大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法技术

本发明专利技术公开一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法。本方法把传输路径分成三段，即靠近收发端机A的一段、中间一段以及靠近收发端机B的一段，并用三个离散的随机相位屏来近似描述连续大气湍流。本方法通过测量双向传输信道的光波光强起伏和到达角起伏来获得各个随机相位屏的有效折射率结构常数，以此描述大气湍流折射率结构常数沿传输路径的大体变化特征，从而为光波大气传输工程系统设计提供参考。

【技术实现步骤摘要】
大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法
本专利技术属于大气信道光信号传输
，涉及一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法。
技术介绍
激光经大气湍流传输时会发生光强闪烁和到达角起伏等现象，它们通常会给激光大气传输工程系统造成负面影响。在设计激光大气传输工程系统之前，往往需要估计大气湍流影响程度。折射率结构常数是计算大气湍流传输光波统计量的一个关键参数。对于地面附近的水平传输来说，因为缺乏折射率结构常数的路径廓线数据，在进行理论计算时很多时候都只能假设折射率结构常数沿传输路径均匀分布(即沿传输路径不发生变化)。然而在实际大气环境中，通常折射率结构常数即使沿水平路径也会发生变化。为了研究各种理论计算结果的可靠性，有必要测量大气湍流折射率结构常数的路径廓线(即沿传输路径的变化曲线)。要精确地测量大气湍流折射率结构常数的路径廓线，可在传输路径的不同位置处放置一系列温度脉动仪，并根据各个位置处的温度脉动仪测量结果反演各个位置处的大气湍流折射率结构常数。然而，这种方法一方面成本高，另一方面实施起来比较麻烦。在很多情况下，只需要大气湍流折射率结构常数路径廓线的一个近似估计就可以对许多实际应用产生帮助。本专利技术公开一种在实现上很简单的大气湍流折射率结构常数路径廓线测量方法，可以很方便地获得大气湍流折射率结构常数路径廓线的近似估计。如图1所示，收发端机A位于z＝0处，收发端机B位于z＝L处，收发端机A和收发端机B之间是大气湍流信道。根据SPIE出版社2010年出版的《NumericalSimulationofOpticalWavePropagationwithExamplesinMATLAB》和安徽科学技术出版社2005年出版的《光在湍流大气中的传播》可知，从z＝0传到z＝L的球面波的对数振幅起伏方差为：其中L表示传输距离，k＝2π/λ表示光波波数，λ表示光波波长，表示位置z处的大气湍流折射率结构常数；从z＝L传到z＝0的球面波的对数振幅起伏方差为：从z＝0传到z＝L的球面波的到达角起伏方差为：从z＝L传到z＝0的球面波的到达角起伏方差为：其中D表示圆形接收孔径的直径。如图1所示，用三个随机相位屏(即随机相位屏001、随机相位屏002和随机相位屏003)来近似描述连续大气湍流对光波传输产生的影响。根据式(1)至式(4)，可以得到如下结果：其中和分别是随机相位屏001、随机相位屏002和随机相位屏003的有效折射率结构常数，可以用它们来近似地估计大气湍流折射率结构常数沿传输路径的变化。如果和近似相等，则大气湍流折射率结构常数沿传输路径近似不变。如果明显大于和则大气湍流折射率结构常数在传输路径中间位置取较大值。如果明显大于和则大气湍流折射率结构常数在靠近收发端机A的位置取较大值。如果明显大于和则大气湍流折射率结构常数在靠近收发端机B的位置取较大值。可以把式(5)至式(7)写成如下矩阵和向量相乘的形式：其中由式(8)可知，只要测量出和就可以很容易地求出和值得注意的是，式(1)和式(2)是点接收条件下的对数振幅起伏方差，在实际中只能测量出有限孔径接收条件下的光强起伏方差与点接收条件下的光强起伏方差之间的关系可写为：其中A(D)表示球面波光强起伏的孔径平均因子。LarryC.Andrews于1992年发表在《JournaloftheOpticalSocietyofAmericaA》9卷4期597至600页的论文给出如下计算公式：点接收条件下的光强起伏方差与点接收条件下的对数振幅起伏方差的关系是：所以，当测量出从z＝L传到z＝0的球面波的光强起伏方差后，可以直接计算对应的对数振幅起伏方差为：在实际测量中，从z＝0传到z＝L的光波的波长与从z＝L传到z＝0的光波的波长会有细微差别；由于光波大气湍流传输统计特性的波长依赖性很小，微小的波长差异对测量结果的影响可以忽略。在实际测量计算时，前面的公式中的光波波数k可以设置为4π/(λ1+λ2)，λ1为从z＝0传到z＝L的光波的波长，λ2为从z＝L传到z＝0的光波的波长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法，用离散的随机相位屏来近似描述连续大气湍流，通过测量双向传输信道的光波光强起伏和到达角起伏来获得各个随机相位屏的有效折射率结构常数，以此作为大气湍流折射率结构常数沿传输路径的总体变化特征的近似描述，从而为光波大气传输工程系统设计提供参考。本方法的技术方案是这样实现的：一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法，其特征在于：首先使用双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差；然后，根据两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差计算位于z＝L/6、z＝L/2、z＝5L/6处的三个随机相位屏的有效折射率结构常数，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径长度。双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机A位于z＝0处，双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机B位于z＝L处。位于z＝L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P1，位于z＝L/2处的随机相位屏被称为随机相位屏P2，位于z＝5L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P3。随机相位屏P1、随机相位屏P2、随机相位屏P3的有效折射率结构常数近似描述了大气湍流折射率结构常数沿传输路径的总体变化特征。如图2所示，双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统由收发端机A和收发端机B组成；收发端机A包括第一激光器(101)、第一单模光纤(102)、第一透镜(103)、第一分光器(104)、第二透镜(105)、第一CCD探测器(106)、第一计算机(107)；收发端机B包括第二激光器(201)、第二单模光纤(202)、第三透镜(203)、第二分光器(204)、第四透镜(205)、第二CCD探测器(206)、第二计算机(207)；第一激光器(101)发出的光信号A001先进入第一单模光纤(102)再经过第一透镜(103)和第一分光器(104)发射到大气湍流信道中，光信号A001传输到达收发端机B后经第二分光器(204)和第四透镜(205)入射到第二CCD探测器(206)上；第二激光器(201)发出的光信号A002先进入第二单模光纤(202)再经过第三透镜(203)和第二分光器(204)发射到大气湍流信道中，光信号A002传输到达收发端机A后经第一分光器(104)和第二透镜(105)入射到第一CCD探测器(106)上；第一CCD探测器(106)输出的图像由第一计算机(107)采集和处理，第二CCD探测器(206)输出的图像由第二计算机(207)采集和处理；第一CCD探测器(106)位于第二透镜(105)的焦点位置，第二CCD探测器(206)位于第四透镜(205)的焦点位置，第一单模光纤(102)的出射端位于第一透镜(103)的焦点位置，第二单模光纤(202)的出射端位于第三透镜(203)的焦点位置。光波经过第一分光器(104)到达第二透镜(105)再透过第二透镜(105)时的有效通光直径等于光波经过第二分光器(204)到达第四透镜(205)再透过第四透镜(205)时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法，其特征在于：首先使用双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差；然后，根据两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差计算位于z＝L/6、z＝L/2、z＝5L/6处的三个随机相位屏的有效折射率结构常数，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径长度；双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机A位于z＝0处，双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机B位于z＝L处；位于z＝L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P1，位于z＝L/2处的随机相位屏被称为随机相位屏P2，位于z＝5L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P3；随机相位屏P1、随机相位屏P2、随机相位屏P3的有效折射率结构常数近似描述了大气湍流折射率结构常数沿传输路径的总体变化特征；双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统由收发端机A和收发端机B组成；收发端机A包括第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第一计算机；收发端机B包括第二激光器、第二单模光纤、第三透镜、第二分光器、第四透镜、第二CCD探测器、第二计算机；第一激光器发出的光信号A001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号A001传输到达收发端机B后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号A002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号A002传输到达收发端机A后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器输出的图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器输出的图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位于第一透镜的焦点位置，第二单模光纤的出射端位于第三透镜的焦点位置；光波经过第一分光器到达第二透镜再透过第二透镜时的有效通光直径等于光波经过第二分光器到达第四透镜再透过第四透镜时的有效通光直径，即收发端机A的等效圆形接收孔径直径等于收发端机B的等效圆形接收孔径直径；所述的测量方法具体步骤如下：步骤101：使双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统正常工作；步骤102：用第一计算机采集第一CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算每帧光斑图像的质心位置B001与像素灰度值总和B002，把质心位置B001保存到磁盘文件CRLAOA中，把灰度值总和B002保存到磁盘文件CRLSCI中；与此同时，用第二计算机采集第二CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算每帧光斑图像的质心位置B003，把质心位置B003保存到磁盘文件CRRAOA中；步骤103：针对磁盘文件CRLAOA中保存的所有质心位置B001数据，每个质心位置B001数据由x方向的质心位置数据和y方向的质心位置数据组成，利用统计方法根据所有质心位置B001数据计算x方向的质心位置方差...

【技术特征摘要】
1.一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法，其特征在于：首先使用双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差；然后，根据两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差计算位于z＝L/6、z＝L/2、z＝5L/6处的三个随机相位屏的有效折射率结构常数，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径长度；双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机A位于z＝0处，双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机B位于z＝L处；位于z＝L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P1，位于z＝L/2处的随机相位屏被称为随机相位屏P2，位于z＝5L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P3；随机相位屏P1、随机相位屏P2、随机相位屏P3的有效折射率结构常数近似描述了大气湍流折射率结构常数沿传输路径的总体变化特征；双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统由收发端机A和收发端机B组成；收发端机A包括第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第一计算机；收发端机B包括第二激光器、第二单模光纤、第三透镜、第二分光器、第四透镜、第二CCD探测器、第二计算机；第一激光器发出的光信号A001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号A001传输到达收发端机B后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号A002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号A002传输到达收发端机A后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器输出的图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器输出的图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位于第一透镜的焦点位置，第二单模光纤的出射端位于第三透镜的焦点位置；光波经过第一分光器到达第二透镜再透过第二透镜时的有效通光直径等于光波经过第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈纯毅，杨华民，蒋振刚，倪小龙，潘石，刘智，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22