專利名稱：測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大氣光學、遙感領域，具體是一種測量傳輸路徑上大氣折射率結 構常數(shù)即大氣湍流平均強度的方法和儀器。
背景技術：
大氣折射率結構常數(shù)c 2是光學湍流強度的定量描述，是反映大氣湍流光學 特性的最重要的參數(shù)之一，了解c 2的變化規(guī)律并對其進行準確測量對于研究聲、
光和電磁波的傳輸問題、評估光電系統(tǒng)性能、驗證湍流模型等方面具有非常重要 的意義。利用湍流大氣中光強起伏效應測量硌徑平均的c〗是一種直接有效的方
法，已知在弱起伏條件下，當傳播路徑均勻時，光強起伏的歸一化方差與c，之 間存在確定的比例關系。然而在強鴻流條件下，由于閃爍飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)，閃爍 方差與G之間的比例關系式不成立，閃爍法測量c〗失效。因此，解決飽和問題
是在更大范圍內(nèi)用閃爍法測量c 2的關鍵。
二十世紀七十年代，有研究者通過啟發(fā)式強閃爍模型的分析，提出了一種能
克服飽和效應的測量C!的大口徑閃爍儀。其基本思想是對于一定面積的非相
干光源在一定面積的接收孔徑內(nèi)的閃爍，當發(fā)射口徑和接收口徑滿足一定條件 時，可以避免飽和效應?；谶@一設想的觀測儀器后來由美國N0AA波傳播實驗 室研制成功。此后的十幾年時間里，利用可見光、紅外光和微波輻射的各種光閃 爍儀紛紛出現(xiàn)，這些儀器不僅可以利用光強起伏測量路徑上的湍流強度，如果配 備兩套發(fā)射或是接收裝置，還可以獲得湍流內(nèi)尺度或是橫向風速的信息；同時由 于閃爍儀的測量尺度與衛(wèi)星遙感的像元尺度匹配較好，伴隨著20世紀90年代中 期以來衛(wèi)星遙感技術的迅速發(fā)展，被廣泛應用于外場陸面的通量實驗研究中，成 為衛(wèi)星遙感反演結果的最佳驗證手段，具有廣泛的應用前景。
然而在實際應用中，產(chǎn)生能夠傳#番4艮遠距離的均勻的非相干面光源并不簡 單,通常的做法是用近紅外發(fā)光二極管放置在球面反射鏡的焦點處，將反射鏡近 似為點光源的集合，這種做法存在著人眼不可見、調(diào)節(jié)困難等缺點，同時也限制 了儀器最小可測的路徑長度。如果采用可見激光波段，則可以有效克服以上缺點， 同時配合大孔徑接收，并使接收口徑滿足一^條件，那么依據(jù)激光大氣閃爍的孔 徑平均效應，依然可以在一定程度上抑制飽和效應。依據(jù)這一原理研制出大口徑
激光閃爍儀，可以在更大范圍內(nèi)用閃爍法測量C"2,如果配備了氣象參數(shù)測量設
備，就可以對地表通量進行監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀及 方法，這種大口徑激光閃爍儀基于激光在瑞流大氣中傳輸時光強起伏的光閃爍效 應，測量路徑等效平均的湍流強度。 .本發(fā)明專利的技術方案如下
測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其特征在于包括相對向設置 的二個反射式望遠鏡及鏡筒上分別設置的激光器，激光器分別和調(diào)制信號發(fā)生器 連接，反射式望遠鏡鏡筒后端安裝有拋物面主鏡，鏡筒中央有傾斜安裝的平面副 鏡，位于拋物面主鏡前端，入射光經(jīng)過拋物面主鏡反射后到達平面副鏡反射經(jīng)過 鏡筒上的開口、衰減片和窄帶干涉濾光片，會聚到光電探測器上，光電探測器輸 出信號接入到數(shù)據(jù)處理設備。
所述的衰減片、窄帶千涉濾光片、光電探測器固定在同一個筒體上，該筒體 安裝在鏡筒一的開口上。
所述的平面副鏡和鏡筒軸線成45。。
所述的激光器的中心波長為645nm,相應的窄帶干涉濾光片的中心波長為 645nm。
所述的光電探測器為光電倍增管。
測量大氣折射率結構常數(shù)的方法，其特征在于包括相對向設置在傳輸路徑的 兩端的二個反射式望遠鏡及4竟筒上分別設置的中心波長為645nm激光器，激光器 由TTL調(diào)制信號進行驅(qū)動，輸出方波信號，當'振蕩電路輸出高電平時，激光器點 亮，低電平時，激光器關閉；反射式望遠鏡鏡筒后端安裝有拋物面主鏡，鏡筒中
央有傾斜安裝的平面副鏡，位于拋物面主鏡前端，入射光經(jīng)過拋物面主鏡反射后 到達平面副鏡反射經(jīng)過鏡筒上的開口 ，衰減片和中心波長為645rnn的窄帶干涉濾 光片，會聚到光電探測器上；傳輸路徑一端的激光器發(fā)出的調(diào)經(jīng)過調(diào)制的激光信 號經(jīng)過湍流大氣傳輸后，由傳輸路徑另一端的反射式望遠鏡收集光信號，經(jīng)過反 射式望遠鏡鏡筒內(nèi)的拋物面主鏡、平面副鏡反射后，由光電探測器接收，并進行
光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號f/與入射光信號/成正比，C/的歸一化方差y^與/的 歸一化方差^2 (也即閃爍指數(shù))存在如下關系
<formula>formula see original document page 6</formula>
式中〈〉表示統(tǒng)計平均，探測C7隨時間的變化，利用上式即可獲得閃爍指數(shù)A2; 此外根據(jù)光傳輸理論， 一定接收孔徑內(nèi)光強起伏的閃爍指數(shù)是大氣折射率結 構常數(shù)Cf 、光波數(shù)A: ( A: = 2;r/;i, A為激光波長)、傳輸距離Z 、接收孔徑的 直徑D、孔徑遮攔比s的函數(shù)
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
如杲已知《、A:、 ￡、 D和s,就可以根據(jù)(6)反推出表征湍流強度的《。 通過數(shù)據(jù)擬合的方法對(6)式進行近似，'獲得簡化的定標公式
4隨,。<formula>formula see original document page 6</formula> (11) <formula>formula see original document page 6</formula>輛 (12)
綜上所述，利用本發(fā)明提出的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀 可以獲得隨時間變化的正比于入射光強的電信號，利用(l)式統(tǒng)計出光強起
伏的閃爍指數(shù)，帶入定標公式(11)和(12),配合激光波長、傳輸距離、接 收孔徑的直徑和孔徑遮攔比等參數(shù)，就可以計算出路徑平均的大氣折射率結 構常數(shù)。
放置衰減片和窄帶千涉濾光片，可以避免入射光通量過大使光電探測器飽 和，同時提高了信噪比。
(1)、基于激光大氣閃爍的孔徑平均效應，采用激光點光源發(fā)射、大口徑望 遠鏡接收的結構，在抑制閃爍飽和效應、擴大測量范圍的同時，簡化了系統(tǒng)與結 構設計。基于該原理的激光閃爍儀尚未見公開報道。
(2 )、采用了調(diào)制解調(diào)技術，在激光器發(fā)射系統(tǒng)采用兩個計時器組成多諧振 蕩電路，驅(qū)動激光器發(fā)出頻率、占空比可調(diào)的激光束，在反射式望遠鏡接收系統(tǒng) 采用隔直流電路、絕對值檢波電路進行解調(diào)，調(diào)制解調(diào)技術的運用基本扣除了背 景噪聲的影響，使儀器的信噪比顯著提高，性能更加穩(wěn)定。
(3) 、采用嵌入式控制系統(tǒng)，完成對數(shù)據(jù)的采集、計算、存儲和實時顯示， 數(shù)據(jù)通過USB端口傳遞到計算機硬盤，觸摸式顯示屏可以顯示實時信號或信號統(tǒng) 計值，既為光路校準提供了直觀的定量標準，'也便于對實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，判斷 信號狀況。
(4) 、采用對稱式設計，由兩套完全相同的裝置組成，每套裝置都包含激光 器、接收望遠鏡及相關的控制系統(tǒng)，激光器集成在接收望遠鏡的頂端，外場實驗 時，兩套設備分別放置在傳輸路徑的兩端， 一端的接收望遠鏡探測另一端的發(fā)射 光，這樣的結構設計可以利用兩套系統(tǒng)的測量結果判斷路徑的均勻性，提供更多 的實驗信息，該項功能尚未見公開4艮道。
(5) 、定標方法以孔徑平均因子的定義式為理論基礎，考慮了望遠鏡遮攔比 的影響，具有很高的精度，提高了測量結果的準確性，該定標方法尚未見公開報 道。


—
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構圖。
圖2是本發(fā)明電信號處理電路的結構框圖。
圖3是本發(fā)明大氣折射率結構常數(shù)隨時間的變化。
具體實施例方式
請參見附圖1。 測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，采用對稱式結構設計，包括 相對向設置的二個口徑為127mm、焦距為430. 5mm的牛頓反射式望遠鏡1,及反 射式望遠鏡1鏡筒上分別設置的中心波長為645nm、輸出功率15mW的半導體激 光器2，具有體積小、重量輕、便于集成的優(yōu)點；激光器2分別和調(diào)制信號發(fā)生 器連接，為提高系統(tǒng)信噪比，激光器2由TTl/調(diào)制信號進行驅(qū)動，兩個定時器組 成頻率和占空比可調(diào)的多諧振蕩電路，調(diào)節(jié)電路參數(shù)，輸出頻率為10kHz、占空 比為50%的方波信號，當振蕩電路輸出高電平時，激光器2點亮，低電平時， 激光器2關閉。激光器2固定在二維光學調(diào)整架3上，可以在水平和垂直方向調(diào) 節(jié)出射光束的位置。反射式望遠鏡l的架臺采用單叉式地平經(jīng)綿儀，能夠以九段 速度在水平和垂直方向移動，非常便于光路調(diào)節(jié)；
反射式望遠鏡1鏡筒后端安裝有拋物面主鏡4,鏡筒中央有45°傾斜安裝的 平面副鏡5 ，位于拋物面主鏡4前端，入射光經(jīng)過拋物面主鏡4反射后到達平面 副鏡5反射經(jīng)過鏡筒上的開口 6、衰減片7和中心波長為645nm、帶寬為6nm的 窄帶千涉濾光片8,會聚到光電倍增管9上。光電倍增管9位置在距焦點前方和 后方各25mm的范圍內(nèi)變化，將光電倍增管9調(diào)節(jié)至焦點后側(cè)15 ~ 20mm的位置處， 使入射光斑直徑約為5-7mm。放置衰減片7和窄帶干涉濾光片8,可以避免入射 光通量過大使光電倍增管9飽和，同時提高了信噪比。
所述的衰減片7、窄帶千涉濾光片8、光電探測器9固定在同一個筒體上， 該筒體安裝在鏡筒一的開口 6上。
進行實驗時，二個牛頓反射式望遠鏡l分別放置在傳輸路徑的兩端，路徑一 端的激光器發(fā)出調(diào)制'數(shù)光，經(jīng)過大氣進行傳輸，由路徑另一端的反射式望遠鏡收 集激光信號。
入射光由反射式望遠鏡1的拋面主鏡4收集并通過平面副鏡5會聚到焦點， 以光電倍增管9接收，將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號并初步放大，之后進入嵌入式控 制系統(tǒng)進行;改大、解調(diào)、采集、存儲和顯示，如圖2所示。電流信號進入^L大器 進行電流電壓轉(zhuǎn)換并再次放大之前，首先通過隔直流電路過濾直流信號，這樣放 大器僅對信號進行放大，對背景噪聲基本不響應，避免了放大器飽和，提高了信 噪比。由于調(diào)制釆用的是方波，考慮到方波本身的特點，只需使用全波整流電路 即可提取包跡，實現(xiàn)檢波，因此采用只需一對匹配電阻的精密絕對值整流電路進
行解調(diào)。解調(diào)后的信號由控制系統(tǒng)的采集單元進行采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，保存 在存儲單元中，可以通過USB端口向計算機回傳數(shù)據(jù)，同時由觸摸式顯示屏以三 種方式顯示信號"實時顯示"模式，便于光路的對準以及對信號實時監(jiān)測；"數(shù) 據(jù)存儲"模式，將數(shù)據(jù)存入文件，同時全屏顯示當前文件數(shù)據(jù)；"均態(tài)顯示"模 式依次統(tǒng)計并顯示每個數(shù)據(jù)文件的均方值?？梢栽谌N顯示模式中任意切換而 不會影響數(shù)據(jù)的處理和計算。另外為減輕控制系統(tǒng)的處理和存儲負荷，預留了信 號輸出端口，解調(diào)后的信號通過該端口可以直接與采集卡等設備連接，并由計算 機軟件控制進行采集和處理，增加了數(shù)據(jù)處理的靈活性。 測量原理及方法
根據(jù)本發(fā)明提出的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，可以獲得 隨時間變化的正比于入射光強/的電信號U,它的歸 一化方差"纟與/的歸 一化
方差《(也即閃爍指數(shù))存在如下關系
<formula>formula see original document page 9</formula>利用(1 )式統(tǒng)計出《就等于獲得了光強起伏的閃爍指數(shù)。
根據(jù)光傳輸理論，波長為義的球面波經(jīng)過大氣湍流進行傳4番，在傳播距離丄 處，直徑為D的孔徑上接收的對數(shù)光強起伏方差為
《(￡>) = 4 x (2d)2 fcfe f sin2力k2 ]<D (Ok尸Oc)化 (2 )
式中yfc為光波數(shù)且A^2;r/;i; k是空間波數(shù)；y = 2/丄是球面波的傳播因子； 0 (X)表示折射率起伏的空間鐠密度，可表示為下列形式
<D (a:) = 0.033C"2 (z)a:-11/3/(a:/0) ( 3 )
其中C 2(z)即為所求的大氣折射率結構常數(shù)，/(/d。)是描述內(nèi)尺度效應的因子， 對于均勻各向同性湍流，/(k/。)-1; F(k)是孔徑濾波函數(shù)，由于本發(fā)明采用牛
頓反射式望遠鏡作為接收裝置，其平面副鏡與拋面主鏡的比值，即孔徑遮攔比 ￡」0.37,因此屬于圓環(huán)接收孔徑，相應的孔徑濾波函數(shù)為<formula>formula see original document page 10</formula>
在弱起伏條件下，閃爍指數(shù)與對數(shù)光強起伏方差的關系為
《《 (5)
對于本發(fā)明提出的大口徑激光閃爍儀，如果僅考慮最筒單的均勻各向同性湍 流，其接收孔徑內(nèi)的閃爍指數(shù)的表達式為
<formula>formula see original document page 10</formula>
如果已知《CD)，根據(jù)(6)式，只需帶入激光波長、接收口徑、孔徑遮攔比和
路徑長度，就可以反推出出路徑平均的大氣折射率結構常數(shù)。然而(6)式形式 復雜，不能滿足工程應用的需要，根據(jù)孔徑平均因子的定義對本發(fā)明提出的大口 徑激光閃爍儀進行定標，獲得(6 )式的近似式，同時考慮到對于本發(fā)明提出的 大口徑激光閃爍儀而言，激光波長、接收口徑和孔徑遮攔比都是固定的，只有路 徑長度因?qū)嶒灄l件而異，所以對本發(fā)明提出的大口徑激光閃爍儀進行定標，主要 是標定出接收孔徑內(nèi)的閃爍指數(shù)隨路徑長度的函數(shù)關系。
根據(jù)孔徑平均因子的定義 一定面積的接收孔徑內(nèi)的閃爍指數(shù)與無限小的接 收孔徑內(nèi)的閃爍指數(shù)的比值
分母表示激光點源發(fā)射、點接收系統(tǒng)的閃爍指數(shù)，其表達式為
<formula>formula see original document page 10</formula>
綜合(6)、 (7)和(8)式，對于本發(fā)明提出的大口徑激光閃爍儀，其接收孔徑 的孔徑平均因子為
<formula>formula see original document page 10</formula>
已知適用于球面波、大口徑、小內(nèi)尺度條件下的圓形孔徑平均因子的近似式
<formula>formula see original document page 11</formula>10)
以(9)式和(10)式的比值表示圓環(huán)孔徑平均因子精確式與圓形孔徑平均因子 近似式的差異，帶入系統(tǒng)參數(shù)/U645"w、 。 = 127附附、￡ = 0.37，分析比值隨路 徑長度的變化趨勢，并關于路徑長度進行擬合，分析表明，如果采用一階指數(shù)衰 減擬合，擬合精度足以滿足工程測量的需要，擬合結果為
t<formula>formula see original document page 11</formula> (11)
最終，利用本發(fā)明提出的大口徑激光閃爍儀測量路徑平均的大氣折射率結構常數(shù) 的定標^^式為
<formula>formula see original document page 11</formula> (12)
A;"仰tor—聲x u.^yo/c 丄 綜上所述，利用本發(fā)明提出的大口徑激光閃爍儀測量的正比于入射光強的電信 號，根據(jù)(1)式計算出光強起伏的閃爍指數(shù)，配合激光波長、路徑長度、接收 孔徑的直徑和孔徑遮攔比，利用(11)式和(12)式，就可以計算出表征端流強
度的路徑平均的大氣折射率結構常數(shù)c;2。此外，根據(jù)大氣折射率結構常數(shù)c，與
大氣溫度結構常數(shù)CV2之間的關系
<formula>formula see original document page 11</formula> (13)
在已知大氣壓p和溫度r的情況下利用上式可以得到c;。
典型實驗結果
2007年5月21日20:40至22日20:40,天氣晴朗，時有大風，溫度26 ~ 33°C, 測量光強起伏信號，得到大氣折射率結構常數(shù)隨時間的變化趨勢如圖3。
權利要求
1、測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其特征在于包括相對向設置的二個反射式望遠鏡及鏡筒上分別設置的激光器，激光器分別和調(diào)制信號發(fā)生器連接，反射式望遠鏡鏡筒后端安裝有拋物面主鏡，鏡筒中央有傾斜安裝的平面副鏡，位于拋物面主鏡前端，入射光經(jīng)過拋物面主鏡反射后到達平面副鏡反射經(jīng)過鏡筒上的開口、衰減片和窄帶干涉濾光片，會聚到光電探測器上，光電探測器輸出信號接入到數(shù)據(jù)處理設備。
2、 根據(jù)權利要求1所述的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其特 征在于所述的衰減片、窄帶干涉濾光片、光電探測器固定在同一個筒體上， 該筒體安裝在鏡筒一的開口上。
3、 根據(jù)權利要求1所述的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其特 征在于所述的平面副鏡和鏡筒軸線成45。。
4、 根據(jù)權利要求1所述的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其特 征在于所述的激光器的中心波長為645nm,相應的窄帶千涉濾光片的中心波 長為645nm。
5、 根據(jù)權利要求1所述的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀，其特 征在于所述的光電探測器為光電倍增管。'
6、 測量大氣折射率結構常數(shù)的方法，其特征在于包括相對向設置在傳輸路徑的 兩端的二個反射式望遠鏡及鏡筒上分別設置的中心波長為645mn激光器，激 光器由TTL調(diào)制信號進行驅(qū)動，輸出方波信號，當振蕩電路輸出高電平時， 激光器點亮，低電平時，激光器關閉；反射式望遠鏡鏡筒后端安裝有拋物面 主鏡，鏡筒中央有傾斜安裝的平面副鏡，位于拋物面主鏡前端，入射光經(jīng)過 拋物面主鏡反射后到達平面副鏡反射經(jīng)過鏡筒上的開口 ，衰減片和中心波長 為645nm的窄帶干涉濾光片，會聚到光電探測器上；傳輸路徑一端的激光器 發(fā)出的調(diào)經(jīng)過調(diào)制的激光信號經(jīng)過湍流大氣傳輸后，由傳輸路徑另 一端的反 射式望遠鏡收集光信號，經(jīng)過反射式望遠鏡鏡筒內(nèi)的拋物面主鏡、平面副鏡 反射后，由光電探測器接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電信號C/與入射光信號/成正比，f/的歸一化方差y^與/的歸一化方差A2 (也即閃爍指數(shù))存在如下關系<formula>formula see original document page 3</formula>式中O表示統(tǒng)計平均，探測[/隨時間的變化，利用上式即可獲得閃爍指數(shù)《； 此外根據(jù)光傳輸理論， 一定接收孔徑內(nèi)光強起伏的閃爍指數(shù)是大氣折射率結 構常數(shù)C"2、光波數(shù)yt (/t = 2;r//l，義為激光波長)、傳輸距離Z、接收孔徑的 直徑Z)、孔徑遮攔比e的函數(shù)<formula>formula see original document page 3</formula>如果已知/ / 、 ；t 、 Z 、 D和s ,就可以根據(jù)(6)反推出表征湍流強度的c 2 。 通過數(shù)據(jù)擬合的方法對(6)式進行近似，獲得簡化的定標公式務D2 /" 4朋* * =[l + 0.214x(^f )7/6]—1 x
(11 )4￡ 1079.23c、_^_ (12)綜上所述，利用本發(fā)明提出的測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀 可以獲得隨時間變化的正比于入射光強的電信號，利用(l)式統(tǒng)計出光強起 伏的閃爍指數(shù)，帶入定標公式(11)和(12),配合激光波長、傳輸距離、接 收孔徑的直徑和孔徑遮攔比等參數(shù)，就可.以計算出路徑平均的大氣折射率結 構常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量大氣折射率結構常數(shù)的大口徑激光閃爍儀及方法，包括相對向設置的二個反射式望遠鏡及鏡筒上分別設置的激光器，入射光經(jīng)過鏡筒內(nèi)的拋物面主鏡反射后到達平面副鏡反射經(jīng)過鏡筒上的開口、衰減片和窄帶干涉濾光片，會聚到光電探測器上。進行傳輸實驗時，兩套裝置分別放置在傳輸路徑的兩端，路徑一端的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出調(diào)制的激光信號，經(jīng)過湍流大氣傳輸后，由路徑另一端的望遠鏡收集光信號，并由放置在焦點附近的光電倍增管進行光電轉(zhuǎn)換，隨后電信號進入嵌入式控制系統(tǒng)進行解調(diào)、采樣、處理、存儲和顯示。具有很高的精度，提高了測量結果的準確性。
文檔編號G01W1/00GK101109702SQ200710024298
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月28日 優(yōu)先權日2007年7月28日
發(fā)明者朱文越, 饒瑞中, 馬曉珊 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所