[发明专利]测量大气相干长度的分波面正交偏振干涉系统及其方法

说明书

本发明公开了一种测量大气相干长度的分波面正交偏振干涉系统，包括激光发射单元、目标反射靶面、前置双路光学接收系统、正交偏振四路干涉系统以及信号采集与数据处理系统；通过前置双路光学接收系统用于实现光束采集和准直；通过正交偏振干涉系统对两光束偏振态的调控，输出四路不同偏振态的干涉信号；信号采集与解算系统将同步记录四路干涉信号，解算相位差并统计相位结构函数，最终获得传输路径上的大气相干长度。还公开了一种测量大气相干长度的分波面正交偏振干涉方法。本发明通过选取接收回波光场中两个对称分布的子光束，结合偏振元件和干涉系统将相位差波动转化为干涉图样强度的变化，从而实现传输路径上湍流强度信号的测量。

技术领域

本发明涉及大气光学探测技术领域，特别是涉及一种测量大气相干长度的分波面正交偏振干涉系统及其方法。

背景技术

光波在随机湍流介质中传输时，受到大气折射率波动的影响，产生相位起伏和光强闪烁等现象，从而限制了自由空间光通信、高分辨率光学成像等系统在大气中的应用，测量光传播路径上的大气相干长度对评估先进光电系统的工作效率具有重要意义。

从Fried于1965年提出大气相干长度r₀的概念后，r₀的测量技术不断发展完善，其中差分像运动法(DIMM)由于抗振动干扰的特点，逐步成为现阶段使用最为广泛的r₀测量方法，其原理是利用同一波阵面上不同点的到达角起伏来获得r₀。但是由于差分像运动法属于直接探测，存在探测精度有限、不适用于弱光条件的特点，而相干探测可以极大的提升探测效率和探测精度，且具有较好的弱光探测性能。

由于大气湍流是随机过程，衡量其强度的物理量为光波的二阶统计量即结构函数，而光波的结构函数是振幅结构函数和相位结构函数之和，在旁轴近似下，振幅结构函数约为零，相位结构函数约等于波前结构函数，所以可以通过对光束的相位起伏进行测量并统计其结构函数，进而根据相位结构函数与大气相干长度r₀的关系反推出r₀，在VonKarman谱条件下，二者之间的关系如下：

式中Δr表示两点间的距离，z_r表示光束的传输距离，κ₀＝2π/L₀，L₀为湍流外尺度，Γ(·)为gamma函数，K_5/6为第三类修正贝塞尔函数。

由于相干探测属于全息探测方式具有较高的探测灵敏度和精度，所以基于相干探测的湍流强度测量方案值得进行深入研究，但是目前尚未有对激光波前进行相干探测获得相位结构函数并进一步计算r₀的方法。另外，传统的激光干涉仪只能提供一种偏振态的干涉信号，而解算光波相位差时往往需要采取四步相移法，而光学镜片的移动必然会降低测量的稳定性产生测量误差。

因此亟需提供一种新型的分波面正交偏振干涉仪来解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量大气相干长度的分波面正交偏振干涉系统及其方法，结合偏振元件搭建干涉光路，能同步获取包含两个子光束波前相位差的正弦项信息和余弦项信息，通过对获取的实时相位差序列进行相位解包裹，统计相位结构函数，进而获取传输路径上大气相干长度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种测量大气相干长度的分波面正交偏振干涉系统，包括激光发射单元、目标反射靶面、前置双路光学接收系统、正交偏振四路干涉系统以及信号采集与数据处理系统；

所述激光发射单元包括激光器和扩束系统，用来发射指定半径、波段的激光光束；

所述目标反射靶面用于反射激光光束；

所述前置双路光学接收系统用于收集信号光并选取两个对称的子光束作为接收光；