[發明專利]一種探測大氣湍流結構常數的方法及裝置

有效

• 申請號: 201810420693.8
• 申請日: 2018-05-04
• 公開（公告）號: CN108760226B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發明（設計）人: 徐勇根;楊婷;王曉艷;張筆靈
• 申請（專利權）人: 西華大學
• 主分類號: G01M9/06
• 分類號: G01M9/06
• 代理公司: 11246 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 夏艷

本發明提供一種探測大氣湍流結構常數方法及裝置，包括：激光發生器、光學發射天線、光學接收天線、偏振度測試儀、數據處理器；從所述激光發生器發出的電磁光束經過光學發射天線準直擴束后發射，發射出的電磁準直光束通過大氣湍流后被光學接收天線接收，電磁準直光束通過偏振度測試儀，偏振度測試儀獲取測試數據，數據處理器根據偏振度測試儀獲取的數據計算得到大氣湍流結構常數。本發明方法所得到的大氣湍流結構常數的結果更加準確、比現有方法更廣泛適用、更具普適性、且結構簡單，操作測量方便。

技術領域

本發明涉及空間激光通信技術領域，尤其涉及一種通過測量電磁光束的偏振度來探測大氣湍流結構常數的方法及裝置。

背景技術

從激光出現至今，激光在空間激光通信、大氣激光通信、激光成像以及激光武器等領域發展迅速。人們已紛紛對星際、星地、空空等激光通信鏈路開展理論、模擬、關鍵技術研究和演示等實驗研究。大氣湍流是一種非均勻的隨機介質，通常可看作包含各種尺度折射率的湍渦連續分布疊加而成，但激光波陣面通過大氣湍流時，與湍渦發生相互作用，產生如光波波前畸變、光束漂移、光束擴展、強度起伏、像點抖動和誤碼率等一系列大氣湍流效應，這些效應嚴重制約了激光系統在各方面的實際應用。因此，激光的大氣傳輸效應越來越受到人們的重視，而大氣湍流結構常數則是表征這些激光的大氣傳輸效應，并反映大氣湍流光學特性的主要參數。因此，找到普遍適用的大氣湍流結構常數的測量方法在空間激光通信技術等多項領域研究中就顯得尤為重要。而現有的大氣湍流結構常數的測量方法在使用范圍和使用條件均會受到一定的限制，并存在諸多問題。

現有技術中，測量大氣湍流結構常數的方法有很多，主要分為兩類，一類是非光學測量方法，如雙點和單點溫度脈動法；另一類是光學測量方法，如光閃爍法、到達角起伏法、光學干涉測量法以及常規氣象參數估算法等。

非光學測量方法主要包括以下兩種：

1.雙點溫度脈動法測量大氣湍流結構常數(C_n²)

用惠斯通電橋實驗裝置直接探測空中兩固定點之間的溫度差，測量時，讓電橋的兩個測量臂電阻R₁和R₂分別位于這兩個固定點，這兩個點之間的距離必須遠小于大氣湍流的外尺度，一般間距選取為50-100cm。于是電橋輸出端輸出這兩個點的溫度差，并經過一定的程序處理，可得到大氣湍流溫度場的結構常數C_n²。最后，根據大氣湍流結構常數C_n²和大氣湍流溫度場結構常數C_n²之間的關系，計算出C_n²的大小。該方法的缺點是，它只能測定電橋實驗裝置所在處的大氣湍流結構常數C_n²的值。為獲得傳播路徑上的大氣湍流結構常數C_n²分布，則必須安裝多個電橋，且需要同步處理數據。如果激光傳播方向與地面有一定角度向上，實際上就不可能利用此方法來測得傳播路徑上的C_n²值。

2.單點溫度脈動法測量大氣湍流結構常數(C_n²)

通過測量大氣溫度的起伏來獲得大氣湍流折射率起伏特性的間接測量法，其原理是假定空氣折射率起伏完全取決于溫度的起伏特性。可以知道該方法存在諸多固有的缺陷，首先溫度脈動法使用的金屬鉑絲只有幾微米的直徑，容易被折斷或被環境污染而造成測量困難，且其換絲困擾，使其無法長時間連續測量；其次，由于鉑絲長度大于大氣湍流內尺度，所以沿鉑絲長度方向的可分辨湍流尺度大于湍流內尺度，因而它的空間分辨率有限；此外，鉑絲與空氣進行接觸式熱交換，它不可避免地會對空氣造成一定的擾動。

光學測量方法主要包括以下幾種：

1.光閃爍法