[发明专利]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

说明书

本发明属于空间激光通信技术领域，提出了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，包括激光发生器，光学发射仪，光学接收屏，陡峭度参数数据处理器；测量方法是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，发射出的准直光束通过大气湍流后被光学接收屏接收，然后根据光束在大气湍流传输时陡峭度参数的变化规律，利用陡峭度参数数据处理器获得陡峭度参数，进而反演计算出大气湍流广义指数参数。本发明所提供的测量方法与传统测量大气湍流参数的方法不同，实现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，效率高，且成本更低。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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]。

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。