[发明专利]一种接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置与方法

权利要求书

1.一种接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，包括对激光信标的后向散射光进行接收的平板反射镜(2)，平板反射镜(2)将接收的光束反射至离轴式接收望远镜(3)中，接收望远镜(3)接收的光由三角棱镜(4)反射进入后继光路(5)，后继光路(5)将光束分光后传输至光电探测器(6)中，光电探测器(6)将接收的光束成像并将光信号转换为电信号，电信号经数据采集与处理单元(7)采集、转换为数字信号，通过对空间不同距离处的激光信标成像后图像进行处理，反演计算大气湍流强度廓线。

2.如权利要求1所述的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，所述的平板反射镜(2)的俯仰角可根据光路调节，能够接收沿不同路径、在空中不同距离处聚焦形成瑞利激光信标的后向散射光。

3.如权利要求1所述的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，所述的离轴式接收望远镜(3)包括椭球凹面镜(31)、凸面镜(32)和反射镜(33)，椭球凹面镜(31)将由平板反射镜(2)反射的光束反射至凸面镜(32)，凸面镜(32)将光束反射至反射镜(33)，反射镜(33)将光束反射至三角棱镜(4)，三角棱镜(4)将光束反射至后继光路(5)中。

4.如权利要求1或3所述的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，所述的接收望远镜(3)为由两套或两套以上的对称的离轴式接收望远镜组成的接收望远镜系统；每套离轴式接收望远镜所接收的光束经后继光路(5)后，其所接收的激光信标均各自在光电探测器(6)上形成光斑图像。

5.如权利要求1所述的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，所述的后继光路(5)包括第一凸透镜组(51)、滤光片(52)、光楔(53)和第二凸透镜组(54)，进入后继光路(5)中的光束由第一凸透镜组(51)准直，通过滤光片(52)滤除光束杂散光，经光楔(53)将光束分成两束，最后由第二凸透镜组(54)将光束会聚到光电探测器(6)中。

6.如权利要求1所述的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，所述光电探测器(6)为像增强CCD相机或电子倍增CCD相机，采样帧速不小于50fps。

7.如权利要求1所述的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，其特征在于，所述的对空间不同距离处的激光信标成像后图像进行处理包括：

1)通过两套离轴式接收望远镜来接收h₁距离处激光信标的后向散射光，激光信标经后继光路后在光电探测器上形成双光斑图像，利用光电探测器采集所成的N帧图像，对每帧图像分别计算两个光斑的质心，设第i帧图像的两个光斑的质心距为b_i，接收望远镜系统的焦距为f₀，则距离h₁处激光信标光束的差分到达角起伏方差由下式计算给出：

σDIM2(h1)=Bi2‾-Bi‾2f02]]>

Bi2‾=(Σbi2)/N]]>  Bi2‾=(Σbi/N)2---(1)]]>

2)然后利用两套离轴式接收望远镜依次接收距离h₂，h₃，h₄，……，h_n处的激光信标后向散射光，按照步骤1)的方法计算给出激光信标距离为h₂，h₃，h₄，……，h_n处光斑图像的差分到达角起伏方差；

3)对于球面波，差分到达角起伏方差与大气湍流强度的关系如下式所示：

σDIM2(h)=33.2(0.358d0-1/3-0.242ds-1/3)∫0hCn2(h′)(1-h′/h)5/3dh′---(2)]]>

其中d₀为接收望远镜子瞳直径，d_s为接收望远镜两个子瞳中心的间距，C_n²(h)为距离h处的大气湍流强度；

利用C(h)表示C_n²(h)，并定义M(h)为：

M(h)=∫0hC(h′)(1-h′/h)5/3dh′---(3)]]>

其中M(h)与差分到达角起伏方差σ_DIM²的区别仅为一个常数因子κ，所以，利用所测量的各距离的差分到达角起伏方差即可计算给出M(h)；最后，通过M(h)反演C(h)即可得到大气湍流强度廓线；

由于利用M(h)直接反演C(h)会带来数值求解的不稳定，所得结果也不可信，所以，在此先对公式(3)进行变形，而后再进行求解；对公式(3)两边进行求导数，可以得到M(h)的导数S(h)与C(h)的关系为：

S(h)=∫0hC(h′)[53h′h2(1-h′h)2/3]dh′---(4)]]>

假设在每一个距离段C(h)可近似为常数，即

C(h)=C_j  h_j-1<h<h_j    (5)

(4)式中各参数均为连续变量，对(4)式进行离散化，给出距离h_i处M(h)斜率S(h)的离散表达式为：

Si=Σj=1iCj∫hj-1hj[53h′hi2(1-h′hi)2/3]dh′---(6)]]>

当j≤i时，上式中的积分为：

Uij=[38-(38+58h′hi)(1-h′hi)5/3]h′=hj-1h′=hj---(7)]]>

当j>i时，U_ij取值为零，(6)式表示为：

Si=Σj=1iUijCj=Σj=1nUijCj---(8)]]>

对公式(6)求其逆矩阵，可得：

Ci=1Uii(Si-Σj=1i-1UijCj)---(9)]]>

利用上式对C_i进行升序求解，即可得到大气湍流强度C_i的廓线值。