[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

说明书

技术领域

本发明属于光学测量仪器技术领域，涉及一种接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置与方法。

背景技术

激光束在大气中传输时，由大气密度起伏所致的大气折射率起伏会使得在其中传输的光束产生光束漂移、光束扩展、光强闪烁、相位起伏等效应，破坏激光束的相干性，严重影响光束的传播质量。在大气光学研究中，大气湍流强度C_n²是表征大气湍流特性的一个基本参数。测量获得的大气湍流强度廓线，能精细地描述大气中湍流的细节，从而为激光大气传输效应研究提供基本参数。

目前，测量大气湍流强度廓线的方法有：温度脉动仪探空法，微波雷达，声雷达和光学方法(SCIDAR、MASS)。温度脉动仪探空法采用探空气球吊挂温度脉动仪进行探空测量，这种方法具有很高的空间分辨率，但是由于气球受风的影响，测量路径不受控制，另外，测量一条廓线的时间也较长。微波雷达通过测量雷达信号的后向散射功率计算大气湍流强度，但需要提供路径上的温度和湿度，比较费时，且湿度对测量的影响很难扣除，所以，精度也不高。声雷达测量原理与微波雷达类似，但由于声波是机械波，只能测量大气边界层，且由于声功率的限制，使测量高度有限。SCIDAR方法通过检测一定面积上光强或相位分布的相关性，得到大气湍流强度廓线，但要求间隔一定距离的两个光源作为信标，对信标的要求较为苛刻，且要求望远镜口径较大，一般在1m以上，给其应用带来了很大的限制。MASS是一种低分辨率的大气湍流强度廓线测量装置，只能给出6至7个高度的大气湍流强度值，空间分辨率低。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置与方法，能够实时获得大气湍流强度廓线，而且具有测量路径可控，距离分辨率高的优点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，包括对激光信标的后向散射光进行接收的平板反射镜，平板反射镜将接收的光束反射至离轴式接收望远镜中，接收望远镜接收的光由三角棱镜反射进入后继光路，后继光路将光束分光后传输至光电探测器中，光电探测器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采集、转换为数字信号，通过对空间不同距离处的激光信标图像进行处理后，计算大气湍流强度廓线。

所述的平板反射镜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。

所述的接收望远镜包括椭球凹面镜、凸面镜和反射镜，椭球凹面镜将由平板反射镜反射的光束反射至凸面镜，凸面镜将光束反射至反射镜，反射镜将光束反射至三角棱镜，三角棱镜将光束反射至后继光路中。

所述的接收望远镜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后，其所接收的激光信标均各自在光电探测器上形成光斑图像。

所述的后继光路包括第一凸透镜组、滤光片、光楔和第二凸透镜组，进入后继光路中的光束由第一凸透镜组准直，通过滤光片滤除光束杂散光，经光楔将光束分成两束，最后由第二凸透镜组将光束会聚到光电探测器中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，对于空中形成的瑞利激光信标，由两套(或多套)离轴式接收望远镜对一定距离处激光信标的后向散射光进行接收，通过后继光路将接收到的光分束，在探测器上形成双光斑(或多光斑)图像。统计两个光斑质心间距的起伏计算出该距离的差分到达角起伏方差。再依次接收其他不同距离处的激光信标后向散射光，对光电探测器所成双光斑(或多光斑)图像，统计两个光斑质心间距的起伏并计算这些距离处的差分到达角起伏方差，最后通过一定的反演算法计算出大气湍流强度廓线。该接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置不仅能够实时获得大气湍流强度廓线，而且具有测量路径可控，距离分辨率高的优点。

本发明提供的接收激光信标测量大气湍流强度廓线的装置，使用两个(或多个)小型离轴式望远镜构成差分接收系统。使整个装置更加轻便灵巧，降低了成本。同时两个小型离轴式望远镜与发射望远镜构成同轴系统，有利于光路的调节。

现有光束控制系统直接控制接收望远镜的俯仰来控制接收光束的仰角，使得光束控制系统过于庞大。而本发明使用平板反射镜控制光束的指向，简化了控制系统。