[发明专利]高空大气密度在线探测及计算方法

摘要

本发明公开了一种高空大气密度在线探测及计算方法，以连续激光为发射光源，利用摄像机接收来自大气的激光回波信号，通过对激光回波图像进行分析处理，得到大气密度信息。本发明采用的设备轻巧、具有高时空分辨率,并具有快速探测、可昼夜连续运行、自动化程度高、无盲区和易于移动等优点可用于大多数军用、民用飞行器对大气密度的测量。

主权项

高空大气密度在线探测及计算方法，其特征在于，以连续激光为发射光源，利用摄像机接收来自大气的激光回波信号，通过对激光回波图像进行分析处理，得到大气密度信息；具体包括以下步骤：(1)采用二极管泵浦连续激光器发射激光，激光器的前方光路上设置分光镜，分光镜的反射光路上设置功率监测仪，激光器、功率监测仪与计算机连接；(2)激光器输出的激光束，一部分激光束透过分光镜射向大气中，一部分激光束镜反光镜反射后进入功率监测仪；(3)射向大气中的激光束，受到大气中大气分子的作用，产生瑞利散射，瑞利散射的一部分散射光，被光学接收部分收集，光学接收部分包括有滤光片、CCD摄像机，CCD摄像机通过A/D转换器与计算机连接；(4)通过CCD摄像机采集激光回波图像，每幅图像曝光时间一定，激光回波图像由几列光点和背景组成，几列长条光点由密到疏对应高度分布，计算机对采集得到的激光回波图像进行图像处理、平均和去噪，再进行计算分析，反演得出大气密度；(5)数据反演方程可表示为：Er＝KElATatmzTatmRn(z)σRaydθ/D    (1)其中，Er为发射距离z处视场角dθ内单位象素接收能量，在光斑图像区域内假设dθ不变；σRay为所用波长的瑞利分子后项散射截面；D为CCD与激光器的距离；EL曝光时间内激光脉冲总能量；A为接收有效孔径面积；dθ为光斑图像单位角度对应距离分辨率；K是设备定标常数，取决于系统光学效率；n(z)为距离z处大气分子数密度；Tatmz为从激光器到z处的大气透过率；TatmR为测量点到CCD摄像机间的大气透过率；大气密度与大气分子数密度n有如下关系：ρ(z)＝n(z)k/R    (2)ρ(z)为z高度上的大气密度；k为波尔兹曼常数,R气体常数；(6)最后，根据公式(1)和(2)计算得到大气密度。