主镜(10)，再由主镜(10)聚焦发射，主镜(10)聚焦发射的激光束经平板反射镜(5)反射后，在空中预定距离处聚焦，形成激光信标。

4.如权利要求3所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，通过调节发射望远镜(3)中副镜(9)和主镜(10)之间的间距，主镜(10)聚焦发射的激光束经平板反射镜(5)反射后，在空中不同距离处聚焦，形成激光信标。

5.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述的平板反射镜(5)的俯仰角可根据需要调节，使主镜(10)聚焦发射的激光束经平板反射镜(5)反射后沿设定的方向传输，使激光信标的后向散射光经平板反射镜(5)反射后进入接收望远镜，并且发射光路和接收光路沿着相同的传输路径。

6.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述的接收望远镜(4)包括凸面镜(11)、反射镜(12)和椭球凹面镜(13)，椭球凹面镜(13)将由平板反射镜(5)反射的光束反射至凸面镜(11)，凸面镜(11)将光束反射至反射镜(12)，反射镜(12)将光束反射至三角棱镜(14)，三角棱镜(14)将光束反射至后继光路(6)中。

7.如权利要求1或6所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述的接收望远镜(4)为由多套对称的离轴式接收望远镜组成的接收望远镜系统；每套离轴式接收望远镜所接收的光束经后继光路(6)后，其所接收的激光信标均各自在光电探测器(7)上形成光斑图像。

8.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述的后继光路(6)包括第一凸透镜组(15)、滤光片(16)、光楔(17)和第二凸透镜组(18)，进入后继光路(6)中的光束由第一凸透镜组(15)准直，通过滤光片(16)滤除光束杂散光，经光楔(17)将光束分成两束，最后由第二凸透镜组(18)将光束会聚到光电探测器(7)中。

9.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，发射望远镜(3)和离轴式收望远镜(4)安装在俯仰角和方位角可以调节的转台上，且发射望远镜(3)和接收望远镜(4)的光轴平行，接收望远镜(4)能够接收发射望远镜(3)发射后在空间设定距离处形成的激光信标的后向散射光。

10.如权利要求1所述的离轴式大气湍流强度廓线实时测量装置，其特征在于，所述光电探测器(7)为像增强CCD相机或电子倍增CCD相机，采样帧速不小于50fps。

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