[發明專利]一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置及方法

無效

• 申請號: 201210578619.1
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103063869A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 苑克娥;胡順星;朱文越;饒瑞中;張世國;曹開法;徐之海;邵石生;黃見
• 申請（專利權）人: 中國科學院安徽光學精密機械研究所
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26;G01P13/02
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

1.一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：包括半導體激光器、擴束鏡組成的發射端，以及縮束鏡、面陣CCD探測器組成的接收端，接收端和發射端之間是一段待求路徑橫向平均風速的自由大氣，所述半導體激光器發出的激光束首先經由擴束鏡被擴束后以準直平行光出射，從擴束鏡出射的激光束經過一定距離的大氣湍流和路徑橫向風場的擾動，其相位和振幅會產生隨機起伏現象，包含大氣湍流信息和路徑橫向風場信息的激光束到達縮束鏡，由縮束鏡會聚在面陣CCD探測器上感光成像；根據在面陣CCD在探測器動態測量范圍內，其像元的灰度值與入射光強成正比的特性，將一定尺寸范圍內的面陣CCD探測器的面元像素值相累加，即形成有一定接收孔徑的光強探測系統，整個面陣CCD探測器等同于可以實現光強起伏變化探測的陣列探測器，繼而可以獲得光強的歸一化起伏方差即閃爍指數，其中I_m,n為第(m,n)個孔徑內的灰度值之和，分析任意間距的兩個不同孔徑閃爍指數的歸一化時間延遲交叉相關函數，可以實現光傳播路徑橫向平均風速風向的探測。

2.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：所述半導體激光器選擇波長為635nm的連續激光器，能量約為20mw，發射角為0.1mrad。

3.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：所述擴束鏡與半導體激光器之間的間距，縮束鏡與面陣CCD探測器之間的間距為厘米量級，以盡量減少這兩種儀器之間的空氣擾動對路徑橫向風場平均風速測量結果帶來的誤差。

4.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：半導體激光器和擴束鏡之間嚴格共軸，縮束鏡和面陣CCD探測器之間也滿足嚴格共軸，調節光路使得兩軸重合或者平行，但必須滿足縮束鏡的入射瞳內激光光束是充滿的，即要求探測到的信號是發射光束的一部分或者全部，

5.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：所述半導體激光器和擴束鏡分別安裝在三腳架上，利用三腳架實現光路的水平和俯仰調節。

6.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：所述擴束鏡改變激光的發散角，將激光束變為準直平行光束出射。

7.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：所述縮束鏡將攜帶大氣湍流和風場信息的激光束的光束截面等比例縮小，被后面的面陣CCD探測器接收。

8.根據要求1所述的一種光傳播路徑橫向平均風速風向測量裝置，其特征在于：所述面陣CCD探測器采樣頻率為955Hz，采樣位數為8位，每個像素的灰度數值介于0-255。

9.一種基于權利要求1所述測量裝置的光傳播路徑橫向平均風速風向測量方法，其特征在于：包括以下操作步驟：

（1）實驗前首先檢驗半導體激光器發出的激光波長和能量以及能量的穩定性；

（2）打開半導體激光器電源，使半導體激光器正常工作，調節光路，使得半導體激光器和擴束鏡嚴格共軸，縮束鏡和面陣CCD探測器之間也滿足嚴格共軸，同時縮束鏡前的光束為擴束鏡出射光束經大氣擾動后光斑的一部分或者全部，保證采集的信號完全包含有光傳播路徑橫向平均風速和湍流信息；

（3）關閉半導體激光器電源，斷開整個光路，利用筆記本電腦采集背景信號，將光路接通時采集的信號與背景信號想減，即得到用于光傳播路徑橫向平均風速風向計算的有效信號；

（4）統計分析面陣CCD探測器得到的光強信息，求得兩間距為r的兩孔徑之間信號的自相關函數和互相關函數，得到歸一化的互相關函數即互相關函數與自相關函數的比率，將其對互相關時間延遲τ求導運算，進一步得到τ=0處的導數數值f(L)，這里L即光波傳播距離；

（5）歸一化的互相關函數在零延遲處的導數與路徑橫向平均風速的關系表達式滿足：，其中C=∫0LdzW(z)∫0Ldz∫0∞dκκ-8/3sin2(κ2z(L-z)2kL)F(κ,D1,D)]]>，是與測量系統配置參數有關的物理量，可以通過數值積分計算或者實驗定標方法得到，即為求得得到的光傳播路徑橫向平均風速的大小，其值為正，表明風速的方向與預先假定的正方向一致，否則與預先假定的正方向相反。