[發明專利]使用激光束與薄光致變色膜的相互作用來探測湍流狀態的方法以及用于實施所述方法的設備

在審

• 申請號: 201380067659.2
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN104871008A
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: R·巴里爾
• 申請（專利權）人: 國家科學研究中心;昂熱大學;弗羅茨瓦夫理工大學
• 主分類號: G01P5/00
• 分類號: G01P5/00;G01P5/26;G03H1/00
• 代理公司: 北京戈程知識產權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽

技術領域

本發明的領域為使得能夠利用在激光束的傳播中產生的擾動(perturbations)來探測介質的湍流(turbulences)的方法，以及實施該方法的緊湊型設備。

背景技術

這種類型的方法同樣能夠用于測量湍流速率(在給定的環境中更強或更弱)并且用于測量湍流對激光束的傳播的影響。

實際上，經由緊湊而分立的裝置進行的對湍流的分析具有許多潛在的應用，尤其在環境領域，例如探測溫度升高、在城鎮中的空氣移動。

對由環境湍流引起的激光束的傳播的變動進行測量也能夠是非常有益的。穿過湍流介質的激光束的傳播在例如自由空間(大海、戰場等等)中的光通信、目標的探測、成像和遠距離探測方面的應用尤其具有很高的重要性。在許多這樣的應用中，使用了激光與其電磁場相干特性。

在隨機介質(例如在大氣湍流)中傳播的相干場經受隨機的空間和時間畸變以及光強度的閃變，而這會導致系統的性能相當大程度地下降。這些由于在接近地表面處溫度和壓力的快速和持續地變化所導致的閃變在此更加嚴重并且更加顯著，并且通過湍流而引入了波場的相結構的畸變，引起波與其自身相干涉。

這些在光束的數據和參數中的變化將基本限制引入了在自由空間中的光通信系統的發展。大氣湍流的其中一個顯著影響是波前的傳播方向的波動，其被稱作波前的到達角波動或者波前傾斜。該角度通過不同的方法進行測量。

其中一種方法在于，由于空間波動的測量對激光束行進的路徑的長度高度敏感，所以通過使用CCD攝像機來同步執行對激光束的到達角和激光束的強度相對于參考的波動的差分測量(A.Consortini等,Optics?Communications,216,19–23,(2003))。該波動三次方取決于行進的光程的長度。

其他方法在于使用激光束的結構化，或者利用干涉條紋并且通過分析其在多普勒激光測速儀類型的情況下的可視性(H.J.Pjeider等,J.Opt.Soc.Am.,卷70(2),167-170,(1980))，或者通過利用相同的步驟疊加參考條紋的圖像和由湍流導致的條紋的圖像所導致的莫爾條紋(franges?de?Moiré)的位移(S.Rasouli等,Opt.Lett.,31(22),3276-3278,(2006))。莫爾結構給出了到達角的波動。

在這兩種情況下，由于必須為多普勒測速儀制造干涉或者必須安裝兩個振幅光柵并且必須確保其起始穩定性以用于莫爾技術，所以該些方法很難實施。對于波前傾斜而言，則通過使用基于哈特曼-夏克類型(type?shark-hartmann)的分析方法的多項式技術來進行分析(A.V.Sergryev等,Appl.Opt.,50(20),3519-3528,(2011))，并且需要用于分析激光的波前的復雜而昂貴的系統。使用波前的到達角的波動或者波前傾斜來測量大氣湍流的特征參數。折射率或C_n²的結構參數是對沿著激光束傳播路徑的光學湍流的力的測量。在激光在自由空間中的傳播中，到達角的波動的測量是在大氣湍流的研究中的基礎步驟。

發明內容

在此背景下，本申請的主題是易于實施的，給出用于評估介質的湍流的設備的方法，其特別地能夠與易于實施的環境空氣加熱現象相關聯并且能夠大量地部署。

更具體地，本發明的主題是用于評估介質的湍流參數的方法，其特征在于包含下述步驟：

-通過在所述介質中傳播的激光束照射光致變色有機材料膜，所述光致變色有機材料可以包括偶氮苯(d’azobenzène)分子、或者螺吡喃(spyropyrane)分子、或者二苯基乙烯(stylbène)分子、或者香豆素分子(coumarine)或者俘精酸酐(fulgide)分子，所述照射在所述膜中形成包括條痕(striures)的表面格柵，該條痕的變形是湍流參數的函數；

-獲得圖像的步驟，所述圖像包括與所述條痕相關聯的結構的單獨區域，所述單獨區域或多或少地減少并且代表所述介質的湍流參數；

-處理所述圖像的步驟，其使得能夠評估所述介質的湍流參數。

根據本發明的變型，所述方法包括獲取通過形成的表面格柵產生的激光束的衍射圖像，所述圖像展示出衍射光斑，該衍射光斑的特征取決于湍流參數。

根據本發明的變型，處理所述圖像的步驟包括：

-對所述圖像進行拉東變換(transformée?de?Radon)的操作，從而生成通過在旋轉參考系中的圖像運算而導出的圖像，該圖像運算根據屬于所述圖像的衍射區域生成屬于導出的圖像的一組峰；