專利名稱：基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法涉及激光大氣探測(cè)領(lǐng)域，特別涉及利用激光雷達(dá)測(cè)量大氣湍流強(qiáng)度廓線的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的測(cè)量大氣湍流強(qiáng)度廓線的手段主要有探空式測(cè)量和風(fēng)廓線微波雷達(dá)反演及聲雷達(dá)測(cè)量法等，但它們都有著各自的不足。用探空氣球攜帶溫度探空儀可以測(cè)量出從地面到20km左右的高度廓線，但是由于氣球受風(fēng)的影響較大，無(wú)法探測(cè)指定區(qū)域，同時(shí)，探空氣球測(cè)量要得到一條完整的廓線需要的時(shí)間較長(zhǎng)，所以實(shí)時(shí)性和局域性都不好。微波雷達(dá)理論上可以獲得大氣湍流強(qiáng)度廓線，但同時(shí)要測(cè)量到平均的溫度和濕度廓線，所以比較費(fèi)時(shí)，而且測(cè)量精度也不高；此外，還有聲雷達(dá)測(cè)量方法，雖然在理論和實(shí)際測(cè)量中，均證明了這一方法的有效性，但由于聲功率的極大限制，使測(cè)量高度非常有限。以色列的Ben-Gurion大學(xué)的研究者提出通過(guò)測(cè)量到達(dá)角起伏的方法來(lái)測(cè)量大氣湍流廓線，但是有文獻(xiàn)指出此種方法存在二次光程的問(wèn)題，測(cè)量結(jié)果有待商榷。
發(fā)明目的 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法存在的問(wèn)題，從而提出一種實(shí)時(shí)性、局域性較好，空間分辯率較高，同時(shí)能夠解決二次光程問(wèn)題的基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括有激光器(14)，激光器(14)在計(jì)算機(jī)(1)的控制下發(fā)出脈沖光，脈沖光被卡塞格林式發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(13)擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)平面反射鏡(12)、(10)后聚焦，從聚焦處后向散射的光被平面反射鏡(10)后方的卡塞格林式接收望遠(yuǎn)鏡(9)接收，接收到的后向散射光通過(guò)加在接收望遠(yuǎn)鏡(9)后的小孔(8)后入射到凸透鏡(7)上，在凸透鏡(7)后面加有一個(gè)干涉濾光片(6)，被過(guò)濾過(guò)的信號(hào)光經(jīng)過(guò)光束分割系統(tǒng)(5)后，入射到凸透鏡(4)上，然后被凸透鏡(4)會(huì)聚到像增強(qiáng)器(3)的焦平面上，被像增強(qiáng)器(3)放大的信號(hào)被CCD(2)采集，采集到的信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)(1)中進(jìn)行處理，所述的光束分割系統(tǒng)(5)是由六塊楔形透鏡拼合組成。
基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法，其特征在于將一定能量的激光脈沖通過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡聚焦到待測(cè)區(qū)域，形成一個(gè)激光導(dǎo)星，激光導(dǎo)星的后向散射光被接收望遠(yuǎn)鏡接收后要經(jīng)過(guò)干涉濾光片濾出雜散光，然后光束被由六塊楔形透鏡拼合組成的光束分割系統(tǒng)分割成六部分，在像增強(qiáng)器的焦平面上形成6個(gè)光斑，這6個(gè)光斑被像增強(qiáng)器放大后通過(guò)中繼光路傳向CCD，最后被傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在處理過(guò)程中，首先分別計(jì)算出六個(gè)光斑的重心，然后利用澤尼克模式的波面復(fù)原算法算出澤尼克多項(xiàng)式前5項(xiàng)的系數(shù)，然后通過(guò)大氣相干長(zhǎng)度與澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)的關(guān)系計(jì)算出大氣相干長(zhǎng)度值，再進(jìn)一步計(jì)算出大氣湍流強(qiáng)度廓線。
探測(cè)步長(zhǎng)為探測(cè)步長(zhǎng)在1.5公里內(nèi)為150米，1.5公里到5公里之間為500米，5公里以上為1000米。
所述的楔形透鏡形狀為三角楔形體。
本系統(tǒng)所用的激光器為Nd:YAG脈沖激光器，波長(zhǎng)為532nm，頻率為25Hz。發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡均為口徑350mm的卡式望遠(yuǎn)鏡。像增強(qiáng)器是日本濱松公司的高速閘門像增強(qiáng)器，型號(hào)為C7609。CCD相機(jī)選用普通高分辨率黑白CCD。光束分割系統(tǒng)為6個(gè)楔形透鏡組成，當(dāng)經(jīng)過(guò)濾光片(5)的平行光通過(guò)楔形鏡后，由于楔形透鏡對(duì)光束的偏轉(zhuǎn)作用，光束在楔形透鏡的傾斜方向出現(xiàn)微量偏移，當(dāng)一束光通過(guò)由多塊傾斜方向不同的楔形透鏡時(shí)，光束因?yàn)橄虿煌较蚱贫殖啥嗍?，每一束都形成一個(gè)獨(dú)立的焦點(diǎn)。被CCD拍攝到的光斑即會(huì)有六個(gè)。
將一定能量的激光脈沖通過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡聚焦到待測(cè)區(qū)域，形成一個(gè)激光導(dǎo)星在激光器(14)的出口，由PIN光電二極管檢測(cè)出光時(shí)刻，輸出出光信號(hào)，出光信號(hào)輸入射極跟隨器進(jìn)行緩沖，輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，觸發(fā)可編程延時(shí)器，由可編程延時(shí)器輸出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)可編程脈寬發(fā)生器，可編程脈寬發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)輸入至功率驅(qū)動(dòng)部分后，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)觸發(fā)像增強(qiáng)器(3)工作。
在以上這個(gè)過(guò)程中，記錄了激光出光時(shí)刻，并且通過(guò)可編程延時(shí)器知道了像增強(qiáng)器開始工作時(shí)間，通過(guò)這兩個(gè)時(shí)間差，并且根據(jù)光傳輸距離與光速與時(shí)間的關(guān)系，可以計(jì)算出像增強(qiáng)器采集到的信號(hào)是從空間哪個(gè)距離處傳輸回來(lái)的。然后通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(13)的焦距調(diào)節(jié)旋鈕，同時(shí)觀測(cè)計(jì)算機(jī)(1)顯示器上采集到的光斑的大小，當(dāng)光斑尺寸最小時(shí)，就可以判定焦點(diǎn)就聚焦到像增強(qiáng)器采集到信號(hào)的那個(gè)距離。
通過(guò)以上這種方式，可以將焦點(diǎn)聚焦到指定的位置。而焦點(diǎn)到底聚焦到那個(gè)位置最好，是通過(guò)數(shù)值模擬算出來(lái)的，并不是隨意的。
依據(jù)本發(fā)明研制的測(cè)量湍流廓線激光雷達(dá)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的測(cè)量工作，并將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)量方法進(jìn)行了對(duì)比，獲得了很好的效果。用前述激光雷達(dá)所測(cè)量到的大氣相干長(zhǎng)度與傳統(tǒng)被動(dòng)式大氣相干長(zhǎng)度儀的對(duì)比，從中可以看出兩種測(cè)量方法所得結(jié)果非常一致，擬合線的斜率接近1，并且離散性不大，說(shuō)明結(jié)果是可靠的。
基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法用于采用了激光雷達(dá)的探測(cè)方式，所以應(yīng)用起來(lái)極其靈活，可以在任何時(shí)候測(cè)量任何高度的大氣相干長(zhǎng)度和大氣湍流強(qiáng)度廓線，這就擺脫了傳統(tǒng)測(cè)量方式在實(shí)時(shí)性、局域性以及測(cè)量精度的缺陷，又因?yàn)椴捎昧藵赡峥四Ｊ降挠?jì)算方法，所以也就沒(méi)有了二次光程方面的限制。無(wú)論在科研還是實(shí)際測(cè)量中都有很大的用途。



圖1為基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2光束分割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3為實(shí)測(cè)的光斑回波信號(hào)圖。
圖4為用基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法測(cè)量到的大氣相干長(zhǎng)度值與傳統(tǒng)的被動(dòng)式大氣相干長(zhǎng)度儀測(cè)量的數(shù)值的對(duì)比圖。
圖5為實(shí)測(cè)的水平方向的大氣湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)圖。

具體實(shí)施例方式 參見(jiàn)附圖。
基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括有激光器(14)，激光器(14)在計(jì)算機(jī)(1)的控制下發(fā)出脈沖光，脈沖光被卡塞格林式發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(13)擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)平面反射鏡(12)、(10)后聚焦到待測(cè)區(qū)域，形成一個(gè)激光導(dǎo)星，激光導(dǎo)星的后向散射的光被平面反射鏡(10)后方的卡塞格林式接收望遠(yuǎn)鏡(9)接收，接收到的后向散射光通過(guò)加在接收望遠(yuǎn)鏡(9)后的小孔(8)后入射到凸透鏡(7)上，在凸透鏡(7)后面加有一個(gè)干涉濾光片(6)，被過(guò)濾過(guò)的信號(hào)光經(jīng)過(guò)光束分割系統(tǒng)(5)后，入射到凸透鏡(4)上，然后被凸透鏡(4)會(huì)聚到像增強(qiáng)器(3)的焦平面上，被像增強(qiáng)器(3)放大的信號(hào)被CCD(2)采集，采集到的信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)(1)中進(jìn)行處理，所述的光束分割系統(tǒng)(5)是由六塊楔形透鏡拼合組成。
數(shù)據(jù)處理方法 首先通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出如圖(3)所示的圖象中每個(gè)光斑在x、y方向的重心xcn、ycn，由此可以得出每個(gè)楔形透鏡上對(duì)應(yīng)的信標(biāo)光波前斜率θxn、θyn θxn＝xcn/F，θyn＝y(tǒng)cn/F 其中F為子孔徑焦距。
在波前擬合中，采用的是澤尼克多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。該方法是將信標(biāo)光波前

展開成澤尼克多項(xiàng)式，而后以探測(cè)出的各楔形透鏡上的波前斜率求得展開式所取各項(xiàng)的系數(shù)。

M為澤尼克多項(xiàng)式的展開項(xiàng)數(shù)，ai澤尼克各階系數(shù)。那么第n個(gè)探測(cè)楔形透鏡面上的波前斜率平均值為 積分區(qū)域?yàn)榈趎個(gè)楔形透鏡面，面積為A，zi的下標(biāo)“x，y”分別表示其對(duì)x，y的偏導(dǎo)數(shù)。澤尼克展開式從第三項(xiàng)(i＝3)開始求和，表示將信標(biāo)光波前的整體傾斜項(xiàng)分離出來(lái)，因?yàn)樵谧赃m應(yīng)系統(tǒng)中波前平均傾斜復(fù)原是由楔形透鏡完成的，而在激光大氣湍流雷達(dá)的探測(cè)中，由于傾斜不確定性帶來(lái)的誤差使得在計(jì)算波面時(shí)也舍棄了傾斜量。
同樣將探測(cè)到的各楔形透鏡波前斜率θxn，θyn減去波前平均傾斜，得 θ′xn＝θxn-θx，θ′yn＝θyn-θy 其中N為楔形透鏡個(gè)數(shù)。
令 為波前斜率方差，求

并---令

為零，得 {[zxln]M×N[zxnm]N×M+[zyln]M×N[zynm]N×M}[am]M ＝[zxln]M×N[θ′xn]+[zyln]M×N[θ′yn](a) 式中 zxln＝∫∫nzxl(x，y)dxdy/A，zyln＝∫∫nzyl(x，y)dxdy/A [zxln]，[zyln]分別為[zxnm]，[zynm]的轉(zhuǎn)置矩陣，求解線形方程組(a)，即得澤尼克的各階展開系數(shù)[am]，再通過(guò)如表x中所表達(dá)得到大氣相干長(zhǎng)度r0。
表x符合柯爾莫哥洛夫譜的大氣擾動(dòng)帶來(lái)的各階澤尼克系數(shù)方差 通過(guò)以上的計(jì)算可以得到不同高度的大氣相干長(zhǎng)度r0(h)，然后再通過(guò)大氣相干長(zhǎng)度與與大氣湍流的關(guān)系求得大氣湍流廓線Cn2(h)。
平面波 球面波 其中k為波數(shù)，L為探測(cè)距離，θ為仰角。
當(dāng)Cn2為常數(shù)時(shí)，如水平傳輸路徑，平面波的大氣相干長(zhǎng)度可簡(jiǎn)化為 球面波的大氣相干長(zhǎng)度可簡(jiǎn)化為 由于激光大氣湍流廓線雷達(dá)接收的是聚焦光束的后向散射，因此要用球面波的公式進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)于某一高度L上的大氣相干長(zhǎng)度r0L，有 得 所以對(duì)于不同高度的大氣相干長(zhǎng)度r0(h)，有 從而得到大氣湍流廓線Cn2(h)。通過(guò)計(jì)算可知，探測(cè)步長(zhǎng)在1.5公里內(nèi)為150米，1.5公里到5公里之間為500米，5公里以上為1000米。
權(quán)利要求
1. 基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括有激光器(14)，激光器(14)在計(jì)算機(jī)(1)的控制下發(fā)出脈沖光，脈沖光被卡塞格林式發(fā)射望遠(yuǎn)鏡(13)擴(kuò)束后，經(jīng)過(guò)平面反射鏡(12)、(10)后聚焦，從聚焦處后向散射的光被平面反射鏡(10)后方的卡塞格林式接收望遠(yuǎn)鏡(9)接收，接收到的后向散射光通過(guò)加在接收望遠(yuǎn)鏡(9)后的小孔(8)后入射到凸透鏡(7)上，在凸透鏡(7)后面加有一個(gè)干涉濾光片(6)，被過(guò)濾過(guò)的信號(hào)光經(jīng)過(guò)光束分割系統(tǒng)(5)后，入射到凸透鏡(4)上，然后被凸透鏡(4)會(huì)聚到像增強(qiáng)器(3)的焦平面上，被像增強(qiáng)器(3)放大的信號(hào)被CCD(2)采集，采集到的信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)(1)中進(jìn)行處理，所述的光束分割系統(tǒng)(5)是由六塊楔形透鏡拼合組成。
2. 基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法，其特征在于將一定能量的激光脈沖通過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡聚焦到待測(cè)區(qū)域，形成一個(gè)激光導(dǎo)星，激光導(dǎo)星的后向散射光被接收望遠(yuǎn)鏡接收后要經(jīng)過(guò)干涉濾光片濾出雜散光，然后光束被由六塊楔形透鏡拼合組成的光束分割系統(tǒng)分割成六部分，在像增強(qiáng)器的焦平面上形成6個(gè)光斑，這6個(gè)光斑被像增強(qiáng)器放大后通過(guò)中繼光路傳向CCD，最后被傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在處理過(guò)程中，首先分別計(jì)算出六個(gè)光斑的重心，然后利用澤尼克模式的波面復(fù)原算法算出澤尼克多項(xiàng)式前5項(xiàng)的系數(shù)，然后通過(guò)大氣相干長(zhǎng)度與澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)的關(guān)系計(jì)算出大氣相干長(zhǎng)度值，再進(jìn)一步計(jì)算出大氣湍流強(qiáng)度廓線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法，其特征在于探測(cè)步長(zhǎng)為探測(cè)步長(zhǎng)在1.5公里內(nèi)為150米，1.5公里到5公里之間為500米，5公里以上為1000米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求書2所述的基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量方法，其特征在于所述的楔形透鏡形狀為三角楔形體。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于澤尼克模式的激光大氣湍流強(qiáng)度廓線測(cè)量系統(tǒng)和方法，通過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將激光束聚焦到待測(cè)領(lǐng)域，然后利用接收望遠(yuǎn)鏡接收焦點(diǎn)處的后向散射光，在后繼光路中利用光束分割系統(tǒng)將光束分成6部分，分割后的信號(hào)被增強(qiáng)器放大并被CCD拍攝后傳入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)處理中采用基于澤尼克模式的波面復(fù)原算法，首先根據(jù)各個(gè)子孔徑內(nèi)光斑的重心計(jì)算出澤尼克多項(xiàng)式前5項(xiàng)系數(shù)，然后利用澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)與大氣相干長(zhǎng)度的關(guān)系計(jì)算出焦點(diǎn)與地面雷達(dá)之間的大氣相干長(zhǎng)度，進(jìn)而算出大氣湍流強(qiáng)度廓線?？梢栽谌魏螘r(shí)候測(cè)量任何高度的大氣相干長(zhǎng)度和大氣湍流強(qiáng)度廓線，這就擺脫了傳統(tǒng)測(cè)量方式在實(shí)時(shí)性、局域性以及測(cè)量精度的缺陷。
文檔編號(hào)G01S17/95GK101241190SQ200710021920
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月25日
發(fā)明者毅 吳, 白水成, 侯再紅, 張守川, 譚逢富, 季永華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所