专利名称：一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及大气光学领域，具体为一种利用激光大气传播接收端探测器上探测的光强闪烁相关特性实现的光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法。
背景技术：
对作为重要气象参数之一的风速的研究具有重要意义，航空监测、天气预报和气候变化研究中，都需要具有大气风场的数据。而在激光大气湍流传输中，路径横向风速的随机起伏是制约光波大气传输的重要因素之一。由于光传播路径上横向风速的存在，使瑞流产生快速变化，横向平均风速与湍流强度决定着光波的相干特性，另外，在天文高分辨光学成像技术中，如斑点成像技术中的斑点寿命和光干涉中的条纹最大积分时间的物理本质均为大气相干时间，合理的选择曝光时间必须了解光传输路径上的横向平均风速。有时为了需要，研究者更希望能准确得到光传播路径上横向风速的廓线分布，因此，实时、准确的测量横向风速，无论是在理论研究还是工程应用上都有重要的意义。
目前，对横向平均风速的测量有多种方法，最为普遍的是将多个超声风速计布置在传输路径的不同位置，将各个风速计的测量结果求取平均从而得到横向平均风速，然而， 该方法无法实现特殊路径(例如海、湖面上空或者飞机场跑道上空等)的测量；微波雷达、 多普勒雷达通过测量到的空间三维风速，分解到光路的横向方向从而得到横向风，然而这些技术的设备造价及维护成本都比较高。总体而言，上述这些方法在测量上要么设备造价高、维护成本高，要么测量不够准确或者难以实现。发明内容
本发明的目的是提供一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法，以克服现有光传播路径横向平均风速测量技术的不足。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于包括半导体激光器、扩束镜组成的发射端，以及缩束镜、面阵CXD探测器组成的接收端，接收端和发射端之间是一段待求路径横向平均风速的自由大气，所述半导体激光器发出的激光束首先经由扩束镜被扩束后以准直平行光出射，从扩束镜出射的激光束经过一定距离的大气湍流和路径横向风场的扰动，其相位和振幅会产生随机起伏现象，包含大气湍流信息和路径横向风场信息的激光束到达缩束镜，由缩束镜会聚在面阵CCD探测器上感光成像；根据在面阵CCD在探测器动态测量范围内，其像元的灰度值与入射光强成正比的特性，将一定尺寸范围内的面阵CCD 探测器的面元像素值相累加，即形成有一定接收孔径的光强探测系统，整个面阵CCD探测器等同于可以实现光强起伏变化探测的阵列探测器，继而可以获得光强的归一化起伏方差 即闪烁指数
权利要求
1.一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于包括半导体激光器、扩束镜组成的发射端，以及缩束镜、面阵CXD探测器组成的接收端，接收端和发射端之间是一段待求路径横向平均风速的自由大气，所述半导体激光器发出的激光束首先经由扩束镜被扩束后以准直平行光出射，从扩束镜出射的激光束经过一定距离的大气湍流和路径横向风场的扰动，其相位和振幅会产生随机起伏现象，包含大气湍流信息和路径横向风场信息的激光束到达缩束镜，由缩束镜会聚在面阵CCD探测器上感光成像；根据在面阵CCD在探测器动态测量范围内，其像元的灰度值与入射光强成正比的特性，将一定尺寸范围内的面阵CCD 探测器的面元像素值相累加，即形成有一定接收孔径的光强探测系统，整个面阵CCD探测器等同于可以实现光强起伏变化探测的阵列探测器，继而可以获得光强的归一化起伏方差即闪烁指数
2.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于所述半导体激光器选择波长为635nm的连续激光器，能量约为20mw，发射角为O. lmrad。
3.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于所述扩束镜与半导体激光器之间的间距，缩束镜与面阵CCD探测器之间的间距为厘米量级，以尽量减少这两种仪器之间的空气扰动对路径横向风场平均风速测量结果带来的误差。
4.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于半导体激光器和扩束镜之间严格共轴，缩束镜和面阵CCD探测器之间也满足严格共轴，调节光路使得两轴重合或者平行，但必须满足缩束镜的入射瞳内激光光束是充满的，即要求探测到的信号是发射光束的一部分或者全部，
5.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于所述半导体激光器和扩束镜分别安装在三脚架上，利用三脚架实现光路的水平和俯仰调节。
6.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于所述扩束镜改变激光的发散角，将激光束变为准直平行光束出射。
7.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于所述缩束镜将携带大气湍流和风场信息的激光束的光束截面等比例缩小，被后面的面阵CCD探测器接收。
8.根据要求I所述的一种光传播路径横向平均风速风向测量装置，其特征在于所述面阵CCD探测器采样频率为955Hz，采样位数为8位，每个像素的灰度数值介于0-255。
9.一种基于权利要求1所述测量装置的光传播路径横向平均风速风向测量方法，其特征在于包括以下操作步骤(O实验前首先检验半导体激光器发出的激光波长和能量以及能量的稳定性；(2)打开半导体激光器电源，使半导体激光器正常工作，调节光路，使得半导体激光器和扩束镜严格共轴，缩束镜和面阵CCD探测器之间也满足严格共轴，同时缩束镜前的光束为扩束镜出射光束经大气扰动后光斑的一部分或者全部，保证采集的信号完全包含有光传播路径横向平均风速和湍流信息；(3)关闭半导体激光器电源，断开整个光路，利用笔记本电脑采集背景信号，将光路接通时采集的信号与背景信号想减，即得到用于光传播路径横向平均风速风向计算的有效信号;(4)统计分析面阵CCD探测器得到的光强信息，求得两间距为r的两孔径之间信号的自相关函数和互相关函数，得到归一化的互相关函数即互相关函数与自相关函数的比率，将其对互相关时间延迟τ求导运算，进一步得到τ=0处的导数数值f (L)，这里L即光波传播距离；(5)归一化的互相关函数在零延迟处的导数与路径横向平均风速的关系表达式满足I dzW(z)，其中=，是与测量系统配置参数
全文摘要
本发明公开了一种光传播路径横向平均风速风向测量装置及方法，测量系统包括半导体激光器、扩束镜、缩束镜，面阵CCD探测器。半导体激光发出的光束先经过扩束镜扩束为有一定横截面的平行光束入射到大气中，经过大气湍流和大气风场的扰动，产生闪烁和相位的随机起伏效应，利用接收端的面阵CCD探测器探测光束横截面上不同部位的光强闪烁，统计得到不同孔径对之间的闪烁相关特性，然后根据得到的归一化时间延迟互相关函数在τ=0处的导数与路径横向风速的关系，获得光传播路径横向平均风速风向信息。
文档编号G01P5/26GK103063869SQ201210578619
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者苑克娥, 胡顺星, 朱文越, 饶瑞中, 张世国, 曹开法, 徐之海, 邵石生, 黄见 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所