專利名稱：一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于大氣湍流內(nèi)尺度測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置。
背景技術(shù)：
在湍流大氣光學研究中，大氣湍流內(nèi)尺度Itl是表征大氣湍流特性的一個基本參數(shù)，在激光大氣傳輸?shù)男芯恐衅鹬浅Ｖ匾淖饔?，同時在分析大氣湍流特性及建模 時，它是必須給出的參數(shù)。國內(nèi)外在大氣湍流內(nèi)尺度Itl的測量技術(shù)研究方面開展了很多的工作，根據(jù)采用技術(shù)的不同，主要為基于光強閃爍的測量。其基本原理是利用激光的大氣傳輸理論，激光束在大氣傳輸過程中，由于湍流的影響，將引起激光束強度和相位的起伏，同時湍流的特性也將包含于這些統(tǒng)計信息之中，因此通過測量這些光學相關(guān)量便可推得湍流的內(nèi)尺度Itl的值。德國等國家從上世紀七十年代起基于對激光大氣傳輸問題進行研究的成果，至今已發(fā)展了一系列的大氣湍流參數(shù)的光學測量方法，在方法的可靠性和成熟度上不斷得到提升，如德國Scintec公司、荷蘭Kipp & zonen公司生產(chǎn)的小口徑閃爍儀等均可直接測量大氣湍流內(nèi)尺度Ιο。在國內(nèi)，中科院安徽光機所也開展了一些大氣湍流參數(shù)測量方面的研究工作，取得了一些成果，馬曉珊、朱文越、饒瑞中研制的大口徑激光閃爍儀主要用來測量大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)，如果配備兩套發(fā)射或接受裝置，還可以測量大氣湍流內(nèi)尺度或是橫向風速的值。

實用新型內(nèi)容本實用新型解決的問題在于提供一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，該裝置采用氦氖激光器作為發(fā)射光源、用位置敏感探測器進行測量，其計算精度高，不確定度小。本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)—種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，包括激光發(fā)射單元，包括激光發(fā)射器和擴束裝置；激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元，包括接收窗口，接收窗口后設(shè)有小孔成像裝置，小孔成像裝置后設(shè)有反射鏡，反射鏡將成像反射至位置敏感探測器；數(shù)據(jù)采集單元，采集位置敏感探測器成像的信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸出；數(shù)據(jù)處理與分析單元，接收數(shù)據(jù)采集單元傳輸?shù)男盘?，計算得到大氣湍流?nèi)尺度值。所述的激光發(fā)射單元的激光發(fā)射器為氦氖激光發(fā)射器。所述的激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元中的小孔成像裝置為小孔光闌，接收窗口與小孔光闌之間設(shè)置有與小孔光闌同光軸放置的衰減片，小孔光闌之后設(shè)有一組反射鏡，在反射鏡的反射光路上設(shè)有位置敏感探測器，位置敏感探測器的下方設(shè)有標尺。[0014]所述的激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元在小孔光闌與反射鏡之間設(shè)有濾光片。所述的一組反射鏡包括兩個相對放置的反射鏡，其由小孔光闌發(fā)出的入射光的光路平行與反射至位置敏感探測器的出射光的光路。所述的數(shù)據(jù)采集單元包括A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至數(shù)據(jù)采集卡，并輸出至數(shù)據(jù)處理與分析單元。所述的激光發(fā)射單元與激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元同光軸對面放置。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益的技術(shù)效果本實用新型提供的測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置及方法，接受通過穿過大氣湍流的激光后，經(jīng)過小孔成像、鏡反射這樣的光路設(shè)置檢測獲得其到達角起伏〈α 2>和光強閃爍指數(shù)σ /數(shù)據(jù)，再通過這兩個參數(shù)計算大氣湍流內(nèi)尺度Itl，其裝置簡單，計算簡潔且計算精度高，不確定度?。欢F(xiàn)有的測量大氣湍流內(nèi)尺度的儀器普遍使用光強閃爍效應來反演推算大氣湍流內(nèi)尺度的值，其精度會受到影響，且測量不確定度較大。本實用新型提供的測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，激光束經(jīng)大氣湍流傳輸至接收窗口后，經(jīng)衰減片衰減一次，能量已大為降低，這就避免了損壞位置敏感探測器的可能；畸變的波面通過小孔光闌后，經(jīng)過反射鏡進行反射成像在位置敏感探測器的光敏面上，而濾光片可以降低雜散光對測量值的影響，從而提高性噪比，兩個反射鏡片的作用在于增加光程的基礎(chǔ)上縮小體積。使用現(xiàn)有的測量大氣湍流內(nèi)尺度的儀器大多只用光電倍增管(PMT)測量光強的起伏，沒有考慮波面相位的影響；若利用CCD相機測量光斑質(zhì)心的隨機變化，則需要大量讀取圖像灰度值，必然會影響計算速度。而本實用新型中只使用的位置敏感探測器可直接同時給出位置信號及相對光強信號，而且采樣速率高，節(jié)約了內(nèi)存，同時降低了對計算機的要求。

圖I為本實用新型的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為激光發(fā)射單元，11為氦氖激光器，12為擴束裝置；2為激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元，21為衰減片,22為小孔光闌,23為濾光片,24、25為反射鏡，26為標尺，27為位置敏感探測器；3為數(shù)據(jù)采集單元，31為A/D轉(zhuǎn)換器，32為數(shù)據(jù)采集卡；4為數(shù)據(jù)處理與分析單元，41為計算機；圖2為本實用新型的裝置在檢測時的流程示意圖；圖3是在不同風速不同溫度條件下所檢測到的大氣湍流內(nèi)尺度變化結(jié)果圖。
具體實施方式
本實用新型提供一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置及測量方法，模擬平面波經(jīng)局地均勻各向同性大氣湍流傳輸?shù)膸缀谓茥l件，發(fā)射激光后針孔光闌選取畸變的波面成像在位置敏感探測器上，其位置坐標信號及相對光強信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)采集處理和分析，得到大氣湍流內(nèi)尺度的值。下面結(jié)合具體的實施例和附圖對本實用新型做進一步的詳細說明，所述是對本實用新型的解釋而不是限定。[0030]本實用新型提供一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置及測量方法，模擬平面波經(jīng)局地均勻各向同性大氣湍流傳輸?shù)膸缀谓茥l件，發(fā)射激光后針孔光闌選取畸變的波面成像在位置敏感探測器上，其位置坐標信號及相對光強信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)采集處理和分析，得到大氣湍流內(nèi)尺度的值。下面結(jié)合具體的實施例和附圖對本實用新型做進一步的詳細說明， 所述是對本實用新型的解釋而不是限定。參見圖1，本實用新型提供的測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，包括激光發(fā)射單元I、激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元2、數(shù)據(jù)采集單元3、數(shù)據(jù)處理與分析單元4，其中激光發(fā)射單元，發(fā)射出穿過大氣湍流的激光；激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元，接收穿過大氣湍流的激光，并將接收的激光中的畸變的波面通過小孔裝置成像(激光經(jīng)過大氣湍流傳輸后，因為大氣湍流的影響，激光束的波面即產(chǎn)生畸變)，再通過反射鏡反射至位置敏感探測器；位置敏感探測器進行光電轉(zhuǎn)換，得到光敏面上光斑的相對光強信號、位置信號的模擬信號(共3路信號光強信號、X、y兩個方向的位置信號)，并將模擬信號輸出至數(shù)據(jù)米集單兀；數(shù)據(jù)采集單元包括轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡，轉(zhuǎn)換器將模擬信號(3路)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡輸出至數(shù)據(jù)處理與分析單元；數(shù)據(jù)處理與分析單元，分析經(jīng)大氣湍流傳輸后光束的到達角起伏以及光強閃爍通過運算得到光傳輸路徑上的大氣湍流內(nèi)尺度值。具體的激光發(fā)射單元I包括氦氖激光發(fā)射器11和擴束裝置12，氦氖激光發(fā)射器11輸出的中心波長為632. 8nm,輸出功率30mW，光束直徑O. 65mm,具有體積小、重量輕，便于集成的優(yōu)點，所配置的擴束裝置12擴束倍數(shù)為10，經(jīng)該擴束裝置擴束后的光束可視為平面波。激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元2包括同光軸放置的衰減片21、小孔光闌22，小孔光闌22之后設(shè)有一組反射鏡24、25，在反射鏡的反射光路上設(shè)有位置敏感探測器27，位置敏感探測器27的下方設(shè)有標尺26 ；進一步，在小孔光闌22與反射鏡24、25之間設(shè)有濾光片23 ;這樣激光束經(jīng)大氣湍流傳輸至接收窗口后，經(jīng)衰減片21 (中性衰減片)衰減一次，能量已大為降低，這就避免了損壞位置敏感探測器27的可能；畸變的波面通過小孔光闌22后，經(jīng)過反射鏡24、25進行反射兩個相對放置的反射鏡24、25，其由小孔光闌發(fā)出的入射光的光路平行與反射至位置敏感探測器的出射光的光路；然后成像在位置敏感探測器的光敏面上，而濾光片23 (窄帶干涉)可以降低雜散光對測量值的影響，從而提高性噪比，兩個反射鏡片的作用在于增加光程的基礎(chǔ)上縮小體積。小孔光闌至位置敏感探測器的距離d =屯+屯，小孔光闌至位置敏感探測器的光路距離為屯，由標尺讀出Cltl ;其中為了便于計算，當小孔光闌至位置敏感探測器的距離為I. Om時，將Clci的值設(shè)置為O. Om,沿光傳輸?shù)姆较?Itl為正值,迎著光傳輸?shù)姆较驗樨撝?。小孔光闌至位置敏感探測器的光路距離為小孔光闌至反射鏡24的光路距離+反射鏡24至反射鏡25的距離d2+反射鏡25的距離至位置敏感探測器27的距離d3 ;為便于計算，前三項距離和可設(shè)計為I. Om,即小孔光闌至位置敏感探測器的距離d = I. 0m±dQ ；[0044]數(shù)據(jù)采集單元3包括A/D轉(zhuǎn)換器31和數(shù)據(jù)采集卡32，A/D轉(zhuǎn)換器31將模擬信號(2路位置坐標信號x、y及I路相對光強信號，共計3路模擬信號)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至數(shù)據(jù)采集卡，并輸出至數(shù)據(jù)處理與分析單元4 ；數(shù)據(jù)處理與分析單元4的運算具體通過計算機41來進行。測量大氣湍流內(nèi)尺度的方法，通過以下步驟來進行I)當激光光束經(jīng)局地均勻各向同性大氣湍流傳輸后，在幾何近似條件(L<< I02/λ)下，有如下計算式<α2 >=3.28^/./0-173(I)σ72 = 12.8Cw2L3/~7/3(2)其中，L為光束傳輸路徑距離，α為到達角，定義為位置敏感探測器上所成光斑圖像質(zhì)心偏離平均位置的距離與小孔光闌至位置敏感探測器光敏面的距離之比值，〈α 2>為到達角起伏均方，σ /為光強閃爍指數(shù)；2)在進行大氣湍流內(nèi)尺度Itl的測量時，由激光發(fā)射單元發(fā)射出激光光束，激光光束穿過待測大氣湍流被激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元接收，并通過小孔成像和反射鏡反射至位置敏感探測器，小孔光闌至位置敏感探測器的光路距離為屯，由標尺讀出Cltl ；則光束傳輸路徑距離L為激光發(fā)射器到小孔光闌的距離，小孔光闌至位置敏感探測器的距離d = di+do ；而α、〈 α 2>的計算如下
權(quán)利要求1.一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，包括 激光發(fā)射單元，包括激光發(fā)射器和擴束裝置； 激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元，包括接收窗口，接收窗口后設(shè)有小孔成像裝置，小孔成像裝置后設(shè)有反射鏡，反射鏡將成像反射至位置敏感探測器； 數(shù)據(jù)采集單元，采集位置敏感探測器成像的信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸出； 數(shù)據(jù)處理與分析單元，接收數(shù)據(jù)采集單元傳輸?shù)男盘?，計算得到大氣湍流?nèi)尺度值。
2.如權(quán)利要求I所述的一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，所述的激光發(fā)射單元的激光發(fā)射器為氦氖激光發(fā)射器。
3.如權(quán)利要求I所述的一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，所述的激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元中的小孔成像裝置為小孔光闌，接收窗口與小孔光闌之間設(shè)置有與小孔光闌同光軸放置的衰減片，小孔光闌之后設(shè)有一組反射鏡，在反射鏡的反射光路上設(shè)有位置敏感探測器，位置敏感探測器的下方設(shè)有標尺。
4.如權(quán)利要求3所述的一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，所述的激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元在小孔光闌與反射鏡之間設(shè)有濾光片。
5.如權(quán)利要求3所述的一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，所述的一組反射鏡包括兩個相對放置的反射鏡，其由小孔光闌發(fā)出的入射光的光路平行與反射至位置敏感探測器的出射光的光路。
6.如權(quán)利要求I所述的一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集單元包括A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至數(shù)據(jù)采集卡，并輸出至數(shù)據(jù)處理與分析單元。
7.如權(quán)利要求I所述的一種測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置，其特征在于，所述的激光發(fā)射單元與激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元同光軸對面放置。
專利摘要本實用新型公開了測量大氣湍流內(nèi)尺度的裝置及測量方法，包括激光發(fā)射單元、激光接收及光電轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理與分析單元；模擬平面波經(jīng)局地均勻各向同性大氣湍流傳輸?shù)膸缀谓茥l件，發(fā)射激光后針孔光闌選取畸變的波面成像在位置敏感探測器上，其位置坐標信號及相對光強信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)采集處理和分析，得到大氣湍流內(nèi)尺度的值。其裝置簡單，計算簡潔且計算精度高，不確定度小。
文檔編號G01M9/06GK202494556SQ201220126730
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者馮建偉, 劉晶儒, 宗飛, 強希文, 李巖, 胡月宏, 趙軍衛(wèi) 申請人:中國人民解放軍63655部隊