一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法及装置与流程

1.本发明属于空间激光通信技术领域，具体涉及一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法及装置。


背景技术：

2.自1960年第一台激光器诞生以来，激光在工业、军事、科研以及日常生活中得到了广泛的应用，对社会进步、科技发展起到了重要的推动作用。
3.自由空间激光通信是以激光作为信息载体,在不同的平台(地面平台、空对地平台等)之间开展信息传递与交换的一种技术。与传统的无线电波通信相比,激光通信在很多方面具有一定的优势:1)激光频率高,具有超大带宽,能极大地提高信息传输速率；2)激光方向性好,在一定程度上能提高信息传输的安全性,同时还具有较强的抗干扰能力；3)激光亮度高、发散角小,同时,激光器体积小,易于集成,方便搭载于不同平台上。除了自由空间光通信,以激光为载波的激光雷达、远程遥感也有独特的优势。然而,在这些应用中,激光都是以大气作为信息传输通道,大气中的微粒和分子对激光的吸收和散射及湍流对激光造成的光斑漂移、光强闪烁等效应,严重影响通信系统的性能。因此,对激光在大气湍流中传输特性的研究越来越引起人们的重视。
4.描述大气湍流的参数包括：大气湍流折射率结构常数、大气湍流内尺度和外尺度、广义指数参数，对于各向异性大气湍流还包括各向异性因子。由于大气湍流对通信系统造成的影响，找到测量大气湍流参数的普适方法对激光通信等领域的发展尤为重要。
5.为了研究光束经过大气湍流的传输规律，一些测量大气湍流折射率结构常数的方法纷纷被学者们提出。现有技术中，测量大气湍流结构常数主要分为两类，一类是非光学测量方法，如双点和单点温度脉动法，双点温度脉动法是用惠斯通电桥实验装置直接探测空中两固定点之间的温度差，这两个固定点分别为电桥的两个测量臂电阻r1和r2，两点的间距必须远小于大气湍流的外尺度，然后电桥输出端输出两点的温度差，经过一定的程序处理后可得到大气湍流温度场的结构常数，最后根据大气湍流结构常数和大气湍流温度场结构常数之间的相关联系，计算得到大气湍流结构常数；单点温度脉冲法是通过测量大气温度的起伏来获得大气湍流折射率起伏特性的间接测量法，其原理是假定空气折射率起伏完全取决于温度的起伏特性。还有一类是光学测量方法，如光闪烁法，其利用平面波或球面波的光闪烁指数在大气湍流中的传输规律，通过测量光波的闪烁指数来探测大气湍流结构常数；如到达角起伏法，其通过实验同步测量平面波或球面波的到达角起伏和光强闪烁，从而得到大气湍流结构常数；如光学干涉测量法，其通过测量干涉图样的相位变化来反演出大气湍流结构常数。
6.除上述方法，还存在许多测量大气湍流参数的方法，如徐等人提出的一种基于偏振度测量大气湍流结构常数的方法[徐勇根,杨婷,王晓艳,张笔灵.一种探测大气湍流结构常数的方法及装置[p].四川省：cn108760226b,2020-01-21]；如赵等人提出的一种基于空
间相干度测量大气湍流各向异性因子的方法[赵亮,徐勇根.基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法[p].四川省：cn111735604a,2020-10-02]；如张等人提出的一种基于m2因子和光闪烁指数测量大气湍流参数的方法[张彬,但有全,潘平平,齐娜.基于m2因子和光闪烁指数确定大气湍流参数方法及装置[p].四川：cn101980056a,2011-02-23]。
[0007]
基于以上研究方法，我们可以用类似的手段将这些方法推广到测量大气湍流广义指数参数，然而，现有的测量方法在使用范围和条件上受到明显限制，操作困难，且成本较高，不能被很好地应用。并且，目前还没有明确的大气湍流广义指数参数测量方法被提出。


技术实现要素：

[0008]
本发明旨在解决现有技术存在的问题，提供一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法及装置。
[0009]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的装置，包括用于产生光束的激光发生器；用于发射光束并将光束准直和扩束的光学发射仪；用于获取通过大气湍流后的准直光束的光学接收屏；用于记录陡峭度参数的值，进而反演计算出大气湍流广义指数参数的陡峭度参数数据处理器。
[0010]
一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的测量方法，包括如下步骤，
[0011]
步骤一：将激光发生器产生的光束通过光学发射仪准直和扩束后发射出，发射出的准直光束通过大气湍流传输后被光学接收屏接收；
[0012]
步骤二：研究由光学接收屏接收到的光束在大气湍流中传输时陡峭度参数的传输规律，并根据传输规律得到陡峭度参数；
[0013]
步骤三：陡峭度参数数据处理器根据已获得陡峭度参数的值反演计算出大气湍流广义指数参数。
[0014]
在本发明的一种优选实施方式中，激光发生器为气体激光器或固体激光器，或半导体激光器，或光纤激光器，或自由电子激光器。
[0015]
在本发明的一种优选实施方式中，光学发射仪为开普勒望远镜或伽利略望远镜。
[0016]
在本发明的一种优选实施方式中，光学接收屏为牛顿望远镜，或开普勒望远镜，或伽利略望远镜，或格里高利望远镜，或卡塞格伦望远镜。
[0017]
在本发明的一种优选实施方式中，陡峭度参数数据处理器为安装有所编制的相关计算程序的计算机。
[0018]
在本发明的一种优选实施方式中，光束为二维光束或三维光束。
[0019]
在本发明的一种优选实施方式中，光束的陡峭度参数与大气湍流广义指数参数满足以下函数表达式：
[0020]
α＝f[k,w(ρ1,ρ2；z)]
[0021]
α为大气湍流广义指数参数，即待测大气湍流参数，f[k,w(ρ1,ρ2；z)]表示光学接收屏(3)上陡峭度参数k和光束交叉谱密度函数w(ρ1,ρ2；z)的函数关系式，ρ1,ρ2为接收屏上任意两个位置矢量，z)是关于光束初始偏振度p0，束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δ
xx
和δ
yy
，湍流内尺度l0，湍流外尺度l0，大气折射率结构常数和传输距离z的函数。
[0022]
本发明的原理和有益效果：(1)本发明的目的在于研究一种测量大气湍流广义指数参数新的方法，以及实现所述方法的装置。本发明所提供的测量方法是基于光束在大气湍流中传输时陡峭度参数的变化特性来反演大气湍流参数α，和传统的测量方法明显不同；本发明所提供的实现上述测量方法的实验装置结构简单，无需特殊的、复杂的测量仪器，更易于实现精密测量，操作更方便，且成本更低。
[0023]
(2)本发明提出的一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法，是以光束在大气湍流中传输时陡峭度参数的变化特性[y.xu,y.dan,j.yu,et al.kurtosis parameter k of arbitrary electromagnetic beams propagating through non-kolmogorov turbulence[j].j.mod.opt,64(19):1976-1987(2017)]为依据来得到陡峭度参数的，不需要特殊的、复杂的陡峭度参数测量装置，因此本发明提出的测量方法更易于实施，成本更低。
[0024]
(3)本发明提出的一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法，在计算过程中，由于所用公式是以广义惠更斯-菲涅尔原理[l.wang,j.wang,c.yuan,et al.beam wander of partially coherent twisted elliptical vortex beam in turbulence[j].optik,218:165037(2020)]和电磁光束在大气湍流中的陡峭度参数[y.xu,y.dan,j.yu,et al.kurtosis parameter k of arbitrary electromagnetic beams propagating through non-kolmogorov turbulence[j].j.mod.opt,64(19):1976-1987(2017)]为依据的，因而所用陡峭度参数公式在强起伏条件下也成立，因此在强起伏条件下，仍可探测大气湍流广义指数参数，所以本发明提出的测量方法比现有方法更广泛适用。
[0025]
(4)与传统基于光束在大气湍流中传输的m2因子[基于m2因子和光闪烁指数确定大气湍流参数方法及装置,cn201010533777.6]、偏振度[一种探测大气湍流结构常数的方法及装置,cn201810420693.8]、空间相干度[基于空间相干度测量大气湍流各向异性因子的装置及方法,cn202010531068.8,2020]的方法明显不同。
[0026]
上述基于m2因子、偏振度、空间相干度测量大气湍流参数的方法分别需要特定的测量光束在大气湍流中传输的m2因子、偏振度、空间相干度的仪器。而根据作者的研究结果[y.xu,y.dan,j.yu,et al.kurtosis parameter k of arbitrary electromagnetic beams propagating through non-kolmogorov turbulence[j].j.mod.opt,64(19),1976-1987(2017)]，任意光束在大气湍流中长距离传输的光束陡峭度参数(也称为k参数)趋于固定值[即二维光束k参数趋于3，三维光束k参数趋于2]，根据这一特点，只要将光束在大气湍流中传输数千米就能得到其陡峭度参数的值，无需特殊的、复杂的测量仪器。
[0027]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0028]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0029]
图1为本发明测量大气湍流广义指数参数装置结构示意图。
[0030]
说明书附图中的附图标记包括：激光发生器1、光学发射仪2、光学接收屏3、陡峭度参数数据处理器4。
具体实施方式
[0031]
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0034]
实施例一：
[0035]
基本如附图1所示，一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的装置，包括用于产生光束的激光发生器1；用于发射光束并将光束准直和扩束的光学发射仪2；用于获取通过大气湍流后的准直光束的光学接收屏3；用于记录陡峭度参数的值，进而反演计算出大气湍流广义指数参数的陡峭度参数数据处理器4。
[0036]
本实施例中，激光发生器1为气体激光器或固体激光器，或半导体激光器，或光纤激光器，或自由电子激光器中的任意一种，气体激光器为he-ne激光器或co2激光器中的任意一种，固体激光器为nd:yag激光器或ce:nd:yag激光器中的任意一种。
[0037]
本实施例中，光学发射仪2为开普勒望远镜或伽利略望远镜。光学接收屏3为牛顿望远镜，或开普勒望远镜，或伽利略望远镜，或格里高利望远镜，或卡塞格伦望远镜中的任意一种。陡峭度参数数据处理器4为安装有所编制的相关计算程序的计算机。
[0038]
一种基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法，包括如下步骤：
[0039]
步骤一：首先激光发生器1产生的光束通过光学发射仪2准直和扩束后发射并进入大气湍流，大气湍流使光束的陡峭度参数发生变化，光束在大气湍流传输一段距离后被光学接收屏3接收；
[0040]
步骤二：研究由光学接收屏接收到的光束在大气湍流中传输时陡峭度参数的传输规律，其传输规律：根据光束在大气湍流中传输时陡峭度参数的变化特性可知三维光束陡峭度参数近似为2[y.xu,y.dan,j.yu,et al.kurtosis parameter k of arbitrary electromagnetic beams propagating through non-kolmogorov turbulence[j].j.mod.opt,64(19),1976-1987(2017)]，二维光束陡峭度参数近似为3[y.dan and y.xu.evolution of arbitrary moments of radiant intensity distribution for partial ly coherent general beams in atmospheric turbulence[j].j.mod.opt,65(7):803-810(2018)]，从而可近似得到陡峭度参数，然后通过陡峭度参数数据处理器4。
[0041]
步骤三：最后陡峭度参数数据处理器按照所编制的相关计算程序对测得的数据进行处理并输出大气湍流广义指数参数α；
[0042]
本实施例中，光束的陡峭度参数与大气湍流广义指数参数满足以下函数表达式：
[0043]
α＝f[k,w(ρ1,ρ2；z)]
[0044]
α为大气湍流广义指数参数，即待测大气湍流参数。f[k,w(ρ1,ρ2；z)]表示光学接收屏(3)上陡峭度参数k和光束交叉谱密度函数w(ρ1,ρ2；z)的函数关系式，ρ1,ρ2为接收屏上任意两个位置矢量，z)是关于光束初始偏振度p0，束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δ
xx
和δ
yy
，湍流内尺度l0，湍流外尺度l0，大气折射率结构常数和传输距离z的函数。
[0045]
实施例二：
[0046]
本实施例中激光发生器1中的激光器为光纤激光器，其波长为1550nm；光学发射仪2为开普勒望远镜；大气湍流为均匀分布的大气湍流；所用光学接收屏3为格里高利望远镜；所用光学发射仪2和光学接收屏3相距z＝8km。
[0047]
如图1所示的实验装置结构来实现基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法。按图1所示安装好实验器件，实验过程为：步骤一：首先激光器输出电磁光束(是一种三维光束)，其中心波长为1550nm，该光束经光学发射仪2，变为束腰宽度为20mm的电磁准直光束，然后电磁准直光束在均匀分布的大气湍流中传输8km后被光学接收屏3接收，步骤二：根据相关研究结论光束传输无限远时陡峭度参数近似等于2[y.xu,y.dan,j.yu,et al.kurtosis parameter k of arbitrary electromagnetic beams propagating through non-kolmogorov turbulence[j].j.mod.opt,64(19),1976-1987(2017)]得到陡峭度参数，将数据输入到陡峭度参数数据处理器4中。步骤三：陡峭度参数数据处理器4按所编制的相关计算机程序进行处理，即可输出大气湍流广义指数参数。
[0048]
陡峭度参数数据处理器4为安装有所编制的计算机程序的计算机，计算机程序采用matlab r2019a编写。该计算程序可以是直接用命令行组成的m文件，或者是guide方式和命令行m文件方式创建的一个gui程序，计算程序处理数据的基本步骤如下：
[0049]
1)为计算程序的参数赋值：初始偏振度p0，束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δ
xx
和δ
yy
，湍流内尺度l0，湍流外尺度l0，大气折射率结构常数和传输距离z；
[0050]
2)输入陡峭度参数k＝2；
[0051]
3)利用公式(1)计算f[k,w(ρ1,ρ2；z)]，并用数值法解此方程，得到大气湍流广义指数参数α；
[0052]
本实施例输出大气湍流广义指数参数α为3.667。
[0053]
实施例三
[0054]
本实施例中激光发生器1替换为nd:yag激光器，其中心波长为1064nm；光学发射仪2替换为伽利略望远镜；大气湍流仍为均匀分布的大气湍流；光学接收屏3替换为卡塞格伦望远镜；所用光学发射仪2和光学接收屏3相距z＝10km；陡峭度参数数据处理器4仍与实施例1中陡峭度参数数据处理器相同。
[0055]
本实施中，如图1所示的实验装置结构来实现基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法。按图1所示安装好实验器件，实验过程为：步骤一：激光器输出部分相干反常椭圆空心光束(是一种三维光束)，其中心波长为1064nm，该光束经光学发射仪2变为束腰宽度为10mm的部分相干反常椭圆空心光束准直光束，然后部分相干反常椭圆空心光束准直光束在均匀分布的大气湍流中传输10km后被光学接收屏3接收，步骤二：根据相关研究结论
得到陡峭度参数近似等于2[h.tian,y.xu,b.zhang,et al.coupling characteristics and kurtosis parameter of partially coherent beams in turbulent atmosphere[j].j.mod.opt,66(9):939-946(2019)]，将数据输入到陡峭度参数数据处理器4中。步骤三：陡峭度参数数据处理器4按所编制的相关计算机程序进行处理，即可输出大气湍流广义指数参数。
[0056]
计算程序处理数据的基本步骤如下：
[0057]
1)为计算程序的参数赋值：初始偏振度p0，束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δ
xx
和δ
yy
，湍流内尺度l0，湍流外尺度l0，大气折射率结构常数和传输距离z；
[0058]
2)输入陡峭度参数k＝2；
[0059]
3)利用公式(1)计算f[k,w(ρ1,ρ2；z)]，并用数值法解此方程，得到大气湍流广义指数参数α；
[0060]
本实施例输出大气湍流广义指数参数α为3.667。
[0061]
实施例四：
[0062]
本实施例中激光发生器1替换为he-ne激光器，其中心波长为632.8nm；光学发射仪2替换为开普勒望远镜；大气湍流仍为均匀分布的大气湍流；光学接收屏3替换为牛顿望远镜；所用光学发射仪2和光学接收屏3相距z＝15km；陡峭度参数数据处理器4仍与实施例1中陡峭度参数数据处理器相同。
[0063]
本实施中，如图1所示的实验装置结构来实现基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法。按图1所示安装好实验器件，实验过程为：步骤一：激光器输出平顶光束(是一种二维光束)，其中心波长为632.8nm，该光束经光学发射仪2变为束腰宽度为25mm的平顶准直光束，然后平顶准直光束在均匀分布的大气湍流中传输15km后被光学接收屏3接收，步骤二：根据相关研究结论得到陡峭度参数近似等于3[x.li and x.ji.propagation of higher-order intensity moments through an optical system in atmospheric turbulence[j].opt.commun,298-299:1-7(2013)]，将数据输入到陡峭度参数数据处理器4中。步骤三，陡峭度参数数据处理器4按所编制的相关计算机程序进行处理，即可输出大气湍流广义指数参数。
[0064]
计算程序处理数据的基本步骤如下：
[0065]
1)为计算程序的参数赋值：初始偏振度p0，束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δ
xx
和δ
yy
，湍流内尺度l0，湍流外尺度l0，大气折射率结构常数和传输距离z；
[0066]
2)输入陡峭度参数k＝3；
[0067]
3)利用公式(1)计算f[k,w(ρ1,ρ2；z)]，并用数值法解此方程，得到大气湍流广义指数参数α；
[0068]
本实施例输出大气湍流广义指数参数α为3.668。
[0069]
实施例五：
[0070]
本实施例中激光发生器1替换为半导体激光器，其中心波长为1310nm；光学发射仪2替换为伽利略望远镜；大气湍流仍为均匀分布的大气湍流；光学接收屏3替换为开普勒望远镜；所用光学发射仪2和光学接收屏3相距z＝5km；陡峭度参数数据处理器4仍与实施例1中陡峭度参数数据处理器相同。
[0071]
本实施中，如图1所示的实验装置结构来实现基于陡峭度参数测量大气湍流广义指数参数的方法。按图1所示安装好实验器件，实验过程为：步骤一，激光器输出艾里光束(是一种二维光束)，其中心波长为1310nm，该光束经光学发射仪2变为束腰宽度为15mm的艾里准直光束，然后艾里准直光束在均匀分布的大气湍流中传输5km后被光学接收屏3接收，步骤二：根据相关研究结论得到陡峭度参数近似等于3[y.dan and y.xu.evolution of arbitrary moments of radiant intensity distribution for partially coherent general beams in atmospheric turbulence[j].j.mod.opt,65(7):803-810(2018)]，将数据输入到陡峭度参数数据处理器4中。步骤三：陡峭度参数数据处理器4按所编制的相关计算机程序进行处理，即可输出大气湍流广义指数参数。
[0072]
计算程序处理数据的基本步骤如下：
[0073]
1)为计算程序的参数赋值：初始偏振度p0，束腰宽度w0，波长λ，初始相干长度δ
xx
和δ
yy
，湍流内尺度l0，湍流外尺度l0，大气折射率结构常数和传输距离z；
[0074]
2)输入陡峭度参数k＝3；
[0075]
3)利用公式(1)计算f[k,w(ρ1,ρ2；z)]，并用数值法解此方程，得到大气湍流广义指数参数α；
[0076]
本实施例输出大气湍流广义指数参数α为3.667。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0078]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。