[发明专利]一种探测大气湍流结构常数的方法及装置

说明书

本发明提供一种探测大气湍流结构常数方法及装置，包括：激光发生器、光学发射天线、光学接收天线、偏振度测试仪、数据处理器；从所述激光发生器发出的电磁光束经过光学发射天线准直扩束后发射，发射出的电磁准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收，电磁准直光束通过偏振度测试仪，偏振度测试仪获取测试数据，数据处理器根据偏振度测试仪获取的数据计算得到大气湍流结构常数。本发明方法所得到的大气湍流结构常数的结果更加准确、比现有方法更广泛适用、更具普适性、且结构简单，操作测量方便。

技术领域

本发明涉及空间激光通信技术领域，尤其涉及一种通过测量电磁光束的偏振度来探测大气湍流结构常数的方法及装置。

背景技术

从激光出现至今，激光在空间激光通信、大气激光通信、激光成像以及激光武器等领域发展迅速。人们已纷纷对星际、星地、空空等激光通信链路开展理论、模拟、关键技术研究和演示等实验研究。大气湍流是一种非均匀的随机介质，通常可看作包含各种尺度折射率的湍涡连续分布叠加而成，但激光波阵面通过大气湍流时，与湍涡发生相互作用，产生如光波波前畸变、光束漂移、光束扩展、强度起伏、像点抖动和误码率等一系列大气湍流效应，这些效应严重制约了激光系统在各方面的实际应用。因此，激光的大气传输效应越来越受到人们的重视，而大气湍流结构常数则是表征这些激光的大气传输效应，并反映大气湍流光学特性的主要参数。因此，找到普遍适用的大气湍流结构常数的测量方法在空间激光通信技术等多项领域研究中就显得尤为重要。而现有的大气湍流结构常数的测量方法在使用范围和使用条件均会受到一定的限制，并存在诸多问题。

现有技术中，测量大气湍流结构常数的方法有很多，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；另一类是光学测量方法，如光闪烁法、到达角起伏法、光学干涉测量法以及常规气象参数估算法等。

非光学测量方法主要包括以下两种：

1.双点温度脉动法测量大气湍流结构常数(C_n²)

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，测量时，让电桥的两个测量臂电阻R₁和R₂分别位于这两个固定点，这两个点之间的距离必须远小于大气湍流的外尺度，一般间距选取为50-100cm。于是电桥输出端输出这两个点的温度差，并经过一定的程序处理，可得到大气湍流温度场的结构常数C_n²。最后，根据大气湍流结构常数C_n²和大气湍流温度场结构常数C_n²之间的关系，计算出C_n²的大小。该方法的缺点是，它只能测定电桥实验装置所在处的大气湍流结构常数C_n²的值。为获得传播路径上的大气湍流结构常数C_n²分布，则必须安装多个电桥，且需要同步处理数据。如果激光传播方向与地面有一定角度向上，实际上就不可能利用此方法来测得传播路径上的C_n²值。

2.单点温度脉动法测量大气湍流结构常数(C_n²)

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。可以知道该方法存在诸多固有的缺陷，首先温度脉动法使用的金属铂丝只有几微米的直径，容易被折断或被环境污染而造成测量困难，且其换丝困扰，使其无法长时间连续测量；其次，由于铂丝长度大于大气湍流内尺度，所以沿铂丝长度方向的可分辨湍流尺度大于湍流内尺度，因而它的空间分辨率有限；此外，铂丝与空气进行接触式热交换，它不可避免地会对空气造成一定的扰动。

光学测量方法主要包括以下几种：

1.光闪烁法