[发明专利]测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法

权利要求书

1.测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其特征在于包括相对向设置的二个反射式望远镜及镜筒上分别设置的激光器，激光器分别和调制信号发生器连接，反射式望远镜镜筒后端安装有抛物面主镜，镜筒中央有倾斜安装的平面副镜，位于抛物面主镜前端，入射光经过抛物面主镜反射后到达平面副镜反射经过镜筒上的开口、衰减片和窄带干涉滤光片，会聚到光电探测器上，光电探测器输出信号接入到数据处理设备。

2.根据权利要求1所述的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其特征在于所述的衰减片、窄带干涉滤光片、光电探测器固定在同一个筒体上，该筒体安装在镜筒一的开口上。

3.根据权利要求1所述的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其特征在于所述的平面副镜和镜筒轴线成45°。

4.根据权利要求1所述的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其特征在于所述的激光器的中心波长为645nm，相应的窄带干涉滤光片的中心波长为645nm。

5.根据权利要求1所述的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪，其特征在于所述的光电探测器为光电倍增管。

6.测量大气折射率结构常数的方法，其特征在于包括相对向设置在传输路径的两端的二个反射式望远镜及镜筒上分别设置的中心波长为645nm激光器，激光器由TTL调制信号进行驱动，输出方波信号，当振荡电路输出高电平时，激光器点亮，低电平时，激光器关闭；反射式望远镜镜筒后端安装有抛物面主镜，镜筒中央有倾斜安装的平面副镜，位于抛物面主镜前端，入射光经过抛物面主镜反射后到达平面副镜反射经过镜筒上的开口，衰减片和中心波长为645nm的窄带干涉滤光片，会聚到光电探测器上；传输路径一端的激光器发出的调经过调制的激光信号经过湍流大气传输后，由传输路径另一端的反射式望远镜收集光信号，经过反射式望远镜镜筒内的抛物面主镜、平面副镜反射后，由光电探测器接收，并进行光电转换，转换后的电信号U与入射光信号I成正比，U的归一化方差β_U²与I的归一化方差β_I²(也即闪烁指数)存在如下关系：

${\mathrm{\β}}_I^2=\frac{\<I^2>-{\<I>}^2}{{\<I>}^2}=\frac{\<U^2>-{\<U>}^2}{{\<U>}^2}={\mathrm{\β}}_U^2---\left(1\right)$

式中<>表示统计平均，探测U随时间的变化，利用上式即可获得闪烁指数β_I²；此外根据光传输理论，一定接收孔径内光强起伏的闪烁指数是大气折射率结构常数C_n²、光波数k(k＝2π/λ，λ为激光波长)、传输距离L、接收孔径的直径D、孔径遮拦比ε的函数：

${\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)=0.132\&times;{\left(2\mathrm{\&pi;k}\right)}^2{\&Integral;}_0^L{C}_n^2\left(z\right)\mathrm{dz}{\&Integral;}_0^{\&infin;}{\sin }^2\left(\frac{{\mathrm{\&kappa;}}^{2}z(L-z)}{2\mathrm{kL}}\right){\mathrm{\&kappa;}}^{-8/3}$

$\&times;\left[\frac{2}{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}{]}^2\right[\frac{J_1(\mathrm{z\&kappa;D}/2L)}{\mathrm{z\&kappa;D}/2L}-{\stackrel{.}{\mathrm{\&epsiv;}}}^2\frac{J_1(\mathrm{\&epsiv;z\&kappa;D}/2L)}{\mathrm{\&epsiv;z\&kappa;D}/2L}{]}^2\mathrm{d\&kappa;}---\left(6\right)$

如果已知β_I²、k、L、D和ε，就可以根据(6)反推出表征湍流强度的C_n²。通过数据拟合的方法对(6)式进行近似，获得简化的定标公式：

$A_{\mathrm{annular}\_\mathrm{fit}}=[1+0.214\&times;{\left(\frac{{\mathrm{kD}}^2}{4L}\right)}^{7/6}{]}^{-1}\&times;[0.44\&times;\exp (-\frac{L}{1079.23})+0.5]---\left(11\right)$

$C_n^2=\frac{{\mathrm{\&beta;}}_I^2\left(D\right)}{A_{\mathrm{annular}\_\mathrm{fit}}\&times;0.496k^{7/6}{L}^{11/6}}---\left(12\right)$

综上所述，利用本发明提出的测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪可以获得随时间变化的正比于入射光强的电信号，利用(1)式统计出光强起伏的闪烁指数，带入定标公式(11)和(12)，配合激光波长、传输距离、接收孔径的直径和孔径遮拦比等参数，就可以计算出路径平均的大气折射率结构常数。