一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统，属于大气探测领域，方法的实现包括：向待探测区域发射OAM电磁波；接收针对待探测区域的后向散射电磁波，并识别出后向散射电磁波的波场分布函数，根据后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子；根据后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，使用复相位干扰因子以及相位因子表征大气湍流状态。本发明专利技术可以有效探测远距离大气湍流。

A detection method and system of Atmospheric Turbulence Based on eddy electromagnetic wave

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统
本专利技术属于大气探测
，更具体地，涉及一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统。
技术介绍
自从1883年Reynolds发现湍流流动现象以来，关于湍流发生的机理、湍流的结构及湍流流动基本规律的研究一直是一百多年以来流体力学和传热学家们所关注的课题。湍流是大气在空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动状态。大气湍流会导致大气的实时结构发生变化，会同时对光波、声波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用，而且大气湍流对飞行器的飞行性能、结构载荷、飞行安全的影响很大。因此，对大气湍流进行探测是十分必要的。目前，现有技术中主要使用多普勒声雷达以及多普勒激光雷达，其中，虽然多普勒声雷达精度很高，但是声音在大气中衰减很大，导致多普勒声雷达的探测距离有限。多普勒激光雷达使用激光作为探测媒介，利用大气湍流对激光的散射以及折射信号实现湍流探测，但是，多普勒激光雷达的作用距离一般在10公里以内，因此，多普勒激光雷达作用有限。因此，现有技术存在无法有效探测远距离大气湍流的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统，由此解决现有技术存在无法有效探测远距离大气湍流的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法，包括：向待探测区域发射OAM电磁波；接收针对所述待探测区域的后向散射电磁波，并识别出所述后向散射电磁波的波场分布函数，根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子；根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，使用所述复相位干扰因子以及所述相位因子表征大气湍流状态。优选地，所述向待探测区域发射OAM电磁波，包括：以三元八木天线作为阵元，将N个所述阵元等间距均匀排列在半径为λ的圆周上组成环形相控阵列，且N为大于2的整数；由得到所述环形相控阵列上相邻两个阵元之间的相位差，其中，l是OAM产生的模态值，N是所述环形相控阵列天线的阵元数量，且调节所述环形相控阵阵列上的各个阵元按照逆时针或者顺时针方向，间隔所述相位差馈送相同的信号。优选地，所述根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子，包括：由得到无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数；其中，为无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数；为归一化常数；z为OAM电磁波的传播距离；zR为瑞利距离，且zR＝kw02，kk＝2π/λ表示波矢，λ表示波长；i为虚数单位；m0为OAM电磁波的拓扑荷；p为超几何高斯波束的空心参数；r为空间位置矢量；exp()为以自然常数为底的指数函数；φ为OAM电磁波的相位；1F1为合流超几何函数；w0为束腰；由得到大气湍流的复相位干扰因子，其中，Ψ(r,φ,z)为大气湍流的复相位干扰因子；ln为以自然常数为底的对数函数；Ep(r,φ,z)为所述后向散射电磁波的波场分布函数。优选地，所述根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，包括：由获取非柯尔莫戈洛夫弱起伏湍流中球面波的空间相干半径，其中，ρ0为非柯尔莫戈洛夫弱起伏湍流中球面波的空间相干半径；α为非柯尔莫戈洛夫湍流参数；k为波矢；为广义折射率结构参数，n表示大气折射率；根据非柯尔莫戈洛夫弱起伏湍流中球面波的空间相干半径，由得到超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布，其中，βm(r,z)为超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布；Γ2()为Gamma函数；|m0|为OAM电磁波的拓扑荷的模；为定积分符号；φ'为OAM电磁波共轭波模的相位；m为拓扑荷；1F1为合流超几何函数；根据超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布，由求解出大气湍流对应的相位因子，其中，exp(-imφ)为大气湍流对应的相位因子；为求和函数。优选地，所述方法还包括：对的模态进行求解得到大气湍流涡旋谱。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测系统，包括：天线、发射分系统、接收分系统以及信号处理分系统；所述天线为N个三元八木天线作为阵元等间距均匀排列在半径为λ的圆周上组成的环形相控阵列，且N为大于2的整数；所述发射分系统，用于将来自频率源的射频激励信号放大后，经功分器再次放大后由各个天线阵元辐射出去；所述接收分系统，用于接收后向散射信号，并对后向散射信号进行数字采样，输出I/Q数据给信号处理分系统；所述信号处理分系统，用于执行如权利要求1-4任一项所述的大气湍流探测方法。优选地，每一个阵元均连接有一个射频开关，所述射频开关用于对阵列天线中的八个阵元依次通电，阵元间馈电相位依次增加或者减少其中，l是OAM产生的模态值，N是所述环形相控阵列天线的阵元数量，且φm表示相邻阵元间的相位差，m为拓扑荷。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术利用涡旋电磁波和中性大气湍流相互作用，根据后向散射电磁波的波场分布函数以及对应的无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数、超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布计算出的表征参数进行大气湍流的表征，由于涡旋电磁波的传播距离较现有技术中的声波以及光波的传播距离更远，因此可以显示远距离的大气湍流探测。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的八木天线的结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的八阵元八木天线的阵列示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的八阵元八木天线的三维辐射图；图5是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的八阵元八木天线的方向图；图6是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的二十阵元八木天线的阵列示意图；图7是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的二十阵元八木天线的三维辐射图；图8是本专利技术实施例提供的一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法中使用的二十阵元八木天线的方向图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法，其特征在于，包括：/n向待探测区域发射OAM电磁波；/n接收针对所述待探测区域的后向散射电磁波，并识别出所述后向散射电磁波的波场分布函数，根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子；/n根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，使用所述复相位干扰因子以及所述相位因子表征大气湍流状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法，其特征在于，包括：
向待探测区域发射OAM电磁波；
接收针对所述待探测区域的后向散射电磁波，并识别出所述后向散射电磁波的波场分布函数，根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子；
根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，使用所述复相位干扰因子以及所述相位因子表征大气湍流状态。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向待探测区域发射OAM电磁波，包括：
以三元八木天线作为阵元，将N个所述阵元等间距均匀排列在半径为λ的圆周上组成环形相控阵列，且N为大于2的整数；
由得到所述环形相控阵列上相邻两个阵元之间的相位差，其中，l是OAM产生的模态值，N是所述环形相控阵列天线的阵元数量，且
调节所述环形相控阵阵列上的各个阵元按照逆时针或者顺时针方向，间隔所述相位差馈送相同的信号。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子，包括：
由得到无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数；
其中，为无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数；为归一化常数；z为OAM电磁波的传播距离；zR为瑞利距离，且zR＝kw02，k＝2π/λ表示波矢，λ表示波长；i为虚数单位；m0为OAM电磁波的拓扑荷；p为超几何高斯波束的空心参数；r为空间位置矢量；exp()为以自然常数为底的指数函数；φ为OAM电磁波的相位；1F1为合流超几何函数；w0为束腰；
由得到大气湍流的复相位干扰因子，其中，Ψ(r,φ,z)为大气湍流的复相位干扰因子；ln为以自然常数为底的对数函数；Ep(r,φ,z)为所述后向散射电磁波的波场分布函数。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晨，王翔，周欣，赵正予，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42