[发明专利]一种大气相干长度的光学测量仪器及方法

说明书

技术领域

本发明属于一种大气相干长度的光学测量仪器及方法，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。

背景技术

由于大气湍流的影响，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(differential 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。

发明内容

本发明的目的是，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，本发明采用如下技术方案：

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(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)、反射镜(24)、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)和位置敏感探测器(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。

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r₀的方法，其特征在于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(L＜＜l₀²/λ)下，有如下关系式成立