一种大气相干长度的光学测量仪器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种大气相干长度的光学测量仪器，包括氦氖激光发射单元(1)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)；激光发射单元(1)包括发射激光的氦氖激光器(11)和扩束装置(12)，氦氖激光器(11)发射的激光束经扩束装置(12)扩束后，经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元(2)；本实用新型专利技术的优点在于：本实用新型专利技术可以很好的克服大气湍流内外尺度对测量方法的影响，使测量结果更合理，所使用的位置敏感探测器可直接给出位置信号及相对光强信号，节约了内存，同时降低了对计算机的要求。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于一种光学测量仪器，具体是一种测量近地面光传输路径上大气相干长度的仪器。它适用于大气科学研究，以及天文学、大气光学、军事等领域。
技术介绍
由于大气瑞流的影响，光在大气中传播时，会产生光强起伏和相位起伏。对于成像系统，这会导致成像模糊，在天文学中大气湍流引起的光波前起伏使接收光学望远镜的实际分辨率与大气相干长度密切相关。随着空间目标监测，自适应光学，激光通信等现代光学技术的发展，提出了获取光传输路径上大气相干长度的要求。目前主要有两种测量大气相干长度的方法，一种是单纯利用到达角起伏来测量传输路径上大气相干长度的仪器，这种仪器受使用环境的影响较大，与所处环境的大气湍流特征尺度有关，要求环境稳定(如室内)，发射光源本身无抖动等，这必然会限制其使用范围。第二种测量大气相干长度的方 法是DIMM (different image motion monitor),也是当前较为主流的测量方法。该方法是利用一个光源在两个相距不远的位置上成像光斑质心的距离方差来反演大气相干长度的值，其优势在于回避了利用只成一个单独像测量其质心的到达角起伏来反演大气相干长度值时机械振动、光源本身抖动等因素引起的测量误差，但在实际应用时，成像器件往往选用CCD或ICCD等光电产品，这些器件的使用增加了成本，同时也使得测量受到限制。如采样率较低，必然导致损失了大气湍流的高频特性，在要求采样数满足统计规律的前提下也加长了采样时间，降低了实时性。而且这类器件通常是对整个成像图片进行处理，需要占用大量的内存资源，不利于工程集成和实时测量。
技术实现思路
本技术的目的是，提供一种采用位置敏感探测器的水平大气相干长度测量仪及测量方法。该测量仪采用氦氖激光器作为发射光源，针孔光阑选取畸变的波面成像在位置敏感探测器上，其位置坐标信号及相对光强信号由A/D转换器转换为数字信号，经采集处理和分析，得到大气相干长度的值。该大气相干长度测量仪不仅能够实时获得大气相干长度的值，而且具有测量精度高，测量不确定度小的优点，同时也降低了不同大气湍流特征尺度条件下带来的方法误差。为了达到上述目的，本技术采用如下技术方案一种大气相干长度的光学测量仪器，包括氦氖激光发射单元(I)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)；激光发射单元⑴包括发射激光的氦氖激光器(11)和扩束装置(12)，氦氖激光器(11)发射的激光束经扩束装置(12)扩束后经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元⑵；激光接收及光电转换单元(2)沿光路依次包括衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)，第一反射镜(24)、第二反射镜(25)和位置敏感探测器(27);入射至激光接收及光电转换单元(2)的光束依次经过衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)后到达位置敏感探测器(27);其中从小孔光阑(22)至第一反射镜(24)的位置固定，从第一反射镜(24)至第二反射镜(25)位置固定，从第二反射镜(25)至位置敏感探测器(27)的距离由标尺(26)给出，位置敏感探测器(27)进行光电转换得到光束的相对光强信号、位置信号共3路模拟信号，并将该3路模拟信号输出至数据采集单元(3)；数据采集单元(3)包括A/D转换器(31)和数据采集卡(32)，A/D转换器(31)将3路模拟信号转换为数字信号传送至数据采集卡(32)，数据采集卡(32)输出至数据处理与分析单元⑷；数据处理与分析单元(4)将从数据采集卡中得到的数据处理分析后给出光传输路径上的大气相干长度。·所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述衰减片(21)采用吸收型中性衰减片。所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述小孔光阑(22)采用圆形针孔。所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述滤光片(23)采用窄带干涉滤光片。所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述第一反射镜(24)、第二反射镜(25)均为镀膜的全反射镜。所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述标尺(26)为精密位移台。所述的大气相干长度的光学测量仪器，所述位置敏感探测器(27)采用位置敏感光电倍增管。测量大气相干长度Γ(ι的方法，当一束平面波经局地均匀各向同性大气湍流传输后，在几何近似条件α〈<Λ2/；ι)下，有如下关系式成立<a2 >=3.28C 2I/o1/3(I)af=12.8C^L%1/3(2)其中L为光束传输路径长度、Itl为大气湍流内尺度、Cn2为大气折射率结构常数、<α2>为到达角起伏均方、σ/为光强闪烁指数，其定义为α =^Ι(χ~χο)2 +(y~yo)2(3) d 2 </2 > - < I >2σ] =----(4)</ >其中d为针孔至位置敏感探测器的距离，〈… > 表示统计平均。测量光传输路径的大气相干长度时，一般认为沿光束传输路径上的大气湍流是近似均勻的，根据大气相干长度与大气折射率结构常数的积分关系，对在水平光程为L,波长为λ的平面波，Γ(1与大气折射率结构常数C 2(I)的关系为r, = {^k2lCn2{L)dLYVi(5)其中1 = 2π/λ。可以给出大气相干长度的值为r0 =0.3287A6/5Z~1/5 <α2 >_7/10 (σ,2)1710(6)从上述关系可以看出，通过测量经大气湍流传输后光束的到达角起伏以及光强闪烁，即可得到大气相干长度^的值。本技术的优点和效果为I由于现有的测量的仪器多用CXD或ICXD，这种方法需要大量读取图像灰度值，必然会影响计算速度。而本技术中使用的位置敏感探测器可直接给出位置信号及相对光强信号，节约了内存，同时降低了对计算机的要求。2使用本技术可以很好的克服大气湍流内外尺度对测量方法的影响，使测量结果更合理。附图说明图I为采用位置敏感探测器的大气相干长度测量仪的结构示意图。其中1为激光发射单元、2为激光接收及光电转换单元、3为数据采集单元、4为数据处理与分析单兀；11为氦氖激光器，12为扩束装置；21为衰减片，22为小孔光阑，23为滤光片，24第一反射镜、25第二反射镜，26为标尺，27为位置敏感探测器；31为A/D转换器，32为数据采集卡；41为PC机。图2为数据处理与分析单元工作流程图。图3是本技术在不同风速不同温度条件下大气相干长度的变化情况。具体实施方式以下结合具体实施例，对本技术进行详细说明。参考图I，大气相干长度测量仪，包括激光发射单元I、激光接收及光电转换单元2、数据采集单元3、数据处理与分析单元4 ;激光发射单元I包括发射激光的氦氖激光器11和扩束装置12，氦氖激光器11发射的激光束经扩束装置12扩束后经湍流大气传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元2 ;激光接收及光电转换单元2沿光路依次包括衰减片21、小孔光阑22、滤光片23、第一反射镜24、第二反射镜25和位置敏感探测器27 ;入射至激光接收及光电转换单元2的光束依次经过衰减片21、小孔光阑22、滤光片23，第一反射镜24、第二反射镜25后到达位置敏感探测器27。建立直角坐标，小孔光阑22的位置为(O, O),滤光片23的位置为(5,0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，包括氦氖激光发射单元(1)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)；激光发射单元(1)包括发射激光的氦氖激光器(11)和扩束装置(12)，氦氖激光器(11)发射的激光束经扩束装置(12)扩束后经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元(2)；激光接收及光电转换单元(2)沿光路依次包括衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)，第一反射镜(24)、第二反射镜(25)和位置敏感探测器(27)；入射至激光接收及光电转换单元(2)的光束依次经过衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)后到达位置敏感探测器(27)；其中从小孔光阑(22)至第一反射镜(24)的位置固定，从第一反射镜(24)至第二反射镜(25)位置固定，从第二反射镜(25)至位置敏感探测器(27)的距离由标尺(26)给出，位置敏感探测器(27)进行光电转换得到光束的相对光强信号、位置信号共3路模拟信号，并将该3路模拟信号输出至数据采集单元(3)；数据采集单元(3)包括A/D转换器(31)和数据采集卡(32)，A/D转换器(31)将3路模拟信号转换为数字信号传送至数据采集卡(32)，数据采集卡(32)输出至数据处理与分析单元(4)；数据处理与分析单元(4)将从数据采集卡中得到的数据处理分析后给出光传输路径上的大气相干长度。...

【技术特征摘要】
1.一种大气相干长度的光学测量仪器，其特征在于，包括氦氖激光发射单元(I)、激光接收及光电转换单元(2)、数据采集单元(3)，数据处理与分析单元(4)； 激光发射单元(I)包括发射激光的氦氖激光器(11)和扩束装置(12)，氦氖激光器(11)发射的激光束经扩束装置(12)扩束后经大气湍流传输后垂直入射至激光接收及光电转换单元⑵； 激光接收及光电转换单元(2)沿光路依次包括衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)，第一反射镜(24)、第二反射镜(25)和位置敏感探测器(27);入射至激光接收及光电转换单元(2)的光束依次经过衰减片(21)、小孔光阑(22)、滤光片(23)、第一反射镜(24)、第二反射镜(25)后到达位置敏感探测器(27);其中从小孔光阑(22)至第一反射镜(24)的位置固定，从第一反射镜(24)至第二反射镜(25)位置固定，从第二反射镜(25)至位置敏感探测器(27)的距离由标尺(26)给出，位置敏感探测器(27)进行光电转换得到光束的相对光强信号、位置信号共3路模拟信号，并将该3路模拟信号输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：强希文，宗飞，刘晶儒，赵军卫，李岩，冯建伟，胡月宏，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三六五五部队，
类型：实用新型
国别省市：