[發(fā)明專利]一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210578619.1
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103063869A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(quán)）人: 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)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(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大氣光學(xué)領(lǐng)域，具體為一種利用激光大氣傳播接收端探測器上探測的光強(qiáng)閃爍相關(guān)特性實(shí)現(xiàn)的光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置及方法。

背景技術(shù)

對作為重要?dú)庀髤?shù)之一的風(fēng)速的研究具有重要意義，航空監(jiān)測、天氣預(yù)報和氣候變化研究中，都需要具有大氣風(fēng)場的數(shù)據(jù)。而在激光大氣湍流傳輸中，路徑橫向風(fēng)速的隨機(jī)起伏是制約光波大氣傳輸?shù)闹匾蛩刂弧Ｓ捎诠鈧鞑ヂ窂缴蠙M向風(fēng)速的存在，使湍流產(chǎn)生快速變化，橫向平均風(fēng)速與湍流強(qiáng)度決定著光波的相干特性，另外，在天文高分辨光學(xué)成像技術(shù)中，如斑點(diǎn)成像技術(shù)中的斑點(diǎn)壽命和光干涉中的條紋最大積分時間的物理本質(zhì)均為大氣相干時間，合理的選擇曝光時間必須了解光傳輸路徑上的橫向平均風(fēng)速。有時為了需要，研究者更希望能準(zhǔn)確得到光傳播路徑上橫向風(fēng)速的廓線分布，因此，實(shí)時、準(zhǔn)確的測量橫向風(fēng)速，無論是在理論研究還是工程應(yīng)用上都有重要的意義。

目前，對橫向平均風(fēng)速的測量有多種方法，最為普遍的是將多個超聲風(fēng)速計(jì)布置在傳輸路徑的不同位置，將各個風(fēng)速計(jì)的測量結(jié)果求取平均從而得到橫向平均風(fēng)速，然而，該方法無法實(shí)現(xiàn)特殊路徑(例如海、湖面上空或者飛機(jī)場跑道上空等)的測量；微波雷達(dá)、多普勒雷達(dá)通過測量到的空間三維風(fēng)速，分解到光路的橫向方向從而得到橫向風(fēng)，然而這些技術(shù)的設(shè)備造價及維護(hù)成本都比較高。總體而言，上述這些方法在測量上要么設(shè)備造價高、維護(hù)成本高，要么測量不夠準(zhǔn)確或者難以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置及方法，以克服現(xiàn)有光傳播路徑橫向平均風(fēng)速測量技術(shù)的不足。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：包括半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束鏡組成的發(fā)射端，以及縮束鏡、面陣CCD探測器組成的接收端，接收端和發(fā)射端之間是一段待求路徑橫向平均風(fēng)速的自由大氣，所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束首先經(jīng)由擴(kuò)束鏡被擴(kuò)束后以準(zhǔn)直平行光出射，從擴(kuò)束鏡出射的激光束經(jīng)過一定距離的大氣湍流和路徑橫向風(fēng)場的擾動，其相位和振幅會產(chǎn)生隨機(jī)起伏現(xiàn)象，包含大氣湍流信息和路徑橫向風(fēng)場信息的激光束到達(dá)縮束鏡，由縮束鏡會聚在面陣CCD探測器上感光成像；根據(jù)在面陣CCD在探測器動態(tài)測量范圍內(nèi)，其像元的灰度值與入射光強(qiáng)成正比的特性，將一定尺寸范圍內(nèi)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(qiáng)探測系統(tǒng)，整個面陣CCD探測器等同于可以實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)起伏變化探測的陣列探測器，繼而可以獲得光強(qiáng)的歸一化起伏方差即閃爍指數(shù)，其中I_m,n為第(m,n)個孔徑內(nèi)的灰度值之和，分析任意間距的兩個不同孔徑閃爍指數(shù)的歸一化時間延遲交叉相關(guān)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向的探測。

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光器選擇波長為635nm的連續(xù)激光器，能量約為20mw，發(fā)射角為0.1mrad。

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：所述擴(kuò)束鏡與半導(dǎo)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(fēng)場平均風(fēng)速測量結(jié)果帶來的誤差。

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：半導(dǎo)體激光器和擴(kuò)束鏡之間嚴(yán)格共軸，縮束鏡和面陣CCD探測器之間也滿足嚴(yán)格共軸，調(diào)節(jié)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(nèi)激光光束是充滿的，即要求探測到的信號是發(fā)射光束的一部分或者全部，

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光器和擴(kuò)束鏡分別安裝在三腳架上，利用三腳架實(shí)現(xiàn)光路的水平和俯仰調(diào)節(jié)。

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：所述擴(kuò)束鏡改變激光的發(fā)散角，將激光束變?yōu)闇?zhǔn)直平行光束出射。

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，其特征在于：所述縮束鏡將攜帶大氣湍流和風(fēng)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。

所述的一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)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(shù)為8位，每個像素的灰度數(shù)值介于0-255。

一種光傳播路徑橫向平均風(fēng)速風(fēng)向測量方法，其特征在于：包括以下操作步驟：

（1）實(shí)驗(yàn)前首先檢驗(yàn)半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光波長和能量以及能量的穩(wěn)定性；