[发明专利]光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角相关系数测量方法

摘要

本发明公开一种光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角的相关系数测量方法，其特征在于：使用对流式大气湍流模拟装置在室内模拟大气湍流，光束传输经过室内模拟的大气湍流，产生光束漂移和到达角变化。首先分别测量沿相同光轴反向传输的两束激光的光到达角和光束漂移角，并把测量结果保存到计算机文件中；然后，根据保存在计算机文件中的测量结果，利用统计分析方法得出光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角的相关系数。

主权项

1.光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角相关系数测量方法，其特征在于：第一激光器发出的激光A001经过第一透镜和第二透镜后入射到第一分光器上，从第一分光器透射过去的激光A001从对流式大气湍流模拟装置的第一玻璃窗口进入模拟的大气湍流中传输，并从对流式大气湍流模拟装置的第二玻璃窗口透射出去，从第二玻璃窗口透射出去的激光A001入射到第二分光器上，被第二分光器反射的激光A001入射到矩形漫反射屏上；用数字相机连续拍摄矩形漫反射屏上的光斑，数字相机连续拍摄得到的光斑图像序列被传送给第二计算机系统；第二激光器发出的激光A002经过第三透镜和第四透镜后入射到第二分光器上，从第二分光器透射过去的激光A002从对流式大气湍流模拟装置的第二玻璃窗口进入模拟的大气湍流中传输，并从对流式大气湍流模拟装置的第一玻璃窗口透射出去，从第一玻璃窗口透射出去的激光A002入射到第一分光器上，被第一分光器反射的激光A002入射到第五透镜上，经第五透镜聚焦后的激光A002入射到CCD探测器上，CCD探测器探测到的光斑图像被传送给第一计算机系统；CCD探测器到第五透镜的距离为第五透镜的焦距长度；对流式大气湍流模拟装置为封闭的四方形铁桶，正常工作时在铁桶内产生大气湍流；1)确定在不存在模拟的大气湍流的情况下，CCD探测器探测到的光斑的质心，具体方法如下：步骤Step101：使对流式大气湍流模拟装置不工作，在对流式大气湍流模拟装置的铁桶内的空气为平静的大气；使第二激光器正常工作并发射激光A002；使CCD探测器和第一计算机系统正常工作；步骤Step102：把CCD探测器探测到的一帧光斑图像B001传送到第一计算机系统中，并把光斑图像B001的像素灰度矩阵保存在第一计算机系统的内存中的二维数组I_ccd中，数组I_ccd的行数等于光斑图像B001的像素灰度矩阵的行数，数组I_ccd的列数等于光斑图像B001的像素灰度矩阵的列数；步骤Step103：计算其中I_ccd(i₁,j₁)表示数组I_ccd的第i₁行、第j₁列元素的值，N_r1表示数组I_ccd的行数，N_c1表示数组I_ccd的列数；i_rz1和j_cz1是CCD探测器探测到的光斑的质心对应的行位置和列位置；2)调节和标定数字相机，具体方法如下：步骤Step201：使对流式大气湍流模拟装置不工作，在对流式大气湍流模拟装置的铁桶内的空气为平静的大气；使第一激光器正常工作并发射激光A001；使数字相机和第二计算机系统正常工作；调节矩形漫反射屏的位置，使入射到矩形漫反射屏上的激光A001的光斑位于矩形漫反射屏的中心部分；步骤Step202：使第一激光器不工作，用白光照射整个矩形漫反射屏；步骤Step203：在矩形漫反射屏上添加四个黑色的标记点，第一个标记点为P₁，第二个标记点为P₂，第三个标记点为P₃，第四个标记点为P₄，标记点P₁、P₂、P₃、P₄位于矩形漫反射屏的中心部分并间隔一定距离，P₁和P₂的连线垂直于P₃和P₄的连线，P₁和P₂的连线平行于矩形漫反射屏的一条矩形边EV1，P₃和P₄的连线平行于矩形漫反射屏的另一条矩形边EH1，矩形边EV1垂直于矩形边EH1；调节数字相机，使连接P₁和P₂的线段在数字相机拍摄到的图像中仅穿过同一行像素，使连接P₃和P₄的线段在数字相机拍摄到的图像中仅穿过同一列像素；步骤Step204：计算连接P₁和P₂的线段在数字相机拍摄到的图像中穿过的像素个数N_P12，计算连接P₃和P₄的线段在数字相机拍摄到的图像中穿过的像素个数N_P34；测量矩形漫反射屏上的连接P₁和P₂的线段的长度L₁₂，测量矩形漫反射屏上的连接P₃和P₄的线段的长度L₃₄；步骤Step205：从矩形漫反射屏上移除标记点P₁、P₂、P₃、P₄；3)确定在不存在模拟的大气湍流的情况下，数字相机拍摄到的矩形漫反射屏上的光斑的质心，具体方法如下：步骤Step301：使对流式大气湍流模拟装置不工作，在对流式大气湍流模拟装置的铁桶内的空气为平静的大气；使第一激光器正常工作并发射激光A001；使数字相机和第二计算机系统正常工作；步骤Step302：把数字相机拍摄到的一帧光斑图像B002传送到第二计算机系统中，并把光斑图像B002的像素灰度矩阵保存在第二计算机系统的内存中的二维数组I_cam中，数组I_cam的行数等于光斑图像B002的像素灰度矩阵的行数，数组I_cam的列数等于光斑图像B002的像素灰度矩阵的列数；步骤Step303：计算其中I_cam(i₂,j₂)表示数组I_cam的第i₂行、第j₂列元素的值，N_r2表示数组I_cam的行数，N_c2表示数组I_cam的列数；i_rz2和j_cz2是数字相机拍摄到的光斑图像B002的光斑的质心对应的行位置和列位置；4)同时测量入射到CCD探测器上的激光A002的到达角和入射到矩形漫反射屏上的激光A001的光束漂移角，具体方法如下：步骤Step401：使对流式大气湍流模拟装置正常工作，使第一激光器正常工作并发射激光A001；使第二激光器正常工作并发射激光A002；使CCD探测器和第一计算机系统正常工作；使数字相机和第二计算机系统正常工作；在第一计算机系统中创建一个新磁盘文件FILE1，在第二计算机系统中创建一个新磁盘文件FILE2；步骤Step402：对CCD探测器探测到的每帧光斑图像B001，执行如下操作：步骤Step402‑1：把光斑图像B001传送到第一计算机系统中，并把光斑图像B001的像素灰度矩阵保存在第一计算机系统的内存中的二维数组I_ccd中，数组I_ccd的行数等于光斑图像B001的像素灰度矩阵的行数，数组I_ccd的列数等于光斑图像B001的像素灰度矩阵的列数；步骤Step402‑2：计算其中I_ccd(i₁,j₁)表示数组I_ccd的第i₁行、第j₁列元素的值，N_r1表示数组I_ccd的行数，N_c1表示数组I_ccd的列数；步骤Step402‑3：令把β₁＝arctan(d_w/f₅)的值添加到磁盘文件FILE1的末尾，β₁表示光到达角，f₅表示第五透镜的焦距长度，Δ_h1为CCD探测器的像素高度，Δ_w1为CCD探测器的像素宽度；针对光斑图像B001的操作结束；步骤Step403：对数字相机拍摄到的每帧光斑图像B002，执行如下操作：步骤Step403‑1：把光斑图像B002传送到第二计算机系统中，并把光斑图像B002的像素灰度矩阵保存在第二计算机系统的内存中的二维数组I_cam中，数组I_cam的行数等于光斑图像B002的像素灰度矩阵的行数，数组I_cam的列数等于光斑图像B002的像素灰度矩阵的列数；步骤Step403‑2：计算其中I_cam(i₂,j₂)表示数组I_cam的第i₂行、第j₂列元素的值，N_r2表示数组I_cam的行数，N_c2表示数组I_cam的列数；步骤Step403‑3：令Δ_h2＝L₃₄/N_P34，Δ_w2＝L₁₂/N_P12，把β₂＝arctan(D_w/F)的值添加到磁盘文件FILE2的末尾，β₂表示光束漂移角，F＝d_a+d_b+d_c，d_a表示从第一玻璃窗口到第二玻璃窗口的光轴距离，d_b表示从第二玻璃窗口到第二分光器的光轴距离，d_c表示从第二分光器到矩形漫反射屏的光轴距离；针对光斑图像B002的操作结束；5)在第4)部分的测量操作执行结束后，把文件FILE2拷贝到第一计算机系统中，计算入射到CCD探测器上的激光A002的到达角和入射到矩形漫反射屏上的激光A001的光束漂移角的相关系数，具体方法如下：步骤Step501：把保存在文件FILE1中的所有光到达角β₁的值和保存在文件FILE2中的所有光束漂移角β₂的值加载到第一计算机系统的内存中；在第一计算机系统的内存中创建一个一维数组A_aoa来存储从文件FILE1中加载的所有光到达角β₁的值，创建一个一维数组A_bw来存储从文件FILE2中加载的所有光束漂移角β₂的值；把保存在文件FILE1中的第m个β₁的值保存在A_aoa[m]中，A_aoa[m]表示数组A_aoa的第m个元素，m＝1,2,3,…,Num1，Num1表示保存在文件FILE1中的β₁的个数；把保存在文件FILE2中的第m个β₂的值保存在A_bw[m]中，A_bw[m]表示数组A_bw的第m个元素，m＝1,2,3,…,Num2，Num2表示保存在文件FILE2中的β₂的个数；Num1与Num2相等；步骤Step502：入射到CCD探测器上的激光A002的到达角和入射到矩形漫反射屏上的激光A001的光束漂移角的相关系数为：其中Num＝Num1＝Num2；第4)部分的测量操作连续执行T_m分钟后结束，即CCD探测器连续探测T_m分钟，数字相机连续拍摄T_m分钟；分别利用第一计算机系统和第二计算机系统，步骤Step402和步骤Step403同时开始执行，CCD探测器探测连续两帧光斑图像B001的时间间隔等于数字相机拍摄连续两帧光斑图像B002的时间间隔；保存在文件FILE1中的β₁的个数等于保存在文件FILE2中的β₂的个数。