[發(fā)明專利]一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)及測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410396075.6
• 申請日: 2014-08-12
• 公開（公告）號: CN104237162A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁仁民;曾宗泳;傅云飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學技術(shù)大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

1.一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量系統(tǒng)，其特征在于包括：發(fā)射端，接收端和數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元；

發(fā)射端包括：調(diào)制器、驅(qū)動電源、發(fā)光二極管和發(fā)射透鏡；調(diào)制器對驅(qū)動電源進行調(diào)制，驅(qū)動電源向發(fā)光二極管供電，發(fā)光二極管發(fā)出的光束透過發(fā)射透鏡發(fā)射至大氣中；

接收端包括：接收透鏡、光電二極管、溫度穩(wěn)定襯墊、前置放大器、檢波器和低頻放大器；接收端接收發(fā)射端發(fā)出的光束，經(jīng)接收透鏡將光束會聚到光電二極管上，光電二極管將光信號變?yōu)殡娦盘枺僖来谓?jīng)前置放大器放大、檢波器檢波、低頻放大器放大到足夠的幅度，溫度穩(wěn)定襯墊用于減少光電二極管和前置放大器的溫度漂移；

數(shù)據(jù)采集存儲及處理單元包括：數(shù)據(jù)采集器、存儲設(shè)備和數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)采集器采集接收端輸出的電信號，轉(zhuǎn)換為光強信號存儲至存儲設(shè)備中；數(shù)據(jù)處理模塊處理存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)，處理過程包括：

(1)將存儲設(shè)備中的光強數(shù)據(jù)取對數(shù)，即得到對數(shù)光強lnI，通過延遲相關(guān)方法或譜分析方法將對數(shù)光強起伏方差分解為高頻起伏方差和低頻起伏方差得到低頻起伏方差

(2)利用下面的公式計算垂直于光束的橫向風速v，

v=1.16Dt1/2Dr1/2σlnI,Re2WPlnI,Re]]>

式中，D_t為發(fā)射透鏡的直徑，D_r為接收透鏡的直徑；為對數(shù)光強起伏方差的高頻分量，WP_lnI,Re為對數(shù)光強起伏的功率譜曲線中平坦過渡區(qū)的譜密度；

(3)計算低頻起伏的時間延遲為τ的結(jié)構(gòu)函數(shù)D_lnI,Im(vτ)，確定結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)S；當時間延遲距離vτ大于發(fā)射透鏡直徑D_t和接收透鏡直徑D_r時，低頻起伏的時間延遲為τ的結(jié)構(gòu)函數(shù)D_lnI,Im(vτ)由公式計算，

Dln I,Im(vτ)=Dln I(vτ)-2σln I,Re2]]>

式中，為對數(shù)光強的高頻起伏方差，D_lnI(vτ)為對數(shù)光強的時間延遲結(jié)構(gòu)函數(shù)，計算公式為，

DlnI(vτ)=[lnI(t+τ)-lnI(t)]2‾]]>

當?shù)皖l起伏的時間延遲距離vτ小于且接近于湍流外尺度L₀時，低頻起伏的結(jié)構(gòu)函數(shù)D_lnI,Im(vτ)表示為，

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6

式中，S為結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)，利用實驗數(shù)據(jù)確定S的值；

(4)根據(jù)前面的計算結(jié)果，計算折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)

低頻起伏方差與存在著關(guān)系，

σlnI,Im2=2.95Cn,Im2k2L05/3L]]>

式中L₀為湍流的外尺度；

低頻起伏結(jié)構(gòu)函數(shù)系數(shù)S與存在著關(guān)系，

S=2.95Cn,Im2k2LL01/2]]>

聯(lián)立方程，得到折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)

Cn,Im2=12.95S10/7(σlnI,Im2)3/7k2L]]>

式中，k為光源發(fā)出的光波的波數(shù)，k＝2π/λ。

2.一種大氣折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如下：

(1)發(fā)射端的調(diào)制器對驅(qū)動電源進行調(diào)制，該驅(qū)動電源向發(fā)光二極管供電；發(fā)光二極管發(fā)出的光波的中心波長為λ，發(fā)光二極管發(fā)出的光束經(jīng)發(fā)射透鏡會聚，產(chǎn)生小于0.5°發(fā)散角度的光束，采用多組發(fā)光二極管和發(fā)射透鏡發(fā)射，增加發(fā)射透鏡的口徑；一個發(fā)光二極管和一個發(fā)射透鏡為一組，采用4組平行并列的方式發(fā)射直徑達0.6米的光束；

(2)發(fā)射端發(fā)出的光束穿過待測量區(qū)域的大氣，光束在大氣中傳輸，會受到大氣湍流的散射，氣體分子及氣溶膠的吸收，引起光強幅度的變化，接收端與發(fā)射端的距離為L；L為500米至10公里；

(3)接收端的接收透鏡接收來自發(fā)射端的光束，將光信號會聚在光電二極管上，采用多個透鏡接收，采用4個透鏡并列放置，使得所有透鏡接收到的光束均會聚至光電二極管，同樣是為了增加接收透鏡的口徑；光電二極管將光信號變?yōu)殡娦盘枺紫冉?jīng)過前置放大器放大，再經(jīng)過檢波器檢波，然后再經(jīng)過低頻放大器放大到足夠的幅度，得到輸出信號；

(4)接收端輸出的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集器采集，轉(zhuǎn)換為光強，然后將光強數(shù)據(jù)存儲至存儲設(shè)備；

(5)將存儲設(shè)備中的光強數(shù)據(jù)取對數(shù)，即得到對數(shù)光強lnI，通過延遲相關(guān)方法或譜分析方法將對數(shù)光強起伏方差分解為高頻起伏方差和低頻起伏方差得到低頻起伏方差

(6)利用下面的公式計算垂直于光束的橫向風速v，

v=1.16Dt1/2Dr1/2σlnI,Re2WPlnI,Re]]>

式中，D_t為發(fā)射透鏡的直徑，D_r為接收透鏡的直徑；為對數(shù)光強起伏方差的高頻分量，WP_lnI,Re為對數(shù)光強起伏的功率譜曲線中平坦過渡區(qū)的譜密度；

(7)計算低頻起伏的時間延遲為τ的結(jié)構(gòu)函數(shù)D_lnI,Im(vτ)，確定結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)S；當時間延遲距離vτ大于發(fā)射透鏡直徑D_t和接收透鏡直徑D_r時，低頻起伏的時間延遲為τ的結(jié)構(gòu)函數(shù)D_lnI,Im(vτ)由公式計算，

DlnI,Im(vτ)=DlnI(vτ)-2σlnI,Re2]]>

式中，為對數(shù)光強的高頻起伏方差，D_lnI(vτ)為對數(shù)光強的時間延遲結(jié)構(gòu)函數(shù)，計算公式為，

DlnI(vτ)=[lnI(t+τ)-lnI(t)]2‾]]>

當?shù)皖l起伏的時間延遲距離vτ小于且接近于湍流外尺度L₀時，低頻起伏的結(jié)構(gòu)函數(shù)D_lnI,Im(vτ)表示為，

D_lnI,Im(vτ)＝S·(vτ)^7/6

式中，S為結(jié)構(gòu)函數(shù)的系數(shù)，利用實驗數(shù)據(jù)確定S的值；

(8)根據(jù)前面的計算結(jié)果，計算折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)

低頻起伏方差與存在著關(guān)系，

σlnI,Im2=2.95Cn,Im2k2L05/3L]]>

式中L₀為湍流的外尺度；

低頻起伏結(jié)構(gòu)函數(shù)系數(shù)S與存在著關(guān)系，

S=2.95Cn,Im2k2LL01/2]]>

聯(lián)立方程，得到折射率虛部結(jié)構(gòu)常數(shù)

Cn,Im2=12.95S10/7(σlnI,Im2)3/7k2L]]>

式中，k為光源發(fā)出的光波的波數(shù)，k＝2π/λ。