一种探测大气湍流结构常数的方法及装置

摘要

本发明提供一种探测大气湍流结构常数方法及装置，包括：激光发生器、光学发射天线、光学接收天线、偏振度测试仪、数据处理器；从所述激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收，电磁准直光束通过偏振度测试仪，偏振度测试仪获取测试数据，数据处理器根据偏振度测试仪获取的数据计算得到大气湍流结构常数。本发明方法所得到的大气湍流结构常数的结果更加准确、比现有方法更广泛适用、更具普适性、且结构简单，操作测量方便。

权利要求

1.一种探测大气湍流结构常数装置，其特征在于，包括：

激光发生器(1)、光学发射天线(2)、光学接收天线(3)、偏振度测试仪(4)、数据处理器(5)；

从所述激光发生器(1)发出的电磁光束经过光学发射天线(2)准直扩束后发射，发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线(3)接收，电磁准直光束通过偏振度测试仪(4)，偏振度测试仪(4)获取测试数据，数据处理器(5)根据偏振度测试仪获取的数据计算得到大气湍流结构常数；

所述偏振度测试仪(4)获取的数据包括：电磁光束偏振度P、电磁光束初始偏振度P0；

所述数据处理器(5)根据以下公式计算得到大气湍流结构常数：

Cn2为大气湍流结构常数，f[P,W(ρ1,ρ2,z)]表示电磁光束偏振度P和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)的函数关系式，而交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)＝W(P0,l0,ω0,n,λ,δxx,δyy,z)为包含初始偏振度P0、大气湍流内尺度l0、束腰ω0、光束阶数n、波长λ、x方向和y方向的相干长度δxx和δyy、及传输距离z的函数。

2.根据权利要求1所述的探测大气湍流结构常数装置，其特征在于，所述激光发生器(1)为Nd:YAG激光器、CO2激光器、半导体激光器、光纤激光器或He-Ne激光器。

3.根据权利要求1所述的探测大气湍流结构常数装置，其特征在于，所述光学发射天线(2)为开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

4.根据权利要求1所述的探测大气湍流结构常数装置，其特征在于，所述光学接收天线(3)为卡塞格伦望远镜，或牛顿望远镜，或格里高利望远镜，或开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

5.根据权利要求1所述的探测大气湍流结构常数装置，其特征在于，所述偏振度测试仪(4)为DOP-201偏振度测试仪，或PAX5700系列偏振测试仪，或EPTS01偏振度测试仪。

6.一种探测大气湍流结构常数方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；

(2)将光学接收天线接收到的电磁准直光束通过偏振度测试仪；

(3)利用偏振度测试仪所测得的数值来探测大气湍流结构常数的值；

所述电磁光束为部分相干矢量光束，电磁光束的偏振度与大气湍流结构常数满足以下函数表达式：Cn2为大气湍流结构常数，f[P,W(ρ1,ρ2,z)]表示电磁光束偏振度P和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)的函数关系式，而交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)＝W(P0,l0,ω0,n,λ,δxx,δyy,z)为包含初始偏振度P0、大气湍流内尺度l0、束腰ω0、光束阶数n、波长λ、x方向和y方向的相干长度δxx和δyy、及传输距离z的函数。

说明书

一种探测大气湍流结构常数的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其涉及一种通过测量电磁光束的偏振度来探测大气湍流结构常数的方法及装置。

背景技术

[0002] 从激光出现至今，激光在空间激光通信、大气激光通信、激光成像以及激光武器等领域发展迅速。人们已纷纷对星际、星地、空空等激光通信链路开展理论、模拟、关键技术研究和演示等实验研究。大气湍流是一种非均匀的随机介质，通常可看作包含各种尺度折射率的湍涡连续分布叠加而成，但激光波阵面通过大气湍流时，与湍涡发生相互作用，产生如光波波前畸变、光束漂移、光束扩展、强度起伏、像点抖动和误码率等一系列大气湍流效应，这些效应严重制约了激光系统在各方面的实际应用。因此，激光的大气传输效应越来越受到人们的重视，而大气湍流结构常数则是表征这些激光的大气传输效应，并反映大气湍流光学特性的主要参数。因此，找到普遍适用的大气湍流结构常数的测量方法在空间激光通信技术等多项领域研究中就显得尤为重要。而现有的大气湍流结构常数的测量方法在使用范围和使用条件均会受到一定的限制，并存在诸多问题。

[0003] 现有技术中，测量大气湍流结构常数的方法有很多，主要分为两类，一类是非光学测量方法，如双点和单点温度脉动法；另一类是光学测量方法，如光闪烁法、到达角起伏法、光学干涉测量法以及常规气象参数估算法等。

[0004] 非光学测量方法主要包括以下两种：

[0005] 1.双点温度脉动法测量大气湍流结构常数(Cn2)

[0006] 用惠斯通电桥实验装置直接探测空中两固定点之间的温度差，测量时，让电桥的两个测量臂电阻R1和R2分别位于这两个固定点，这两个点之间的距离必须远小于大气湍流的外尺度，一般间距选取为50-100cm。于是电桥输出端输出这两个点的温度差，并经过一定的程序处理，可得到大气湍流温度场的结构常数Cn2。最后，根据大气湍流结构常数Cn2和大气湍流温度场结构常数Cn2之间的关系，计算出Cn2的大小。该方法的缺点是，它只能测定电桥实验装置所在处的大气湍流结构常数Cn2的值。为获得传播路径上的大气湍流结构常数Cn2分布，则必须安装多个电桥，且需要同步处理数据。如果激光传播方向与地面有一定角度向上，实际上就不可能利用此方法来测得传播路径上的Cn2值。

[0007] 2.单点温度脉动法测量大气湍流结构常数(Cn2)

[0008] 通过测量大气温度的起伏来获得大气湍流折射率起伏特性的间接测量法，其原理是假定空气折射率起伏完全取决于温度的起伏特性。可以知道该方法存在诸多固有的缺陷，首先温度脉动法使用的金属铂丝只有几微米的直径，容易被折断或被环境污染而造成测量困难，且其换丝困扰，使其无法长时间连续测量；其次，由于铂丝长度大于大气湍流内尺度，所以沿铂丝长度方向的可分辨湍流尺度大于湍流内尺度，因而它的空间分辨率有限；此外，铂丝与空气进行接触式热交换，它不可避免地会对空气造成一定的扰动。

[0009] 光学测量方法主要包括以下几种：

[0010] 1.光闪烁法

[0011] 利用平面波或球面波的光闪烁指数在大气湍流中的传输规律，通过测量光波的闪烁指数来探测大气湍流结构常数。具体又发展为双口径光闪烁法、双波长光闪烁法、多口径光闪烁法等多种方法，但是这些测量方法的空间分辨率有限。并且，它们的理论基础均是根据弱起伏条件下的Rytov近似，推导出的光闪烁指数与大气湍流结构常数之间的关系式，因此，光闪烁法在强起伏条件不适用。

[0012] 2.到达角起伏法

[0013] 通过实验同步测量平面波或球面波的到达角起伏和光强闪烁，从而得到大气湍流结构常数，如文献(Consortini.A,Yi Yi Sum,C.Innocenti,Zhiping Li.Opt.Commun,2003,216,19-23)中所报道的方法。然而，此方法是基于平面波或球面波在大气湍流中传输规律而推导出来的，从而不能直接利用激光束，其理论基础仍然是根据弱起伏条件下的Rytov近似推导出的到达角和光闪烁指数随大气湍流结构常数变化的函数关系式，这种方法在强起伏条件下也无法适用。

[0014] 3.光学干涉测量法

[0015] 通过测量干涉图样的相位变化来反演出大气湍流结构常数。文献(梅海平,苑克娥,绕瑞中,大气与环境光学学报,2007,2,1-5)在此理论基础上提出了利用相位载波技术的单空气间隙的光学湍流测量系统，并通过优化系统测量水平明显提高。但是由于其系统采用光纤传感器光路，系统的热传递及防震动系数需要不断的优化，以达到高的测量精度，此方法还在不断完善中。

[0016] 综上所述，如能研究出一种探测大气湍流结构常数的简单而又准确的测量方法，以及实现所述方法的实验装置，这正是本发明的任务所在。

发明内容

[0017] 本发明的目的正是为了克服现有技术中所存在的不足，而提出一种基于测量光束偏振度来探测大气湍流结构常数的方法，该方法即是利用偏振度与大气湍流结构常数有关的性质，通过测量光束偏振度而探测出大气湍流结构常数的目的。

[0018] 本发明的另一目的在于提供一种实现上述大气湍流结构常数探测方法的实验装置，通过该实验装置对偏振度进行测量，根据测量的偏振度来探测大气湍流结构常数。

[0019] 一种探测大气湍流结构常数装置，包括：

[0020] 激光发生器、光学发射天线、光学接收天线、偏振度测试仪、数据处理器；

[0021] 从所述激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收，电磁准直光束通过偏振度测试仪，偏振度测试仪获取测试数据，数据处理器根据偏振度测试仪获取的数据计算得到大气湍流结构常数；

[0022] 所述偏振度测试仪获取的数据包括：电磁光束偏振度P、电磁光束初始偏振度P0；

[0023] 所述数据处理器根据以下公式计算得到大气湍流结构常数：

[0024]

[0025] Cn2为大气湍流结构常数，f[P,W(ρ1,ρ2,z)]表示电磁光束偏振度P和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)的函数关系式，而交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)＝W(P0,l0,ω0,n,λ,δxx,δyy,z)为包含初始偏振度P0、大气湍流内尺度l0、束腰ω0、光束阶数n、波长λ、x方向和y方向的相干长度δxx和δyy、及传输距离z的函数。

[0026] 进一步地，如上所述的探测大气湍流结构常数装置，所述激光发生器为Nd:YAG激光器、CO2激光器、半导体激光器、光纤激光器或He-Ne激光器。

[0027] 进一步地，如上所述的探测大气湍流结构常数装置，所述光学发射天线为开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

[0028] 进一步地，如上所述的探测大气湍流结构常数装置，所述光学接收天线为卡塞格伦望远镜，或牛顿望远镜，或格里高利望远镜，或开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

[0029] 进一步地，如上所述的探测大气湍流结构常数装置，所述偏振度测试仪为DOP-201偏振度测试仪，或PAX5700系列偏振测试仪，或EPTS01偏振度测试仪。

[0030] 一种探测大气湍流结构常数方法，包括以下步骤：

[0031] (1)将激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；

[0032] (2)将光学接收天线接收到的电磁准直光束通过偏振度测试仪；

[0033] (3)利用偏振度测试仪所测得的数值来探测大气湍流结构常数的值；

[0034] 所述电磁光束为部分相干矢量光束，电磁光束的偏振度与大气湍流结构常数满足以下函数表达式：

[0035]

[0036] Cn2为大气湍流结构常数，f[P,W(ρ1,ρ2,z)]表示电磁光束偏振度P和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)的函数关系式，而交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)＝W(P0,l0,ω0,n,λ,δxx,δyy,z)为包含初始偏振度P0、大气湍流内尺度l0、束腰ω0、光束阶数n、波长λ、x方向和y方向的相干长度δxx和δyy、及传输距离z的函数。

[0037] 本发明与现有技术相比具有以下特点及有益技术效果：

[0038] 1、本发明提出的一种基于偏振度探测大气湍流结构常数的方法，在把实验测量值用于计算过程中，由于依据的公式是由傍轴形式的广义惠更斯-菲涅尔原理[Y.Dan and B.Zhang,Opt.Lett.34,563-565(2009)]和电磁光束在大气湍流中的偏振度[Y.Zhao,Y.Zhang,and Q.Wang,Radioengineering 25,652-657(2016)]，没有使用任何近似，故与现有的方法相比，所得到的大气湍流结构常数的结果更加准确。

[0039] 2、本发明提出的一种基于偏振度探测大气湍流结构常数的方法，在把实验测量值用于计算过程中，由于依据的公式是由傍轴形式的广义惠更斯-菲涅尔原理[Y.Dan and B.Zhang,Opt.Lett.34,563-565(2009)]和电磁光束在大气湍流中的偏振度[Y.Zhao,Y.Zhang,and Q.Wang,Radioengineering 25,652-657(2016)]，因而所用偏振度公式在强起伏条件下也成立，因此在强起伏条件下，仍可探测大气湍流结构常数，所以本发明提出的测量方法比现有方法更广泛适用。

[0040] 3、以前探测大气湍流结构常数(专利201010533777.6基于M2因子和光闪烁指数探2
测大气湍流常数方法及装置)的方法是基于M因子探测大气湍流结构常数，其方法要求激光束在传输过程中保持光束的束状。然而，激光束在湍流大气中传输时会受到湍流起伏影响，使光束传输与目标相互作用而不再保持束状。但是，用偏振度的测量方法不要求光束形状，因此本发明提出的测量方法更具普适性。

[0041] 4、本发明提供的实现一种基于偏振度探测大气湍流常数的实验装置，其光学器件无特殊要求，且结构简单，操作测量方便。

附图说明

[0042] 图1为本发明探测大气湍流结构常数装置结构示意图；

具体实施方式

[0043] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0044] 本发明的基本思想是：基于测量偏振度来探测大气湍流结构常数的方法，先将激光光源发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；然后通过偏振度测试仪；最后利用测得的偏振度来探测出大气湍流结构常数。

[0045] 根据在广义惠更斯-菲涅尔原理和维格纳分布函数方法[Y.Dan and B.Zhang,Opt.Lett.34,563-565(2009)]和电磁光束在大气湍流中的偏振度[Y.Zhao,Y.Zhang,and Q.Wang,Radioengineering 25,652-657(2016)]，得到偏振度与大气湍流结构常数的函数关系式如下：

[0046]

[0047] 式(1)中Cn2为大气湍流结构常数，而交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)＝W(P0,l0,ω0,n,λ,δxx,δyy,z)为包含初始偏振度P0、大气湍流内尺度l0、束腰ω0、光束阶数n、波长λ、x方向和y方向的相干长度δxx和δyy、及传输距离z的函数。所述公式(1)在弱起伏条件和强起伏条件下均成立。

[0048] 把测量得到的偏振度代入式(1)计算，便可得大气湍流结构常数的值。

[0049] 本发明为实现上述所探测大气湍流结构常数的方法，采用包括激光发生器、光学发射天线、光学接收天线、偏振度测试仪、数据处理器等元器件组成的实验装置来完成。本发明所述实验装置结构简单，操作测量方便。

[0050] 为实现本发明的目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的。

[0051] 本发明提出的基于偏振度探测大气湍流结构常数的方法，包括以下步骤：

[0052] (1)将激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；

[0053] (2)然后将光学接收天线接收到的电磁准直光束通过偏振度测试仪；

[0054] (3)最后根据偏振度测试仪所测得的数值来探测出大气湍流结构常数的值；

[0055] 所述电磁光束均为部分相干矢量高斯光束，且偏振度与大气湍流结构常数满足以下函数关系式：

[0056]

[0057] 式(1)中，Cn2为大气湍流结构常数，f[P,W(ρ1,ρ2,z)]表示电磁光束偏振度P和交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)的函数关系式，而交叉谱密度函数W(ρ1,ρ2,z)＝W(P0,l0,ω0,n,λ,δxx,δyy,z)为包含初始偏振度P0、大气湍流内尺度l0、束腰ω0、光束阶数n、波长λ、x方向和y方向的相干长度δxx和δyy、及传输距离z的函数。

[0058] 本发明提供一种实现上述方法的实验装置，按照本发明，所述实验装置包括激光发生器、光学发射天线、光学接收天线、偏振度测试仪、数据处理器；所述实验装置由激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；然后将光学接收天线接收到的电磁准直光束通过偏振度测试仪；最后根据偏振度测试仪所测得的数值来探测出大气湍流结构常数的值。

[0059] 上述技术方案中，所述发出电磁光束的激光发生器为Nd:YAG激光器，或CO2激光器，或半导体激光器，或光纤激光器，或He-Ne激光器。

[0060] 上述技术方案中，所述光学发射天线为开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

[0061] 上述技术方案中，所述光学接收天线为卡塞格伦望远镜，或牛顿望远镜，或格里高利望远镜，或开普勒望远镜，或伽利略望远镜。

[0062] 上述技术方案中，所述偏振度测试仪为DOP-201偏振度测试仪，或PAX5700系列偏振测试仪，或EPTS01偏振度测试仪。

[0063] 上述技术方案中，所述数据处理器为安装有已编制计算程序的计算机。

[0064] 本发明实现一种基于偏振度探测大气湍流结构常数的方法提供的实验装置结构如图1所示。图1中，包括输出电磁光束的激光发生器1，光学发射天线2，大气湍流，光学接收天线3，偏振度测试仪4，数据处理器5。由图1，所述激光发生器1输出的电磁光束，经光学发射天线2准直后发射，进入大气湍流，大气湍流使所述电磁光束的偏振度起伏，所述电磁光束在大气湍流中传输一段距离后被光学接收天线3接收，进入偏振度测试仪4，所述偏振度测试仪4输出接收到的光束的偏振度并传送到数据处理器5。最后，所述数据处理器5按所编制的计算程序处理后，输出大气湍流结构常数Cn2。

[0065] 实施例1

[0066] 本实施例中所用激光发生器1为光纤激光器，其波长为1550nm；光学发射天线2为伽利略望远镜；大气湍流为均匀分布的大气湍流；所用光学接收天线3为牛顿望远镜；偏振度测试仪4为DOP-201偏振度测试仪；所用光学发射天线2和光学接收天线3相距z＝3km。

[0067] 本实施例通过如图1所示的实验装置结构来实现基于偏振度探测大气湍流结构常数的方法。按图1的实验装置结构安装好光学元器件，其光路过程描述：所述光纤激光器1输出电磁光束，其中心波长为1550nm，初始偏振度为0.5，所述电磁光束经光学发射天线2准直并放大后，变成束腰宽度为10mm的准直电磁光束，随后该准直电磁光束在大气湍流中传输距离3km后被光学接收天线3接收，再进入偏振度测试仪4，该偏振度测试仪4输出接收到的光束的偏振度值再传送到数据处理器5。最后，该数据处理器5按所编制的计算机程序处理后，即可输出大气湍流结构常数Cn2。

[0068] 所述数据处理器5为安装有所编制的计算机程序的计算机，所述计算机程序采用MATLAB7.0编写。该计算程序可以是直接用命令行组成的M文件，或者是GUIDE方式和命令行M文件方式创建的一个GUI程序，所述计算程序处理数据的基本步骤如下：

[0069] 1)为计算程序的参数赋值：电磁光束波长，初始偏振度，束腰宽度，相干长度及传输距离，并输入偏振度测量值；

[0070] 2)判断观察点位置是否离轴，如果不是则执行观察点位置在坐标轴上情况下的计算程序A)；否则执行观察点位置离轴情况下的计算程序B)；

[0071] A)观察点位置在坐标轴上情况下的计算程序：

[0072] A1)利用公式(1)计算出f[P,W(ρ1,ρ2,z)]的值(r＝0)；并用数值方法求解此方程，得大气湍流结构常数Cn2。

[0073] B)观察点位置离轴情况下的计算程序：

[0074] B1)计算观察点的离轴位置矢量(r≠0)；

[0075] B2)利用公式(1)计算出f[P,W(ρ1,ρ2,z)]的值；并用数值方法求解此方程，得大气湍流结构常数Cn2。

[0076] 本实施例测得接收光束离轴的偏振度为0.8391，通过上述实施例，输出大气湍流结构常数Cn2为9.873×10-14m-2/3；接收光束观察点在轴上的偏振度为0.8460，通过上述实施2 -14 -2/3
例，输出大气湍流结构常数Cn 为0.325×10 m ，从而实现了通过偏振度探测大气湍流结构常数。

[0077] 实施例2

[0078] 本实施例中将实施例1中所用激光发生器1替换为Nd:YAG激光器，其中心波长为1064nm；光学发射天线2替换为开普勒望远镜；大气湍流仍为均匀分布的大气湍流；光学接收天线3替换为卡塞格林望远镜，偏振度测试仪4替换为EPTS01偏振度测试仪，数据处理器5仍与实施例1中所述数据处理器相同；然后按图1的实验装置结构安装好各光学元器件，其他操作实验步骤和计算过程与实施例1相同，同样可以通过测量得到的偏振度探测出大气湍流结构常数Cn2。

[0079] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。