優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法，本發(fā)明通過小口徑準(zhǔn)直發(fā)射激光束能夠同時(shí)兼顧不同高度激光束在焦平面成像的橫向尺寸大小，降低了不同高度激光束成像尺寸變化對大氣相干長度測量精度的影響；通過在以正方形布局的四個(gè)子孔徑前安裝楔角方向與系統(tǒng)平面垂直的兩組楔鏡，實(shí)現(xiàn)了差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)能夠根據(jù)DIM原理分別利用與子孔徑連線平行和垂直兩個(gè)方向的波前平均傾斜信息測量大氣相干長度，解決了現(xiàn)有差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)單一利用連線方向的波前平均傾斜信息測量大氣相干長度的問題；子孔徑兩兩間距在一般湍流條件下大于湍流的相干尺度，四個(gè)孔徑能夠同時(shí)得到兩組統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的大氣相干長度廓線，將兩組廓線進(jìn)行平均能夠提高廓線的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
【專利說明】優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械及光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]大氣相干長度的大小描述了傳播路徑上湍流強(qiáng)度積分效果的強(qiáng)弱，在天文選址和激光通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。差分像運(yùn)動(DM)原理利用兩個(gè)子孔徑探測光波經(jīng)過大氣后的波面平均傾斜，在平行和垂直于子孔徑中心連線的兩個(gè)方向?qū)Σ嫫骄鶅A斜進(jìn)行正交分解，統(tǒng)計(jì)每個(gè)方向上信標(biāo)成像的相對位置變化得到波面平均傾斜進(jìn)而得到大氣相干長度。DIM原理通過兩孔差分克服了儀器抖動對大氣相干長度測量的干擾，在大氣參數(shù)測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)DM原理研制的差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)以傾斜的焦平面在較大高度范圍內(nèi)對激光束成像測量大氣相干長度廓線，具有廓線測量實(shí)時(shí)性好的優(yōu)勢。但差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)僅能測量激光束在焦平面成像的間距變化；由于現(xiàn)有差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)采用兩個(gè)子孔徑設(shè)計(jì)，因此僅能夠根據(jù)成像間距得到子孔徑連線方向的波前平均傾斜，而無法探測與子孔徑連線垂直方向的波前平均傾斜。由于湍流的隨機(jī)性僅利用一維方向的波前平均傾斜得到大氣相干長度的方法存在改進(jìn)之處；能夠同時(shí)利用兩個(gè)正交方向上的波前平均傾斜得到大氣相干長度廓線的差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)尚未見報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]一種優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法，包括有激光器、擴(kuò)束鏡、凸透鏡和接收望遠(yuǎn)鏡，所述的激光器發(fā)射激光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡和凸透鏡后被接收望遠(yuǎn)鏡接收，在所述的接收望遠(yuǎn)鏡的主鏡前側(cè)設(shè)有遮攔，在遮攔上設(shè)有四個(gè)子孔徑，所述的四個(gè)子孔徑的中心為正方形的四個(gè)點(diǎn)，正方形的一條對角線與激光器發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡所在的系統(tǒng)豎直平面平行，另外一條對角線與所述的系統(tǒng)豎直平面垂直，在所述的四個(gè)子孔徑前側(cè)安裝兩種楔角大小的楔鏡，四個(gè)楔鏡的楔角方向均與系統(tǒng)豎直平面垂直，其中位于對角線兩端的一對楔鏡楔角夾角為180度，楔角方向相同的兩塊楔鏡其楔角大小不同；根據(jù)四個(gè)子孔徑連線方向與系統(tǒng)豎直平面的平行或垂直的夾角方式選擇統(tǒng)計(jì)光束成像間距的分組方式，激光束經(jīng)過與系統(tǒng)豎直平面平行的兩個(gè)子孔徑成像為一組，根據(jù)該組成像的間距來探測垂直于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜，光束經(jīng)過與系統(tǒng)豎直平面垂直的兩個(gè)子孔徑成像為一組，用來探測平行于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜；在兩個(gè)正交方向上探測不同高度激光束經(jīng)過大氣后的波前平均傾斜，能夠同時(shí)得到兩組大氣相干長度廓線，按照正方形布局的四個(gè)子孔徑兩兩中心間距在湍流強(qiáng)度下大于湍流的相干尺寸，同時(shí)獲取的兩組大氣相干長度廓線統(tǒng)計(jì)獨(dú)立；將統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的兩組廓線進(jìn)行平均，能夠降低湍流隨機(jī)性引起大氣相干長度廓線的隨機(jī)起伏，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明通過小口徑準(zhǔn)直發(fā)射激光束能夠同時(shí)兼顧不同高度激光束在焦平面成像的橫向尺寸大小，降低了不同高度激光束成像尺寸變化對大氣相干長度測量精度的影響；通過在以正方形布局的四個(gè)子孔徑前安裝楔角方向與系統(tǒng)平面垂直的兩組楔鏡，實(shí)現(xiàn)了差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)能夠根據(jù)DIM原理分別利用與子孔徑連線平行和垂直兩個(gè)方向的波前平均傾斜信息測量大氣相干長度，解決了現(xiàn)有差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)單一利用連線方向的波前平均傾斜信息測量大氣相干長度的問題；子孔徑兩兩間距在一般湍流條件下大于湍流的相干尺度，四個(gè)孔徑能夠同時(shí)得到兩組統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的大氣相干長度廓線；統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的兩組廓線進(jìn)行平均能夠降低廓線的隨機(jī)起伏，對進(jìn)一步提高相干長度廓線的數(shù)據(jù)質(zhì)量有重要意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]圖2為差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖3為差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)接收系統(tǒng)四孔徑遮攔及楔鏡安裝方式示意圖。
[0010]圖4為激光束在焦平面的四個(gè)成像示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0011]—種優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法,包括有激光器1、擴(kuò)束鏡2、凸透鏡3和接收望遠(yuǎn)鏡4，所述的激光器I發(fā)射激光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡2和凸透鏡3后被接收望遠(yuǎn)鏡4接收，在所述的接收望遠(yuǎn)鏡4的主鏡前側(cè)設(shè)有遮攔6，在遮攔6上設(shè)有四個(gè)子孔徑7，所述的四個(gè)子孔徑7的中心為正方形的四個(gè)點(diǎn)，正方形的一條對角線與激光器I發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡4所在的系統(tǒng)豎直平面平行，另外一條對角線與所述的系統(tǒng)豎直平面垂直，在所述的四個(gè)子孔7徑前側(cè)安裝兩種楔角大小的楔鏡，四個(gè)楔鏡的楔角方向均與系統(tǒng)豎直平面垂直，其中位于對角線兩端的一對楔鏡楔角夾角為180度，楔角方向相同的兩塊楔鏡其楔角大小不同；根據(jù)四個(gè)子孔徑7連線方向與系統(tǒng)豎直平面的平行或垂直的夾角方式選擇統(tǒng)計(jì)光束成像間距的分組方式，激光束經(jīng)過與系統(tǒng)豎直平面平行的兩個(gè)子孔徑7成像為一組，根據(jù)該組成像的間距來探測垂直于子孔徑7連線方向上的波前平均傾斜，光束經(jīng)過與系統(tǒng)豎直平面垂直的兩個(gè)子孔徑7成像為一組，用來探測平行于子孔徑7連線方向上的波前平均傾斜；在兩個(gè)正交方向上探測不同高度激光束經(jīng)過大氣后的波前平均傾斜，能夠同時(shí)得到兩組大氣相干長度廓線，按照正方形布局的四個(gè)子孔徑兩兩中心間距在湍流強(qiáng)度下大于湍流的相干尺寸，同時(shí)獲取的兩組大氣相干長度廓線統(tǒng)計(jì)獨(dú)立；將統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的兩組廓線進(jìn)行平均，能夠降低湍流隨機(jī)性引起大氣相干長度廓線的隨機(jī)起伏。
[0012]如圖1所示，激光器I產(chǎn)生的激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡2和凸透鏡3后準(zhǔn)直發(fā)射形成一段激光束。激光束在接收望遠(yuǎn)鏡4的傾斜焦平面5處連續(xù)成像，X坐標(biāo)正方向指的是激光發(fā)射和接收系統(tǒng)水平連線的方向，Z坐標(biāo)正方向指激光束的豎直向上出射方向，Y軸指與平面XOZ垂直的方向。所述的系統(tǒng)平面指平面Χ0Ζ，所述的四個(gè)子孔徑遮攔和四個(gè)楔鏡一起安裝在雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡4前。
[0013]如圖2所示，激光器I產(chǎn)生的激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡2后發(fā)散角變大，然后經(jīng)過凸透鏡3后準(zhǔn)直發(fā)射。凹透鏡2和凸透鏡3為共焦系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直發(fā)射激光。設(shè)計(jì)凸透鏡3的直徑為7厘米；小口徑發(fā)射能夠同時(shí)兼顧湍流和衍射引起不同高度光束直徑的變化，進(jìn)而降低不同高度激光束在焦平面成像的橫向尺寸變化。
[0014]如圖3所示，接收望遠(yuǎn)鏡4前安裝有開有四個(gè)圓孔A、B、C、D的遮攔E，四個(gè)圓孔按照正方形對稱分布組成了望遠(yuǎn)鏡的四個(gè)子孔徑。每一個(gè)子孔徑直徑均12厘米，正方形的對角線長度為23.5厘米，邊長為16.9厘米。以較大子孔徑間距設(shè)計(jì)四個(gè)子孔徑能夠確保在一般湍流強(qiáng)度下子孔徑兩兩中心間距大于湍流的相干尺度。子孔徑A、B的中心位于系統(tǒng)平面XOZ內(nèi)，子孔徑C，D的中心連線方向與Y軸平行。所述四個(gè)子孔徑前均安裝楔鏡，四個(gè)楔鏡的楔角方向與系統(tǒng)平面垂直，楔角安裝方向如附圖3箭頭指向所示。四個(gè)楔鏡的楔角按照大小分兩組:子孔徑A，B前的楔鏡楔角相同，C、D前的楔鏡楔角相同。但兩組楔鏡的楔角大小有差別:具體可設(shè)計(jì)A、B組楔鏡的楔角大于C、D組楔鏡的楔角，或者C、D組楔鏡的楔角大于A、B組楔鏡的楔角。兩組楔鏡的楔角差別設(shè)計(jì)可使同一束激光在焦面的四個(gè)成像有一定的間距，便于對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。
[0015]單束激光信標(biāo)在差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)焦面的成像示意圖如圖4所示。圖4中的豎直虛線表示無楔鏡時(shí)激光束的成像位置，該位置在系統(tǒng)平面XOZ內(nèi)。A，B，C，D四條豎線表示同一激光束經(jīng)過四個(gè)楔鏡后在焦平面的成像，每條豎線均與系統(tǒng)平面XOZ平行；豎線上的矩形框表示激光成像的不同小區(qū)域。從圖4所示的激光成像可看出，由于激光束在焦平面連續(xù)成像，因此只能通過統(tǒng)計(jì)光束成像不同小區(qū)域的間距變化信息來得到波前平均傾斜，而無法像大氣相干長度儀一樣能夠在兩維的方向上同時(shí)統(tǒng)計(jì)信標(biāo)成像的相對運(yùn)動。在圖3所示的子孔徑排列方式中如果C，D前楔鏡的楔角大于A，B前楔鏡的楔角，那么圖4中成像A, B對應(yīng)于圖3中的子孔徑A，B,統(tǒng)計(jì)成像A，B的間距信息能夠探測垂直于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜；成像C，D對應(yīng)于圖3中的子孔徑C，D，統(tǒng)計(jì)成像C，D的間距信息能夠探測平行于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜。在圖3所示的子孔徑排列方式中如果C，D前楔鏡的楔角小于A，B前楔鏡的楔角，那么圖4中成像A，B對應(yīng)于圖3中的子孔徑C，D，統(tǒng)計(jì)成像A，B的間距信息能夠探測平行于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜；成像C，D對應(yīng)于圖3中的子孔徑A，B，統(tǒng)計(jì)成像C，D的間距信息能夠探測垂直于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜。根據(jù)平行或垂直于子孔徑連線方向上的平均傾斜計(jì)算大氣相干長度的公式稍有差另IJ，具體為:
[0016]子孔徑連線方向:<=2λν0-5°[0.179^-0.0968^3]
[0017]垂直子孔徑連線方向:σα2=2λ-ν3[0.Π9ΙΤ13-0.145扣3]
[0018]其中σα2為光束間距起伏角方差，對應(yīng)于圖3中子孔徑Α，Β時(shí)描述了垂直于連線方向上的波前平均傾斜大小，對應(yīng)子孔徑C，D時(shí)描述了平行于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜大小。^是大氣相干長度為最終的測量參數(shù)。
[0019]通過統(tǒng)計(jì)激光束成像不同位置處對應(yīng)小區(qū)域的間距變化能夠得到大氣相干長度廓線。湍流的隨機(jī)性導(dǎo)致大氣相干長度廓線表現(xiàn)出一定的隨機(jī)起伏；所述的差分光柱像運(yùn)動雷達(dá)能夠同時(shí)測量兩組大氣相干長度廓線，與現(xiàn)有的雷達(dá)相比相同時(shí)間內(nèi)測量的相干長度廓線樣本數(shù)提高了一倍。對不同時(shí)間測量的大氣相干長度廓線進(jìn)行平均能夠降低廓線的隨機(jī)起伏；該優(yōu)化方法增加了相同時(shí)間測量廓線的樣本數(shù)，對提高廓線的數(shù)據(jù)質(zhì)量有促進(jìn)作用。
【權(quán)利要求】
1.一種優(yōu)化差分光柱像運(yùn)動激光雷達(dá)的方法，其特征在于:包括有激光器、擴(kuò)束鏡、凸透鏡和接收望遠(yuǎn)鏡，所述的激光器發(fā)射激光依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡和凸透鏡后被接收望遠(yuǎn)鏡接收，在所述的接收望遠(yuǎn)鏡的主鏡前側(cè)設(shè)有遮攔，在遮攔上設(shè)有四個(gè)子孔徑，所述的四個(gè)子孔徑的中心為正方形的四個(gè)點(diǎn)，正方形的一條對角線與激光器發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡所在的系統(tǒng)豎直平面平行，另外一條對角線與所述的系統(tǒng)豎直平面垂直，在所述的四個(gè)子孔徑前側(cè)安裝兩種楔角大小的楔鏡，四個(gè)楔鏡的楔角方向均與系統(tǒng)豎直平面垂直，其中位于對角線兩端的一對楔鏡楔角夾角為180度，楔角方向相同的兩塊楔鏡其楔角大小不同；根據(jù)四個(gè)子孔徑連線方向與系統(tǒng)豎直平面的平行或垂直的夾角方式選擇統(tǒng)計(jì)光束成像間距的分組方式，激光束經(jīng)過與系統(tǒng)豎直平面平行的兩個(gè)子孔徑成像為一組，根據(jù)該組成像的間距來探測垂直于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜，光束經(jīng)過與系統(tǒng)豎直平面垂直的兩個(gè)子孔徑成像為一組，用來探測平行于子孔徑連線方向上的波前平均傾斜；在兩個(gè)正交方向上探測不同高度激光束經(jīng)過大氣后的波前平均傾斜，能夠同時(shí)得到兩組大氣相干長度廓線，按照正方形布局的四個(gè)子孔徑兩兩中心間距在湍流強(qiáng)度下大于湍流的相干尺寸，同時(shí)獲取的兩組大氣相干長度廓線統(tǒng)計(jì)獨(dú)立；將統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的兩組廓線進(jìn)行平均以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。
【文檔編號】G01S17/89GK104199047SQ201410395201
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】靖旭, 王英儉, 侯再紅, 張巳龍, 于龍昆, 張守川, 何楓, 吳毅 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院