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一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，包括對(duì)激光信標(biāo)的后向散射光進(jìn)行接收的平板反射鏡，平板反射鏡將接收的光束反射至離軸式接收望遠(yuǎn)鏡中，接收望遠(yuǎn)鏡接收的光由三角棱鏡反射進(jìn)入后繼光路，后繼光路將光束分光后傳輸至光電探測器中，光電探測器將接收的光束成像并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)空間不同距離處的激光信標(biāo)圖像進(jìn)行處理后，計(jì)算大氣湍流強(qiáng)度廓線。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于測量時(shí)間不受限制，距離分辨率高，采用基于球面波的計(jì)算方法，并構(gòu)造斜率矩陣反演大氣湍流強(qiáng)度，得到的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。
【專利說明】一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光學(xué)測量儀器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光束在大氣中傳輸時(shí)，由大氣密度起伏所致的大氣折射率起伏會(huì)使得在其中傳輸?shù)墓馐a(chǎn)生光束漂移、光束擴(kuò)展、光強(qiáng)閃爍、相位起伏等效應(yīng)，破壞激光束的相干性，嚴(yán)重影響光束的傳播質(zhì)量。在大氣光學(xué)研究中，大氣瑞流強(qiáng)度Cn2是表征大氣瑞流特性的一個(gè)基本參數(shù)。測量獲得的大氣湍流強(qiáng)度廓線，能精細(xì)地描述大氣中湍流的細(xì)節(jié)，從而為激光大氣傳輸效應(yīng)研究提供基本參數(shù)。
[0003]目前，測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的方法有:溫度脈動(dòng)儀探空法，微波雷達(dá)，聲雷達(dá)和光學(xué)方法(SCIDAR、MASS)。溫度脈動(dòng)儀探空法采用探空氣球吊掛溫度脈動(dòng)儀進(jìn)行探空測量，這種方法具有很高的空間分辨率，但是由于氣球受風(fēng)的影響，測量路徑不受控制，另外，測量一條廓線的時(shí)間也較長。微波雷達(dá)通過測量雷達(dá)信號(hào)的后向散射功率計(jì)算大氣湍流強(qiáng)度，但需要提供路徑上的溫度和濕度，比較費(fèi)時(shí)，且濕度對(duì)測量的影響很難扣除，所以，精度也不高。聲雷達(dá)測量原理與微波雷達(dá)類似，但由于聲波是機(jī)械波，只能測量大氣邊界層，且由于聲功率的限制，使測量高度有限。SCIDAR方法通過檢測一定面積上光強(qiáng)或相位分布的相關(guān)性，得到大氣湍流強(qiáng)度廓線，但要求間隔一定距離的兩個(gè)光源作為信標(biāo)，對(duì)信標(biāo)的要求較為苛刻，且要求望遠(yuǎn)鏡口徑較大，一般在Im以上，給其應(yīng)用帶來了很大的限制。MASS是一種低分辨率的大氣湍流強(qiáng)度廓線測量裝置，只能給出6至7個(gè)高度的大氣湍流強(qiáng)度值，空間分辨率低。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型解決的問題在于提供一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，能夠?qū)崟r(shí)獲得大氣湍流強(qiáng)度廓線，而且具有測量路徑可控，距離分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，包括對(duì)激光信標(biāo)的后向散射光進(jìn)行接收的平板反射鏡，平板反射鏡將接收的光束反射至離軸式接收望遠(yuǎn)鏡中，接收望遠(yuǎn)鏡接收的光由三角棱鏡反射進(jìn)入后繼光路，后繼光路將光束分光后傳輸至光電探測器中，光電探測器將接收的光束成像并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)空間不同距離處的激光信標(biāo)圖像進(jìn)行處理后，計(jì)算大氣湍流強(qiáng)度廓線。
[0007]所述的平板反射鏡的俯仰角可根據(jù)光路調(diào)節(jié)，能夠接收沿不同路徑、在空中不同距離處聚焦形成瑞利激光信標(biāo)的后向散射光。
[0008]所述的接收望遠(yuǎn)鏡包括橢球凹面鏡、凸面鏡和反射鏡，橢球凹面鏡將由平板反射鏡反射的光束反射至凸面鏡，凸面鏡將光束反射至反射鏡，反射鏡將光束反射至三角棱鏡，三角棱鏡將光束反射至后繼光路中。
[0009]所述的接收望遠(yuǎn)鏡為由兩套或兩套以上的對(duì)稱的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡組成的接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；每套離軸式接收望遠(yuǎn)鏡所接收的光束經(jīng)后繼光路后，其所接收的激光信標(biāo)均各自在光電探測器上形成光斑圖像。
[0010]所述的后繼光路包括第一凸透鏡組、濾光片、光楔和第二凸透鏡組，進(jìn)入后繼光路中的光束由第一凸透鏡組準(zhǔn)直，通過濾光片濾除光束雜散光，經(jīng)光楔將光束分成兩束，最后由第二凸透鏡組將光束會(huì)聚到光電探測器中。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果:
[0012]本實(shí)用新型提供的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，對(duì)于空中形成的瑞利激光信標(biāo)，由兩套(或多套)離軸式接收望遠(yuǎn)鏡對(duì)一定距離處激光信標(biāo)的后向散射光進(jìn)行接收，通過后繼光路將接收到的光分束，在探測器上形成雙光斑(或多光斑)圖像。統(tǒng)計(jì)兩個(gè)光斑質(zhì)心間距的起伏計(jì)算出該距離的差分到達(dá)角起伏方差。再依次接收其他不同距離處的激光信標(biāo)后向散射光，對(duì)光電探測器所成雙光斑(或多光斑)圖像，統(tǒng)計(jì)兩個(gè)光斑質(zhì)心間距的起伏并計(jì)算這些距離處的差分到達(dá)角起伏方差，最后通過一定的反演算法計(jì)算出大氣湍流強(qiáng)度廓線。該接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置不僅能夠?qū)崟r(shí)獲得大氣湍流強(qiáng)度廓線，而且具有測量路徑可控，距離分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0013]本實(shí)用新型提供的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，使用兩個(gè)(或多個(gè))小型離軸式望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成差分接收系統(tǒng)。使整個(gè)裝置更加輕便靈巧，降低了成本。同時(shí)兩個(gè)小型離軸式望遠(yuǎn)鏡與發(fā)射望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成同軸系統(tǒng)，有利于光路的調(diào)節(jié)。
[0014]現(xiàn)有光束控制系統(tǒng)直接控制接收望遠(yuǎn)鏡的俯仰來控制接收光束的仰角，使得光束控制系統(tǒng)過于龐大。而本實(shí)用新型使用平板反射鏡控制光束的指向，簡化了控制系統(tǒng)。
[0015]本實(shí)用新型提供的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，采用基于球面波的計(jì)算方法，并構(gòu)造斜率矩陣反演大氣湍流強(qiáng)度廓線，得到的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為激光信標(biāo)的聚焦方式的示意圖；
[0018]其中:1為光學(xué)平臺(tái)；2為平板反射鏡；3為接收望遠(yuǎn)鏡，31為橢球凹面鏡，32為凸面鏡，33為反射鏡；4為三角棱鏡；5為后繼光路,51為第一凸透鏡組,52為濾光片,53為光楔，54為第二凸透鏡組；6為光電探測器、7為數(shù)據(jù)采集與處理單元。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本實(shí)用新型的解釋而不是限定。
[0020]參見圖1，一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，包括平板反射鏡2對(duì)激光信標(biāo)的后向散射光進(jìn)行接收并反射至離軸式接收望遠(yuǎn)鏡3中，接收望遠(yuǎn)鏡3接收的光由三角棱鏡4反射進(jìn)入后繼光路5,后繼光路5將光束分光后傳輸至光電探測器6中,光電探測器6將接收的光束成像并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元7采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)空間不同距離處的激光信標(biāo)圖像進(jìn)行處理后，計(jì)算大氣湍流強(qiáng)度廓線。
[0021]平板反射鏡2對(duì)在空間一定距離處形成的瑞利激光信標(biāo)后向散射光進(jìn)行接收并反射至接收望遠(yuǎn)鏡3中。所述的接收望遠(yuǎn)鏡3包括橢球凹面鏡31、凸面鏡32和反射鏡33，橢球凹面鏡31將由平板反射鏡2反射的光束反射至凸面鏡32，凸面鏡32將光束反射至反射鏡33，反射鏡33將光束反射至三角棱鏡4，三角棱鏡4將光束反射至后繼光路5中。后繼光路5包括第一凸透鏡組51、濾光片52、光楔53和第二凸透鏡組54,進(jìn)入后繼光路5中的光束由第一凸透鏡組51準(zhǔn)直，通過濾光片52濾除光束雜散光，經(jīng)光楔53將光束分成兩束，最后由第二凸透鏡組54將光束會(huì)聚到光電探測器6中，所述光電探測器6為像增強(qiáng)型CD相機(jī)或電子倍增CCD相機(jī)。
[0022]進(jìn)一步，所述的接收望遠(yuǎn)鏡3為由兩套或兩套以上的對(duì)稱的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡組成的接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；每套離軸式接收望遠(yuǎn)鏡所接收的光束經(jīng)后繼光路5后，其所接收的激光信標(biāo)均各自在光電探測器6上形成光斑圖像。
[0023]比如由兩套對(duì)稱的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡組成的接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3所接收的激光信標(biāo)在光電探測器6上形成雙光斑圖像。除了由兩套對(duì)稱的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡組成的接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之外，也可以是三套、四套或更多的對(duì)稱的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡組成的接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；此時(shí)，所接收的 激光信標(biāo)在光電探測器6上形成三光斑圖像、四光斑圖像更多的光斑圖像。
[0024]在進(jìn)行測量時(shí)，首先對(duì)第一個(gè)距離Ii1處的激光信標(biāo)后向散射光完成一定幀數(shù)的采樣后，同時(shí)根據(jù)采集所得的光斑圖像信號(hào)計(jì)算第一個(gè)距離的差分到達(dá)角起伏方差；然后依次對(duì)距離h2，h3，h4，……，hn等處的激光信標(biāo)后向散射光進(jìn)行采樣，同時(shí)根據(jù)采集所得的光斑圖像信號(hào)計(jì)算給出距離h2，h3，h4，……，hn等處的差分到達(dá)角起伏方差。對(duì)η個(gè)距離采樣完后得到η個(gè)差分到達(dá)角起伏方差數(shù)據(jù)，對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算即可得到大氣湍流強(qiáng)度廓線。
[0025]空中激光信標(biāo)形成的方式包括:(I)對(duì)激光器所發(fā)射激光束進(jìn)行擴(kuò)束聚焦，通過調(diào)節(jié)擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)的參數(shù)并調(diào)整激光束的傳輸方向，從而沿預(yù)定的方向、在預(yù)定的位置形成激光信標(biāo)；(2)在空中平臺(tái)(例如飛機(jī)、氣球等)上攜帶激光器(或其他發(fā)光源)，并使激光器(或其他發(fā)光源)在預(yù)定位置沿一定方向發(fā)射光束，此時(shí)空中平臺(tái)攜帶激光器(或其他發(fā)光源)所發(fā)射的光束即可看做是信標(biāo)；(3)在空中平臺(tái)(例如飛機(jī)、氣球等)上攜帶角反射器(或其他反射裝置)，并使角反射器(或其他反射裝置)沿一定的方向，然后利用激光器(或其他發(fā)光源)輻照角反射器(或其他反射裝置)，此時(shí)由角反射器(或其他反射裝置)反射的光束即可看做是信標(biāo)。
[0026]具體的，參見圖2下面給出一種具體的激光信標(biāo)的聚焦方式:
[0027]激光器12發(fā)射的激光束經(jīng)反射鏡13后進(jìn)入發(fā)射望遠(yuǎn)鏡14，激光束由發(fā)射望遠(yuǎn)鏡14擴(kuò)束后發(fā)射至平板反射鏡2，平板反射鏡2將光束反射至空中設(shè)定距離聚焦，形成激光信標(biāo)；
[0028]激光器采用固體Nd = YAG激光器，其輸出的中心波長為532nm，輸出單脈沖能量300mJ，重復(fù)頻率50Hz。激光器發(fā)射的激光束激光束由兩個(gè)光路平行的反射鏡13發(fā)射進(jìn)入發(fā)射望遠(yuǎn)鏡中。
[0029]發(fā)射望遠(yuǎn)鏡為施密特一卡賽格林式結(jié)構(gòu)，包括副鏡141和主鏡142，激光束由副鏡141擴(kuò)束并反射至主鏡142，再由主鏡142聚焦發(fā)射，主鏡142聚焦發(fā)射的激光束經(jīng)平板反射鏡2反射后，在空中預(yù)定距離聚焦。
[0030]通過調(diào)節(jié)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡中副鏡141和主鏡142之間的間距，主鏡142聚焦發(fā)射的激光束經(jīng)平板反射鏡2反射后，在空中不同距離處聚焦，形成瑞利激光信標(biāo)。這樣在測量時(shí)，可以根據(jù)采樣距離調(diào)節(jié)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主副鏡間距，使得在預(yù)定距離處聚焦形成瑞利激光信標(biāo)。
[0031]所述的平板反射鏡的俯仰角可根據(jù)光路調(diào)節(jié)，使主鏡聚焦發(fā)射的激光束經(jīng)平板反射鏡反射后沿設(shè)定的方向傳輸。
[0032]下面給出接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的測量方法，包括以下操作:
[0033]I)通過兩套離軸式接收望遠(yuǎn)鏡來接收Ii1距離處激光信標(biāo)的后向散射光，激光信標(biāo)經(jīng)后繼光路后在光電探測器上形成雙光斑圖像，利用光電探測器采集所成的N幀圖像，對(duì)每幀圖像分別計(jì)算兩個(gè)光斑的質(zhì)心，設(shè)第i幀圖像的兩個(gè)光斑的質(zhì)心距為bi;接收望遠(yuǎn)鏡系
統(tǒng)的焦距為&，則距離Ii1處激光信標(biāo)光束的差分到達(dá)角起伏方差由下式計(jì)算給出:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，其特征在于，包括對(duì)激光信標(biāo)的后向散射光進(jìn)行接收的平板反射鏡(2)，平板反射鏡(2)將接收的光束反射至離軸式接收望遠(yuǎn)鏡(3)中，接收望遠(yuǎn)鏡(3)接收的光由三角棱鏡(4)反射進(jìn)入后繼光路(5)，后繼光路(5)將光束分光后傳輸至光電探測器(6)中，光電探測器(6)將接收的光束成像并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理單元(7)采集、轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過對(duì)空間不同距離處的激光信標(biāo)成像后圖像進(jìn)行處理，反演計(jì)算大氣湍流強(qiáng)度廓線。
2.如權(quán)利要求1所述的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，其特征在于，所述的平板反射鏡(2)的俯仰角可根據(jù)光路調(diào)節(jié)，能夠接收沿不同路徑、在空中不同距離處聚焦形成瑞利激光信標(biāo)的后向散射光。
3.如權(quán)利要求1所述的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，其特征在于，所述的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡(3)包括橢球凹面鏡(31)、凸面鏡(32)和反射鏡(33)，橢球凹面鏡(31)將由平板反射鏡(2)反射的光束反射至凸面鏡(32)，凸面鏡(32)將光束反射至反射鏡(33)，反射鏡(33)將光束反射至三角棱鏡(4)，三角棱鏡(4)將光束反射至后繼光路(5)中。
4.如權(quán)利要求1或3所述的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，其特征在于，所述的接收望遠(yuǎn)鏡(3)為由兩套或兩套以上的對(duì)稱的離軸式接收望遠(yuǎn)鏡組成的接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；每套離軸式接收望遠(yuǎn)鏡所接收的光束經(jīng)后繼光路(5)后，其所接收的激光信標(biāo)均各自在光電探測器(6)上形成光斑圖像。
5.如權(quán)利要求1所述的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，其特征在于，所述的后繼光路(5)包括第一凸透鏡組(51)、濾光片(52)、光楔(53)和第二凸透鏡組(54),進(jìn)入后繼光路(5)中的光束由第一凸透鏡組(51)準(zhǔn)直，通過濾光片(52)濾除光束雜散光，經(jīng)光楔(53)將光束分成兩束，最后由第二凸透鏡組(54)將光束會(huì)聚到光電探測器(6)中。
6.如權(quán)利要求1所述的接收激光信標(biāo)測量大氣湍流強(qiáng)度廓線的裝置，其特征在于，所述光電探測器(6)為像增強(qiáng)CCD相機(jī)或電子倍增CCD相機(jī)，采樣幀速不小于50fps。
【文檔編號(hào)】G01S17/95GK203376478SQ201320475165
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月5日
【發(fā)明者】強(qiáng)希文, 宗飛, 封雙連, 趙軍衛(wèi), 吳敏, 常金勇, 徐云岫 申請(qǐng)人:中國人民解放軍63655部隊(duì)