专利名称：大气湍流折射率结构常数高度分布模式测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大气湍流折射率结构常数高度分布模式测量装置，属于空间激光通信 技术领域。
背景技术：
大气湍流折射率结构常数Cn2在光传播问题中扮演十分重要的角色，是光学中的基 本参数之一。由于大气信道的状况随时间不断变化，因此大气湍流折射率结构常数c 2是一 个随时间变化的量。近年来由于激光通信和激光制导等方面的发展迅速，要求考虑在激光水平传输路 径和斜程传输路径上大气湍流折射率结构常数的分布模式。一般而言，鉴于大气本身的复 杂性，且近地面层的湍流受到地表情况的影响强烈，大气湍流折射率结构常数的分布是非 均勻的，依赖于局部大气条件和湍流离地高度有关。因此，很难提出一种通用模型来阐明大 气湍流折射率结构常数的特性。早期研究水平传输问题时，大气湍流折射率结构常数取一 定值，而在研究斜程传输问题时，大气湍流折射率结构常数常采用负幂指数模型，或根据一 些典型高度下大气结构常数的值采用B样条插值法构造湍流大气结构常数模型，精确度很 低。测量大气湍流折射率结构常数的手段包括飞机、雷达、星光闪烁和到达角起伏以 及温度脉动探空等。但它们都有着各自的不足，微波及声雷达测量法存在的主要问题为数 据为非光波波段测量，反演得到光波波段需要配套测量水气廓线、温度廓线等相关参数，这 些参数不易测量会给数据处理带来很大困难，另外测量高度受功率限制，可移动性差；而温 度脉动仪进行廓线的测量缺点是由于气球受风的影响较大，探测的区域往往无法控制，不 能够满足测量的实时性和实空性的要求。目前国内外许多学者提出了大气湍流折射率结构 常数高度分布模式，而这些模式中有些是在大量观测数据基础上总结出的经验模式，基本 上是一个统计平均的结果，由于观测手段与代价的限制，特别是对离地数百米以上的大气 湍流折射率结构常数分布模式至今仍未充分了解。光束在大气中传输时，受大气湍流折射率起伏的影响而产生闪烁、漂移等湍流效 应，这些传播效应可以用于测量大气湍流折射率结构常数。因此，研制采用激光大气传输的 方法来测量大气湍流折射率结构常数随高度分布变化有着重要的意义和具有广阔的应用 前景。

发明内容
为了实现实时测量在一定高度上沿水平路径和斜程路径的大气湍流折射率结构 常数的分布模式，本发明提出了一种大气湍流折射率结构常数高度分布模式测量装置。该装置由第一系留气球⑴、第二系留气球(2)、第三系留气球⑶、第一吊舱⑷、 第二吊舱(5)、第三吊舱(6)、第一激光发射系统(7)、第二激光发射系统(8)、第一光接收 机(9)、第二光接收机(10)、第一 GPS/INS定位导航系统(11)、第二 GPS/INS定位导航系统(12)、第三GPS/INS定位导航系统(13)、地面控制系统(14)、第一缆绳(15)、第二缆绳 (16)、第三缆绳(17)、第四缆绳(18)、第五缆绳(19)、第六缆绳(20)、第一数据线(21)、第二 数据线(22)、第三数据线(23)组成；其中第一激光发射系统(7)、第二激光发射系统(8)和 第一 GPS/INS定位导航系统(11)安装在第一吊舱(4)上；第一光接收机(9)和第二 GPS/ INS定位导航系统(12)安装在第二吊舱(5)上；第二光接收机(10)和第三GPS/INS定位 导航系统(13)安装在第三吊舱(6)上；第一缆绳(15)、第二缆绳(16)和第三缆绳(17)的 长度相同；所述的第一系留气球(1)、第二系留气球(2)、第三系留气球(3)通过第一缆绳 (15)、第二缆绳(16)、第三缆绳(17)分别与第一吊舱(4)、第二吊舱(5)、第三吊舱(6)相连 接；所述的第一吊舱(4)通过第四缆绳(18)和第一数据线(21)与地面控制系统(14) 相连接；第二吊舱(5)通过第六缆绳(19)和第三数据线(22)与地面控制系统(14)相连 接；第三吊舱(6)通过第五缆绳(20)和第二数据线(23)与地面控制系统(14)相连接；所述的地面控制系统(14)通过收回或释放第四缆绳(18)和第一数据线(21)来 控制第一吊舱(4)的高度并通过第一数据线(21)来接收第一吊舱(4)的数据，通过收回或 释放第五缆绳(19)和第二数据线(22)来控制第二吊舱(5)的高度并通过第二数据线(22) 来接收第二吊舱(5)的数据，通过收回或释放第六缆绳(20)和第三数据线(23)来控制第 三吊舱(6)的高度并通过第三数据线(23)来接收第三吊舱(6)的数据；装置工作过程如下步骤1、通过地面控制系统(14)控制第一吊舱⑷、第二吊舱(5)和第三吊舱(6) 升空到预定高度；其中第一吊舱(4)和第二吊舱(5)的水平高度相同；第三吊舱(6)与第一 吊舱(4)的水平高度不同；步骤2、第一吊舱(4)通过第一 GPS/INS定位导航系统(11)确定自身的位置和姿 态，并将自身的位置和姿态传送给第二吊舱(5)和第三吊舱(6)；第二吊舱(5)和第三吊舱 (6)分别通过第二 GPS/INS定位导航系统(12)和第三GPS/INS定位导航系统(13)确定自 身的位置和姿态，并将自身的位置和姿态传送给第一吊舱(4)；第一吊舱(4)的第一激光发 射系统(7)和第二激光发射系统(8)分别向第二吊舱(5)的第一光接收机(9)和第三吊舱 (6)的第二光接收机(10)发射信标光，当通信过程粗跟踪稳定后，第一吊舱⑷的第一激光 发射系统(7)和第二激光发射系统(8)分别向第二吊舱(5)的第一光接收机(9)和第三吊 舱(6)的第二光接收机(10)发射精信标光；步骤3、第一吊舱(4)将自身位置、姿态以及第一激光发射系统(7)和第二激光发 射系统(8)所发射的激光信号通过第一数据线(21)传送到地面控制系统(14)；第二吊舱 (5)将自身位置、姿态以及第一光接收机(9)所接收到的激光信号通过第二数据线(22)传 送到地面控制系统(14)；第三吊舱(6)将自身位置、姿态以及第二光接收机(10)所接收到 的激光信号通过第三数据线(23)传送到地面控制系统(14)；步骤4、地面控制系统(14)通过所接收到的第一吊舱⑷和第二吊舱(5)的数据 计算出在预定高度的水平路径的大气湍流折射率结构常数；地面控制系统(14)通过所接 收到的第一吊舱(4)和第三吊舱(6)的数据计算出在预定高度的斜程路径的大气湍流折射 率结构常数；具体过程是
地面控制系统(14)接收第一光接收机(9)和第二光接收机(10)传送的数据；地面控制系统(14)逐帧调出图像数据，计算出每幅图像的光强总能量值、闪烁方 差、平均光强及质心等参数后，计算得到水平路径和斜程路径大气湍流折射率结构常数Cfl2 的值；(I)计算斜程路径的大气湍流折射率结构常数D. L. Fried在研究波前相位的结构函数时定义的大气相干长度可以表示为折射 率结构常数C 2在传输路径上的积分，对球面波，有
权利要求
大气湍流折射率结构常数高度分布模式测量装置，其特征在于，该装置由第一系留气球(1)、第二系留气球(2)、第三系留气球(3)、第一吊舱(4)、第二吊舱(5)、第三吊舱(6)、第一激光发射系统(7)、第二激光发射系统(8)、第一光接收机(9)、第二光接收机(10)、第一GPS/INS定位导航系统(11)、第二GPS/INS定位导航系统(12)、第三GPS/INS定位导航系统(13)、地面控制系统(14)、第一缆绳(15)、第二缆绳(16)、第三缆绳(17)、第四缆绳(18)、第五缆绳(19)、第六缆绳(20)、第一数据线(21)、第二数据线(22)、第三数据线(23)组成；其中第一激光发射系统(7)、第二激光发射系统(8)和第一GPS/INS定位导航系统(11)安装在第一吊舱(4)上；第一光接收机(9)和第二GPS/INS定位导航系统(12)安装在第二吊舱(5)上；第二光接收机(10)和第三GPS/INS定位导航系统(13)安装在第三吊舱(6)上；第一缆绳(15)、第二缆绳(16)和第三缆绳(17)的长度相同；所述的第一系留气球(1)、第二系留气球(2)、第三系留气球(3)通过第一缆绳(15)、第二缆绳(16)、第三缆绳(17)分别与第一吊舱(4)、第二吊舱(5)、第三吊舱(6)相连接；所述的第一吊舱(4)通过第四缆绳(18)和第一数据线(21)与地面控制系统(14)相连接；第二吊舱(5)通过第六缆绳(19)和第三数据线(22)与地面控制系统(14)相连接；第三吊舱(6)通过第五缆绳(20)和第二数据线(23)与地面控制系统(14)相连接；所述的地面控制系统(14)通过收回或释放第四缆绳(18)和第一数据线(21)来控制第一吊舱(4)的高度并通过第一数据线(21)来接收第一吊舱(4)的数据，通过收回或释放第五缆绳(19)和第二数据线(22)来控制第二吊舱(5)的高度并通过第二数据线(22)来接收第二吊舱(5)的数据，通过收回或释放第六缆绳(20)和第三数据线(23)来控制第三吊舱(6)的高度并通过第三数据线(23)来接收第三吊舱(6)的数据；装置工作过程如下步骤1、通过地面控制系统(14)控制第一吊舱(4)、第二吊舱(5)和第三吊舱(6)升空到预定高度；其中第一吊舱(4)和第二吊舱(5)的水平高度相同；第三吊舱(6)与第一吊舱(4)的水平高度不同；步骤2、第一吊舱(4)通过第一GPS/INS定位导航系统(11)确定自身的位置和姿态，并将自身的位置和姿态传送给第二吊舱(5)和第三吊舱(6)；第二吊舱(5)和第三吊舱(6)分别通过第二GPS/INS定位导航系统(12)和第三GPS/INS定位导航系统(13)确定自身的位置和姿态，并将自身的位置和姿态传送给第一吊舱(4)；第一吊舱(4)的第一激光发射系统(7)和第二激光发射系统(8)分别向第二吊舱(5)的第一光接收机(9)和第三吊舱(6)的第二光接收机(10)发射信标光，当通信过程粗跟踪稳定后，第一吊舱(4)的第一激光发射系统(7)和第二激光发射系统(8)分别向第二吊舱(5)的第一光接收机(9)和第三吊舱(6)的第二光接收机(10)发射精信标光；步骤3、第一吊舱(4)将自身位置、姿态以及第一激光发射系统(7)和第二激光发射系统(8)所发射的激光信号通过第一数据线(21)传送到地面控制系统(14)；第二吊舱(5)将自身位置、姿态以及第一光接收机(9)所接收到的激光信号通过第二数据线(22)传送到地面控制系统(14)；第三吊舱(6)将自身位置、姿态以及第二光接收机(10)所接收到的激光信号通过第三数据线(23)传送到地面控制系统(14)；步骤4、地面控制系统(14)通过所接收到的第一吊舱(4)和第二吊舱(5)的数据计算出在预定高度的水平路径的大气湍流折射率结构常数；地面控制系统(14)通过所接收到的第一吊舱(4)和第三吊舱(6)的数据计算出在预定高度的斜程路径的大气湍流折射率结构常数；步骤5、根据需要改变第一吊舱(4)、第二吊舱(5)和第三吊舱(6)的高度，重复执行步骤1到步骤4，就能够测量计算出在不同高度上沿水平路径和斜程路径的大气湍流折射率结构常数。
全文摘要
本发明提出大气湍流折射率结构常数高度分布模式测量装置，属于空间激光通信技术领域。该测量装置采用三个浮空系留气球作为通信平台，在不同海拔高度上，利用激光信号通过大气信道传输后的变化来实时测量沿水平路径和斜程路径的大气湍流折射率结构常数的分布模式。本发明装置结构简单，操作方便，便于推广应用。
文档编号G01N21/41GK101957317SQ20101026968
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者佟首峰, 姜会林, 娄岩, 陈纯毅 申请人:长春理工大学