[发明专利]一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统，属于大气探测领域，方法的实现包括：向待探测区域发射OAM电磁波；接收针对待探测区域的后向散射电磁波，并识别出后向散射电磁波的波场分布函数，根据后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子；根据后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，使用复相位干扰因子以及相位因子表征大气湍流状态。本发明可以有效探测远距离大气湍流。

技术领域

本发明属于大气探测技术领域，更具体地，涉及一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统。

背景技术

自从1883年Reynolds发现湍流流动现象以来，关于湍流发生的机理、湍流的结构及湍流流动基本规律的研究一直是一百多年以来流体力学和传热学家们所关注的课题。湍流是大气在空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动，这种运动表现出一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动状态。大气湍流会导致大气的实时结构发生变化，会同时对光波、声波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用，而且大气湍流对飞行器的飞行性能、结构载荷、飞行安全的影响很大。因此，对大气湍流进行探测是十分必要的。

目前，现有技术中主要使用多普勒声雷达以及多普勒激光雷达，其中，虽然多普勒声雷达精度很高，但是声音在大气中衰减很大，导致多普勒声雷达的探测距离有限。多普勒激光雷达使用激光作为探测媒介，利用大气湍流对激光的散射以及折射信号实现湍流探测，但是，多普勒激光雷达的作用距离一般在10公里以内，因此，多普勒激光雷达作用有限。

因此，现有技术存在无法有效探测远距离大气湍流的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法及系统，由此解决现有技术存在无法有效探测远距离大气湍流的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于涡旋电磁波的大气湍流探测方法，包括：

向待探测区域发射OAM电磁波；

接收针对所述待探测区域的后向散射电磁波，并识别出所述后向散射电磁波的波场分布函数，根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子；

根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及超几何高斯波束的轨道角动量模在径向方向的概率密度分布求解出大气湍流对应的相位因子，使用所述复相位干扰因子以及所述相位因子表征大气湍流状态。

优选地，所述向待探测区域发射OAM电磁波，包括：

以三元八木天线作为阵元，将N个所述阵元等间距均匀排列在半径为λ的圆周上组成环形相控阵列，且N为大于2的整数；

由得到所述环形相控阵列上相邻两个阵元之间的相位差，其中，l是OAM产生的模态值，N是所述环形相控阵列天线的阵元数量，且

调节所述环形相控阵阵列上的各个阵元按照逆时针或者顺时针方向，间隔所述相位差馈送相同的信号。

优选地，所述根据所述后向散射电磁波的波场分布函数以及在无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数求解出大气湍流的复相位干扰因子，包括：

由得到无湍流条件下的OAM电磁波的波场分布函数；