[發明專利]一種接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置與方法

有效

• 申請號: 201310337689.2
• 申請日: 2013-08-05
• 公開（公告）號: CN103424750A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 強希文;宗飛;封雙連;趙軍衛;吳敏;常金勇;徐云岫
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63655部隊
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，包括對激光信標的后向散射光進行接收的平板反射鏡(2)，平板反射鏡(2)將接收的光束反射至離軸式接收望遠鏡(3)中，接收望遠鏡(3)接收的光由三角棱鏡(4)反射進入后繼光路(5)，后繼光路(5)將光束分光后傳輸至光電探測器(6)中，光電探測器(6)將接收的光束成像并將光信號轉換為電信號，電信號經數據采集與處理單元(7)采集、轉換為數字信號，通過對空間不同距離處的激光信標成像后圖像進行處理，反演計算大氣湍流強度廓線。

2.如權利要求1所述的接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，所述的平板反射鏡(2)的俯仰角可根據光路調節，能夠接收沿不同路徑、在空中不同距離處聚焦形成瑞利激光信標的后向散射光。

3.如權利要求1所述的接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，所述的離軸式接收望遠鏡(3)包括橢球凹面鏡(31)、凸面鏡(32)和反射鏡(33)，橢球凹面鏡(31)將由平板反射鏡(2)反射的光束反射至凸面鏡(32)，凸面鏡(32)將光束反射至反射鏡(33)，反射鏡(33)將光束反射至三角棱鏡(4)，三角棱鏡(4)將光束反射至后繼光路(5)中。

4.如權利要求1或3所述的接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，所述的接收望遠鏡(3)為由兩套或兩套以上的對稱的離軸式接收望遠鏡組成的接收望遠鏡系統；每套離軸式接收望遠鏡所接收的光束經后繼光路(5)后，其所接收的激光信標均各自在光電探測器(6)上形成光斑圖像。

5.如權利要求1所述的接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，所述的后繼光路(5)包括第一凸透鏡組(51)、濾光片(52)、光楔(53)和第二凸透鏡組(54)，進入后繼光路(5)中的光束由第一凸透鏡組(51)準直，通過濾光片(52)濾除光束雜散光，經光楔(53)將光束分成兩束，最后由第二凸透鏡組(54)將光束會聚到光電探測器(6)中。

6.如權利要求1所述的接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，所述光電探測器(6)為像增強CCD相機或電子倍增CCD相機，采樣幀速不小于50fps。

7.如權利要求1所述的接收激光信標測量大氣湍流強度廓線的裝置，其特征在于，所述的對空間不同距離處的激光信標成像后圖像進行處理包括：

1)通過兩套離軸式接收望遠鏡來接收h₁距離處激光信標的后向散射光，激光信標經后繼光路后在光電探測器上形成雙光斑圖像，利用光電探測器采集所成的N幀圖像，對每幀圖像分別計算兩個光斑的質心，設第i幀圖像的兩個光斑的質心距為b_i，接收望遠鏡系統的焦距為f₀，則距離h₁處激光信標光束的差分到達角起伏方差由下式計算給出：

σDIM2(h1)=Bi2‾-Bi‾2f02]]>

Bi2‾=(Σbi2)/N]]>??Bi2‾=(Σbi/N)2---(1)]]>

2)然后利用兩套離軸式接收望遠鏡依次接收距離h₂，h₃，h₄，……，h_n處的激光信標后向散射光，按照步驟1)的方法計算給出激光信標距離為h₂，h₃，h₄，……，h_n處光斑圖像的差分到達角起伏方差；

3)對于球面波，差分到達角起伏方差與大氣湍流強度的關系如下式所示：

σDIM2(h)=33.2(0.358d0-1/3-0.242ds-1/3)∫0hCn2(h′)(1-h′/h)5/3dh′---(2)]]>

其中d₀為接收望遠鏡子瞳直徑，d_s為接收望遠鏡兩個子瞳中心的間距，C_n²(h)為距離h處的大氣湍流強度；

利用C(h)表示C_n²(h)，并定義M(h)為：

M(h)=∫0hC(h′)(1-h′/h)5/3dh′---(3)]]>

其中M(h)與差分到達角起伏方差σ_DIM²的區別僅為一個常數因子κ，所以，利用所測量的各距離的差分到達角起伏方差即可計算給出M(h)；最后，通過M(h)反演C(h)即可得到大氣湍流強度廓線；

由于利用M(h)直接反演C(h)會帶來數值求解的不穩定，所得結果也不可信，所以，在此先對公式(3)進行變形，而后再進行求解；對公式(3)兩邊進行求導數，可以得到M(h)的導數S(h)與C(h)的關系為：

S(h)=∫0hC(h′)[53h′h2(1-h′h)2/3]dh′---(4)]]>

假設在每一個距離段C(h)可近似為常數，即

C(h)=C_j??h_j-1<h<h_j????(5)

(4)式中各參數均為連續變量，對(4)式進行離散化，給出距離h_i處M(h)斜率S(h)的離散表達式為：

Si=Σj=1iCj∫hj-1hj[53h′hi2(1-h′hi)2/3]dh′---(6)]]>

當j≤i時，上式中的積分為：

Uij=[38-(38+58h′hi)(1-h′hi)5/3]h′=hj-1h′=hj---(7)]]>

當j>i時，U_ij取值為零，(6)式表示為：

Si=Σj=1iUijCj=Σj=1nUijCj---(8)]]>

對公式(6)求其逆矩陣，可得：

Ci=1Uii(Si-Σj=1i-1UijCj)---(9)]]>

利用上式對C_i進行升序求解，即可得到大氣湍流強度C_i的廓線值。