[发明专利]大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法

摘要

本发明公开一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法。本方法把传输路径分成三段，即靠近收发端机A的一段、中间一段以及靠近收发端机B的一段，并用三个离散的随机相位屏来近似描述连续大气湍流。本方法通过测量双向传输信道的光波光强起伏和到达角起伏来获得各个随机相位屏的有效折射率结构常数，以此描述大气湍流折射率结构常数沿传输路径的大体变化特征，从而为光波大气传输工程系统设计提供参考。

主权项

1.一种大气湍流折射率结构常数路径廓线近似测量方法，其特征在于：首先使用双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统来测量两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差；然后，根据两个传输方向上的光强起伏方差与到达角起伏方差计算位于z＝L/6、z＝L/2、z＝5L/6处的三个随机相位屏的有效折射率结构常数，其中z轴与传输路径重合，L为传输路径长度；双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机A位于z＝0处，双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统的收发端机B位于z＝L处；位于z＝L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P1，位于z＝L/2处的随机相位屏被称为随机相位屏P2，位于z＝5L/6处的随机相位屏被称为随机相位屏P3；随机相位屏P1、随机相位屏P2、随机相位屏P3的有效折射率结构常数近似描述了大气湍流折射率结构常数沿传输路径的总体变化特征；双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统由收发端机A和收发端机B组成；收发端机A包括第一激光器、第一单模光纤、第一透镜、第一分光器、第二透镜、第一CCD探测器、第一计算机；收发端机B包括第二激光器、第二单模光纤、第三透镜、第二分光器、第四透镜、第二CCD探测器、第二计算机；第一激光器发出的光信号A001先进入第一单模光纤再经过第一透镜和第一分光器发射到大气湍流信道中，光信号A001传输到达收发端机B后经第二分光器和第四透镜入射到第二CCD探测器上；第二激光器发出的光信号A002先进入第二单模光纤再经过第三透镜和第二分光器发射到大气湍流信道中，光信号A002传输到达收发端机A后经第一分光器和第二透镜入射到第一CCD探测器上；第一CCD探测器输出的图像由第一计算机采集和处理，第二CCD探测器输出的图像由第二计算机采集和处理；第一CCD探测器位于第二透镜的焦点位置，第二CCD探测器位于第四透镜的焦点位置，第一单模光纤的出射端位于第一透镜的焦点位置，第二单模光纤的出射端位于第三透镜的焦点位置；光波经过第一分光器到达第二透镜再透过第二透镜时的有效通光直径等于光波经过第二分光器到达第四透镜再透过第四透镜时的有效通光直径，即收发端机A的等效圆形接收孔径直径等于收发端机B的等效圆形接收孔径直径；所述的测量方法具体步骤如下：步骤101：使双向光波大气湍流传输的光强起伏方差与到达角起伏方差测量系统正常工作；步骤102：用第一计算机采集第一CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算每帧光斑图像的质心位置B001与像素灰度值总和B002，把质心位置B001保存到磁盘文件CRLAOA中，把灰度值总和B002保存到磁盘文件CRLSCI中；与此同时，用第二计算机采集第二CCD探测器输出的连续N帧光斑图像，计算每帧光斑图像的质心位置B003，把质心位置B003保存到磁盘文件CRRAOA中；步骤103：针对磁盘文件CRLAOA中保存的所有质心位置B001数据，每个质心位置B001数据由x方向的质心位置数据和y方向的质心位置数据组成，利用统计方法根据所有质心位置B001数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差从z＝L传到z＝0的光波的到达角起伏方差f₂为第二透镜的焦长；步骤104：针对磁盘文件CRRAOA中保存的所有质心位置B003数据，每个质心位置B003数据由x方向的质心位置数据和y方向的质心位置数据组成，利用统计方法根据所有质心位置B003数据计算x方向的质心位置方差和y方向的质心位置方差从z＝0传到z＝L的光波的到达角起伏方差f₄为第四透镜的焦长；步骤105：计算磁盘文件CRLSCI中保存的所有灰度值总和B002数据的均值和方差令令其中D表示收发端机A的等效圆形接收孔径直径，k表示光波波数，k＝4π/(λ1+λ2)，λ1为第一激光器的波长，λ2为第二激光器的波长；步骤106：根据如下公式计算随机相位屏P1、随机相位屏P2、随机相位屏P3的有效折射率结构常数其中步骤107：记录随机相位屏P1、随机相位屏P2、随机相位屏P3的有效折射率结构常数为了使传输的光波能被近似为球面波，要求w0,A<[L/(10k)]1/2且w0,B<[L/(10k)]1/2，其中w0,A和w0,B分别为第一透镜和第三透镜的出射光束的半径。