测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法

摘要

本发明公开了一种测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法，包括相对向设置的二个反射式望远镜及镜筒上分别设置的激光器，入射光经过镜筒内的抛物面主镜反射后到达平面副镜反射经过镜筒上的开口、衰减片和窄带干涉滤光片，会聚到光电探测器上。进行传输实验时，两套装置分别放置在传输路径的两端，路径一端的发射系统发出调制的激光信号，经过湍流大气传输后，由路径另一端的望远镜收集光信号，并由放置在焦点附近的光电倍增管进行光电转换，随后电信号进入嵌入式控制系统进行解调、采样、处理、存储和显示。具有很高的精度，提高了测量结果的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及大气光学、遥感领域，具体是一种测量传输路径上大气折射率结构常数即大气湍流平均强度的方法和仪器。

背景技术

大气折射率结构常数C_n²是光学湍流强度的定量描述，是反映大气湍流光学特性的最重要的参数之一，了解C_n²的变化规律并对其进行准确测量对于研究声、光和电磁波的传输问题、评估光电系统性能、验证湍流模型等方面具有非常重要的意义。利用湍流大气中光强起伏效应测量路径平均的C_n²是一种直接有效的方法，已知在弱起伏条件下，当传播路径均匀时，光强起伏的归一化方差与C_n²之间存在确定的比例关系。然而在强湍流条件下，由于闪烁饱和现象的出现，闪烁方差与C_n²之间的比例关系式不成立，闪烁法测量C_n²失效。因此，解决饱和问题是在更大范围内用闪烁法测量C_n²的关键。

二十世纪七十年代，有研究者通过启发式强闪烁模型的分析，提出了一种能克服饱和效应的测量C_n²的大口径闪烁仪。其基本思想是：对于一定面积的非相干光源在一定面积的接收孔径内的闪烁，当发射口径和接收口径满足一定条件时，可以避免饱和效应。基于这一设想的观测仪器后来由美国NOAA波传播实验室研制成功。此后的十几年时间里，利用可见光、红外光和微波辐射的各种光闪烁仪纷纷出现，这些仪器不仅可以利用光强起伏测量路径上的湍流强度，如果配备两套发射或是接收装置，还可以获得湍流内尺度或是横向风速的信息；同时由于闪烁仪的测量尺度与卫星遥感的像元尺度匹配较好，伴随着20世纪90年代中期以来卫星遥感技术的迅速发展，被广泛应用于外场陆面的通量实验研究中，成为卫星遥感反演结果的最佳验证手段，具有广泛的应用前景。

然而在实际应用中，产生能够传播很远距离的均匀的非相干面光源并不简单，通常的做法是用近红外发光二极管放置在球面反射镜的焦点处，将反射镜近似为点光源的集合，这种做法存在着人眼不可见、调节困难等缺点，同时也限制了仪器最小可测的路径长度。如果采用可见激光波段，则可以有效克服以上缺点，同时配合大孔径接收，并使接收口径满足一定条件，那么依据激光大气闪烁的孔径平均效应，依然可以在一定程度上抑制饱和效应。依据这一原理研制出大口径激光闪烁仪，可以在更大范围内用闪烁法测量C_n²，如果配备了气象参数测量设备，就可以对地表通量进行监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法，这种大口径激光闪烁仪基于激光在湍流大气中传输时光强起伏的光闪烁效应，测量路径等效平均的湍流强度。

本发明专利的技术方案如下：

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其特征在于包括相对向设置的二个反射式望远镜及镜筒上分别设置的激光器，激光器分别和调制信号发生器连接，反射式望远镜镜筒后端安装有抛物面主镜，镜筒中央有倾斜安装的平面副镜，位于抛物面主镜前端，入射光经过抛物面主镜反射后到达平面副镜反射经过镜筒上的开口、衰减片和窄带干涉滤光片，会聚到光电探测器上，光电探测器输出信号接入到数据处理设备。

所述的衰减片、窄带干涉滤光片、光电探测器固定在同一个筒体上，该筒体安装在镜筒一的开口上。

所述的平面副镜和镜筒轴线成45°。

所述的激光器的中心波长为645nm，相应的窄带干涉滤光片的中心波长为645nm。

所述的光电探测器为光电倍增管。

测量大气折射率结构常数的方法，其特征在于包括相对向设置在传输路径的两端的二个反射式望远镜及镜筒上分别设置的中心波长为645nm激光器，激光器由TTL调制信号进行驱动，输出方波信号，当振荡电路输出高电平时，激光器点亮，低电平时，激光器关闭；反射式望远镜镜筒后端安装有抛物面主镜，镜筒中央有倾斜安装的平面副镜，位于抛物面主镜前端，入射光经过抛物面主镜反射后到达平面副镜反射经过镜筒上的开口，衰减片和中心波长为645nm的窄带干涉滤光片，会聚到光电探测器上；传输路径一端的激光器发出的调经过调制的激光信号经过湍流大气传输后，由传输路径另一端的反射式望远镜收集光信号，经过反射式望远镜镜筒内的抛物面主镜、平面副镜反射后，由光电探测器接收，并进行光电转换，转换后的电信号U与入射光信号I成正比，U的归一化方差β_U²与I的归一化方差β_I²(也即闪烁指数)存在如下关系：

${\mathrm{\β}}_I^2=\frac{\<I^2>-{\<I>}^2}{{\<I>}^2}=\frac{\<U^2>-{\<U>}^2}{{\<U>}^2}={\mathrm{\β}}_U^2---\left(1\right)$

式中<>表示统计平均，探测U随时间的变化，利用上式即可获得闪烁指数β_I²；此外根据光传输理论，一定接收孔径内光强起伏的闪烁指数是大气折射率结构常数C_n²、光波数k(k＝2π/λ，λ为激光波长)、传输距离L、接收孔径的直径D、孔径遮拦比ε的函数：

${\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)=0.132\&times;{\left(2\mathrm{\&pi;k}\right)}^2{\&Integral;}_0^L{C}_n^2\left(z\right)\mathrm{dz}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\&kappa;}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right){\mathrm{\&kappa;}}^{-8/3}---\left(6\right)$

$\&times;{\left[\frac{2}{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}\right]}^2{[\frac{J_1(\mathrm{z\&kappa;D}/2L)}{\mathrm{z\&kappa;D}/2L}-{\mathrm{\&epsiv;}}^2\frac{J_1(\mathrm{\&epsiv;z\&kappa;D}/2L)}{\mathrm{\&epsiv;z\&kappa;D}/2L}]}^2\mathrm{d\&kappa;}$

如果已知β_I²、k、L、D和ε，就可以根据(6)反推出表征湍流强度的C_n²。通过数据拟合的方法对(6)式进行近似，获得简化的定标公式：

$A_{\mathrm{annular}\_\mathrm{fit}}=[1+0.214\&times;{\left(\frac{{\mathrm{kD}}^2}{4L}\right)}^{7/6}{]}^{-1}\&times;[0.44\&times;\exp (-\frac{L}{1079.23})+0.5]---\left(11\right)$

$C_n^2=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)}{A_{\mathrm{annular}\_\mathrm{fit}}\&times;{0.496k}^{7/6}{L}^{11/6}}---\left(12\right)$

综上所述，利用本发明提出的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪可以获得随时间变化的正比于入射光强的电信号，利用(1)式统计出光强起伏的闪烁指数，带入定标公式(11)和(12)，配合激光波长、传输距离、接收孔径的直径和孔径遮拦比等参数，就可以计算出路径平均的大气折射率结构常数。

放置衰减片和窄带干涉滤光片，可以避免入射光通量过大使光电探测器饱和，同时提高了信噪比。

(1)、基于激光大气闪烁的孔径平均效应，采用激光点光源发射、大口径望远镜接收的结构，在抑制闪烁饱和效应、扩大测量范围的同时，简化了系统与结构设计。基于该原理的激光闪烁仪尚未见公开报道。

(2)、采用了调制解调技术，在激光器发射系统采用两个计时器组成多谐振荡电路，驱动激光器发出频率、占空比可调的激光束，在反射式望远镜接收系统采用隔直流电路、绝对值检波电路进行解调，调制解调技术的运用基本扣除了背景噪声的影响，使仪器的信噪比显著提高，性能更加稳定。

(3)、采用嵌入式控制系统，完成对数据的采集、计算、存储和实时显示，数据通过USB端口传递到计算机硬盘，触摸式显示屏可以显示实时信号或信号统计值，既为光路校准提供了直观的定量标准，也便于对实验数据实时监控，判断信号状况。

(4)、采用对称式设计，由两套完全相同的装置组成，每套装置都包含激光器、接收望远镜及相关的控制系统，激光器集成在接收望远镜的顶端，外场实验时，两套设备分别放置在传输路径的两端，一端的接收望远镜探测另一端的发射光，这样的结构设计可以利用两套系统的测量结果判断路径的均匀性，提供更多的实验信息，该项功能尚未见公开报道。

(5)、定标方法以孔径平均因子的定义式为理论基础，考虑了望远镜遮拦比的影响，具有很高的精度，提高了测量结果的准确性，该定标方法尚未见公开报道。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明电信号处理电路的结构框图。

图3是本发明大气折射率结构常数随时间的变化。

具体实施方式

请参见附图1。

测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，采用对称式结构设计，包括相对向设置的二个口径为127mm、焦距为430.5mm的牛顿反射式望远镜1，及反射式望远镜1镜筒上分别设置的中心波长为645nm、输出功率15mW的半导体激光器2，具有体积小、重量轻、便于集成的优点；激光器2分别和调制信号发生器连接，为提高系统信噪比，激光器2由TTL调制信号进行驱动，两个定时器组成频率和占空比可调的多谐振荡电路，调节电路参数，输出频率为10kHz、占空比为50％的方波信号，当振荡电路输出高电平时，激光器2点亮，低电平时，激光器2关闭。激光器2固定在二维光学调整架3上，可以在水平和垂直方向调节出射光束的位置。反射式望远镜1的架台采用单叉式地平经纬仪，能够以九段速度在水平和垂直方向移动，非常便于光路调节；

反射式望远镜1镜筒后端安装有抛物面主镜4，镜筒中央有45°倾斜安装的平面副镜5，位于抛物面主镜4前端，入射光经过抛物面主镜4反射后到达平面副镜5反射经过镜筒上的开口6、衰减片7和中心波长为645nm、带宽为6nm的窄带干涉滤光片8，会聚到光电倍增管9上。光电倍增管9位置在距焦点前方和后方各25mm的范围内变化，将光电倍增管9调节至焦点后侧15～20mm的位置处，使入射光斑直径约为5～7mm。放置衰减片7和窄带干涉滤光片8，可以避免入射光通量过大使光电倍增管9饱和，同时提高了信噪比。

所述的衰减片7、窄带干涉滤光片8、光电探测器9固定在同一个筒体上，该筒体安装在镜筒一的开口6上。

进行实验时，二个牛顿反射式望远镜1分别放置在传输路径的两端，路径一端的激光器发出调制激光，经过大气进行传输，由路径另一端的反射式望远镜收集激光信号。

入射光由反射式望远镜1的抛面主镜4收集并通过平面副镜5会聚到焦点，以光电倍增管9接收，将光信号转换成电流信号并初步放大，之后进入嵌入式控制系统进行放大、解调、采集、存储和显示，如图2所示。电流信号进入放大器进行电流电压转换并再次放大之前，首先通过隔直流电路过滤直流信号，这样放大器仅对信号进行放大，对背景噪声基本不响应，避免了放大器饱和，提高了信噪比。由于调制采用的是方波，考虑到方波本身的特点，只需使用全波整流电路即可提取包迹，实现检波，因此采用只需一对匹配电阻的精密绝对值整流电路进行解调。解调后的信号由控制系统的采集单元进行采集，经过数据处理后，保存在存储单元中，可以通过USB端口向计算机回传数据，同时由触摸式显示屏以三种方式显示信号：“实时显示”模式，便于光路的对准以及对信号实时监测；“数据存储”模式，将数据存入文件，同时全屏显示当前文件数据；“均态显示”模式依次统计并显示每个数据文件的均方值。可以在三种显示模式中任意切换而不会影响数据的处理和计算。另外为减轻控制系统的处理和存储负荷，预留了信号输出端口，解调后的信号通过该端口可以直接与采集卡等设备连接，并由计算机软件控制进行采集和处理，增加了数据处理的灵活性。

测量原理及方法：

根据本发明提出的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，可以获得随时间变化的正比于入射光强I的电信号U，它的归一化方差β_U²与I的归一化方差β_I²(也即闪烁指数)存在如下关系：

${\mathrm{\&beta;}}_I^2=\frac{\&lt;I^2>-{\&lt;I>}^2}{{\&lt;I>}^2}=\frac{\&lt;U^2>-{\&lt;U>}^2}{{\&lt;U>}^2}={\mathrm{\&beta;}}_U^2---\left(1\right)$

利用(1)式统计出β_U²就等于获得了光强起伏的闪烁指数。

根据光传输理论，波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播，在传播距离L处，直径为D的孔径上接收的对数光强起伏方差为

${\mathrm{\&sigma;}}_{\ln I}^2\left(D\right)=4\&times;{\left(2\mathrm{\&pi;k}\right)}^2{\&Integral;}_0^L\mathrm{dz}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{\sin }^2\left[\frac{\mathrm{\&gamma;}(L-z)}{2k}{\mathrm{\&kappa;}}^2\right]{\mathrm{\&Phi;}}_n\left(\mathrm{\&kappa;}\right)\mathrm{\&kappa;F}\left(\mathrm{\&gamma;\&kappa;}\right)\mathrm{d\&kappa;}---\left(2\right)$

式中：k为光波数且k＝2π/λ；κ是空间波数；γ＝z/L是球面波的传播因子；Φ_n(κ)表示折射率起伏的空间谱密度，可表示为下列形式：

${\mathrm{\&Phi;}}_n\left(\mathrm{\&kappa;}\right)=0.033C_n^2\left(z\right){\mathrm{\&kappa;}}^{-11/3}f\left({\mathrm{\&kappa;l}}_0\right)---\left(3\right)$

其中C_n²(z)即为所求的大气折射率结构常数，f(kl₀)是描述内尺度效应的因子，对于均匀各向同性湍流，f(κl₀)＝1；F(κ)是孔径滤波函数，由于本发明采用牛顿反射式望远镜作为接收装置，其平面副镜与抛面主镜的比值，即孔径遮拦比ε＝0.37，因此属于圆环接收孔径，相应的孔径滤波函数为：

$F\left(\mathrm{\&kappa;}\right)={\left[\frac{2}{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}\right]}^2{[\frac{J_1(\mathrm{\&kappa;D}/2)}{\mathrm{\&kappa;D}/2}-{\mathrm{\&epsiv;}}^2\frac{J_1(\mathrm{\&epsiv;\&kappa;D}/2)}{\mathrm{\&epsiv;\&kappa;D}/2}]}^2---\left(4\right)$

在弱起伏条件下，闪烁指数与对数光强起伏方差的关系为：

${\mathrm{\&beta;}}_I^2={\mathrm{\&sigma;}}_{\ln I}^2---\left(5\right)$

对于本发明提出的大口径激光闪烁仪，如果仅考虑最简单的均匀各向同性湍流，其接收孔径内的闪烁指数的表达式为：

${\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)=0.132\&times;{\left(2\mathrm{\&pi;k}\right)}^2{\&Integral;}_0^L{C}_n^2\left(z\right)\mathrm{dz}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\&kappa;}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right){\mathrm{\&kappa;}}^{-8/3}---\left(6\right)$

$\&times;{\left[\frac{2}{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}\right]}^2{[\frac{J_1(\mathrm{z\&kappa;D}/2L)}{\mathrm{z\&kappa;D}/2L}-{\mathrm{\&epsiv;}}^2\frac{J_1(\mathrm{\&epsiv;z\&kappa;D}/2L)}{\mathrm{\&epsiv;z\&kappa;D}/2L}]}^2\mathrm{d\&kappa;}$

如果已知β_I²(D)，根据(6)式，只需带入激光波长、接收口径、孔径遮拦比和路径长度，就可以反推出出路径平均的大气折射率结构常数。然而(6)式形式复杂，不能满足工程应用的需要，根据孔径平均因子的定义对本发明提出的大口径激光闪烁仪进行定标，获得(6)式的近似式，同时考虑到对于本发明提出的大口径激光闪烁仪而言，激光波长、接收口径和孔径遮拦比都是固定的，只有路径长度因实验条件而异，所以对本发明提出的大口径激光闪烁仪进行定标，主要是标定出接收孔径内的闪烁指数随路径长度的函数关系。

根据孔径平均因子的定义：一定面积的接收孔径内的闪烁指数与无限小的接收孔径内的闪烁指数的比值：

$A=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)}{{\mathrm{\&beta;}}_I^2(D=0)}---\left(7\right)$

分母表示激光点源发射、点接收系统的闪烁指数，其表达式为：

${\mathrm{\&beta;}}_I^2(D=0)=0.496C_n^2{k}^{7/6}{L}^{11/6}---\left(8\right)$

综合(6)、(7)和(8)式，对于本发明提出的大口径激光闪烁仪，其接收孔径的孔径平均因子为：

$A_{\mathrm{annular}}=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)}{0.496C_n^2{k}^{7/6}{L}^{11/6}}---\left(9\right)$

已知适用于球面波、大口径、小内尺度条件下的圆形孔径平均因子的近似式：

$A_{\mathrm{circle}\_\mathrm{approx}}={[1+0.214{\left(\frac{{\mathrm{kD}}^2}{4L}\right)}^{7/6}]}^{-1}---\left(10\right)$

以(9)式和(10)式的比值表示圆环孔径平均因子精确式与圆形孔径平均因子近似式的差异，带入系统参数λ＝645nm、D＝127mm、ε＝0.37，分析比值随路径长度的变化趋势，并关于路径长度进行拟合，分析表明，如果采用一阶指数衰减拟合，拟合精度足以满足工程测量的需要，拟合结果为：

$A_{\mathrm{annular}\_\mathrm{fit}}={[1+0.214\&times;{\left(\frac{{\mathrm{kD}}^2}{4L}\right)}^{7/6}]}^{-1}\&times;[0.44\&times;\exp (-\frac{L}{1079.23})+0.5]---\left(11\right)$

最终，利用本发明提出的大口径激光闪烁仪测量路径平均的大气折射率结构常数的定标公式为：

$C_n^2=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)}{A_{\mathrm{annular}\_\mathrm{fit}}\&times;{0.496k}^{7/6}{L}^{11/6}}---\left(12\right)$

综上所述，利用本发明提出的大口径激光闪烁仪测量的正比于入射光强的电信号，根据(1)式计算出光强起伏的闪烁指数，配合激光波长、路径长度、接收孔径的直径和孔径遮拦比，利用(11)式和(12)式，就可以计算出表征湍流强度的路径平均的大气折射率结构常数C_n²。此外，根据大气折射率结构常数C_n²与大气温度结构常数C_T²之间的关系：

$C_n^2{=(\frac{79P}{T^2}\&times;{10}^{-6})}^2{C}_T^2---\left(13\right)$

在已知大气压P和温度T的情况下利用上式可以得到C_T²。

典型实验结果：

2007年5月21日20:40至22日20:40，天气晴朗，时有大风，温度26～33℃，测量光强起伏信号，得到大气折射率结构常数随时间的变化趋势如图3。