專利名稱：采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣湍流參數(shù)探測，特別涉及用激光雷達(dá)探測大氣湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線。它適用于大氣科學(xué)研究，以及環(huán)保、氣象、航空、激光大氣傳輸、軍事等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于大氣湍流的影響，光在大氣中傳播時，會產(chǎn)生光強(qiáng)起伏和相位起伏。對于成像系統(tǒng)，這會導(dǎo)致成像模糊；對于激光大氣傳輸系統(tǒng)而言，這會嚴(yán)重影響光束的傳播質(zhì)量。描述大氣湍流效應(yīng)的參數(shù)通常有大氣相干長度r0和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2，其中r0表征所測量光學(xué)路徑上湍流效應(yīng)的積分總效果，而Cn2表征大氣中某點的湍流效應(yīng)，能更精細(xì)的描述了大氣中湍流的細(xì)節(jié)。
隨著空間目標(biāo)監(jiān)測、自適應(yīng)光學(xué)、激光通信和激光武器等現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提出了獲取空間不同方向上一段距離內(nèi)的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線的要求。目前，測量大氣湍流Cn2的方法有飛機(jī)、探空氣球，微波雷達(dá)(Radar)或超聲雷達(dá)(Sodar)及光學(xué)方法(吳曉慶，大氣光學(xué)湍流、模式與測量技術(shù)，安徽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2006 Vol.29(2)103～107)等。
用飛機(jī)、探空氣球測Cn2廓線的方法是通過測量大氣氣象參數(shù)(溫度T，氣壓P，風(fēng)速υ，濕度RH)和微溫傳感器測量溫度結(jié)構(gòu)函數(shù)DT(r)，計算出Cn2。這種方法具有很高的空間分辨率，適合詳細(xì)研究光學(xué)湍流結(jié)構(gòu)。不足之處是只能給出有限數(shù)量的廓線，而且探測的空間范圍受限，實驗代價高，不能進(jìn)行長時間的連續(xù)測量。
用微波雷達(dá)測量Cn2廓線的原理是波長為λR的雷達(dá)信號受尺度為λR/2的湍渦反射，后向散射信號功率與大氣湍流強(qiáng)度成正比，由此測出Cn2。但由于后向散射功率與濕度起伏有關(guān)，需要進(jìn)行定標(biāo)才能得到光學(xué)湍流，但區(qū)別濕度起伏項是十分困難的。用超聲雷達(dá)測量Cn2廓線的方法與微波雷達(dá)類似，也是要進(jìn)行定標(biāo)后才能得到光學(xué)湍流。這兩種方法的精度都不高。
由于光學(xué)方法測量大氣湍流的方法有精度高、可連續(xù)測量等優(yōu)點，故發(fā)展了多種方式，如Scidar(Scintillation Detection and Ranging)、Generalized Scidar、MASS(Multi-Aperture Scintillation sensor)、DIMM(differential image motionmonitor)等。
其中，Scidar和Generalized Scidar方法是通過檢測一定面積上光強(qiáng)或相位分布的相關(guān)性，可得到大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的廓線，要求兩個光源且間隔一定距離，對光源的要求更為苛刻，而且要求望遠(yuǎn)鏡口徑較大，一般在1米以上，這給其應(yīng)用帶來了很大的限制。
MASS是一種低分辨率的湍流廓線儀，給出的Cn2廓線只有6至7個左右的點組成，空間分辨率低。
DIMM光學(xué)方法只能測得大氣相干長度r0，而不能得到大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的廓線。
光學(xué)測量方法都需要目標(biāo)光源，目標(biāo)光源主要有兩類自然光源和人工光源。其中，自然光源主要是各種自然星體。由于測量系統(tǒng)對光源有一定亮度的要求，利用自然光源需要選擇合適的星體，難以做到可以對任意方向測量；人工光源主要是利用激光器、高亮度燈等作為目標(biāo)光源，這些光源設(shè)置的高度有限，多用于水平或近水平路徑的湍流測量，同樣不易滿足對任意方向的測量要求。
下面介紹與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。
位置敏感探測器有位置敏感光電倍增管PSPMT及蓋革雪崩二極管G-APD四象限探測器等。
其中位置敏感光電倍增管PSPMT(position sensitive photomultiplier tube)有多種產(chǎn)品，本發(fā)明所稱的位置敏感光電倍增管包括其外部電路，作用是將光敏面上的光斑亮度分布轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)其外部電路轉(zhuǎn)換為光斑質(zhì)心的位置坐標(biāo)信號。它具有高度的探測靈敏度和位置測量精度。
蓋革雪崩二極管(G-APD)四象限探測器現(xiàn)有多種產(chǎn)品，本發(fā)明所稱的蓋革雪崩二極管(G-APD)四象限探測器包括其外部電路，其作用是將光敏面上的光斑轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)其外部電路轉(zhuǎn)換為光斑質(zhì)心的位置坐標(biāo)。它的優(yōu)點是價格便宜，但探測靈敏度和位置測量精度比位置敏感光電倍增管稍差。
脈沖激光發(fā)射單元由外觸發(fā)輸入端的脈沖激光器和擴(kuò)束裝置組成，可由外部觸發(fā)信號控制發(fā)射激光脈沖。脈沖激光器的作用是發(fā)射脈沖激光；擴(kuò)束裝置的作用是將脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光聚焦，使發(fā)出的脈沖激光在探測距離內(nèi)的光斑直徑盡可能小。
回波光接收單元由有兩個通光孔的雙孔板、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡、小孔光闌、準(zhǔn)直透鏡、干涉濾光片和聚焦透鏡組成。大氣瑞利散射后向回波光僅能通過雙孔板的兩個通光孔進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)小孔光闌、準(zhǔn)直透鏡、干涉濾光片和聚焦透鏡輸出兩束聚焦光束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)采用脈沖激光器作為發(fā)射光源，望遠(yuǎn)鏡接收的雙孔徑瑞利散射回波，經(jīng)反射棱鏡聚焦于位置敏感探測器，其位置坐標(biāo)信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)微處理器處理，得到大氣相干長度r0和Cn2的廓線。該激光雷達(dá)不僅能獲取大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線還能同時獲取大氣相干長度r0，而且具有探測方向靈活、空間分辨率高的優(yōu)點。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)包括脈沖激光發(fā)射單元、回波光接收單元、光電轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)采集與處理單元；脈沖激光發(fā)射單元由具有外觸發(fā)輸入端的脈沖激光器和擴(kuò)束裝置組成。
回波光接收單元由有兩個通光孔的雙孔板、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡、小孔光闌、準(zhǔn)直透鏡、干涉濾光片和聚焦透鏡組成。
回波光接收單元在與脈沖激光發(fā)射單元光軸平行的條件下，靠近放置。
光電轉(zhuǎn)換單元由反射棱鏡和兩個位置敏感探測器組成。反射棱鏡置于回波光接收單元的聚焦透鏡與其焦點之間，兩個位置敏感探測器的光敏面分別置于經(jīng)反射棱鏡反射的兩個焦點處。
數(shù)據(jù)采集與處理單元由四通道A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器組成。兩個位置敏感探測器輸出端與四通道A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出端連接到微處理器，微處理器讀取并存儲數(shù)字信號；微處理器輸出兩種觸發(fā)信號，一種為激光器觸發(fā)信號，送到脈沖激光發(fā)射單元的外觸發(fā)輸入端，用以控制激光脈沖的發(fā)射；另一種為數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號，送到四通道A/D轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)信號輸入端，，用以控制A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；微處理器將從A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和運算，得到大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的廓線，輸出到外設(shè)。
本發(fā)明的優(yōu)點和效果為
由于現(xiàn)有的測量方法采用ICCD，該裝置需要大量讀取圖像數(shù)據(jù)和計算重心的時間，而本發(fā)明則采用位置敏感探測器直接獲得光斑的重心位置坐標(biāo)，價格便宜，靈敏度高，且不需要讀取圖像數(shù)據(jù)，從而有足夠的時間處理一個激光脈沖不同距離處的多個瑞利回波信號。由多個激光脈沖的回波光信號數(shù)據(jù)計算出不同距離處的大氣相干長度r0和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線，且探測方向靈活、空間分辨率高。


圖1為采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1為脈沖激光發(fā)射單元、2為回波光接收單元、3為光電轉(zhuǎn)換單元、4為數(shù)據(jù)采集與處理單元。
其中11為脈沖激光器 12為擴(kuò)束裝置21為雙孔板 22為望遠(yuǎn)鏡物鏡 23為光闌 24為準(zhǔn)直透鏡 25為干涉濾光片 26為聚焦透鏡31為反射棱鏡 32為第二位置敏感光探測器 33為第一位置敏感光探測器41為A/D轉(zhuǎn)換器 42為微處理器圖2為微處理器工作流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明由圖1可知，采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，包括脈沖激光發(fā)射單元1、回波光接收單元2、光電轉(zhuǎn)換單元3和數(shù)據(jù)采集與處理單元4。
脈沖激光發(fā)射單元1、回波光接收單元2均為現(xiàn)有技術(shù)；脈沖激光發(fā)射單元由具有外觸發(fā)輸入端的脈沖激光器11和擴(kuò)束裝置12組成；回波光接收單元由有兩個通光孔的雙孔板21、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡22、小孔光闌23、準(zhǔn)直透鏡24、干涉濾光片25和聚焦透鏡26組成；回波光接收單元1在與脈沖激光發(fā)射單元2光軸平行的條件下，靠近放置，使得發(fā)射光束和接收光束近似平行。
光電轉(zhuǎn)換單元3由反射棱鏡31和兩個位置敏感探測器32、33組成。反射棱鏡31置于回波光接收單元2的聚焦透鏡26與其焦點之間，兩個位置敏感探測器32、33的光敏面分別置于經(jīng)反射棱鏡31反射的兩個焦點處。
數(shù)據(jù)采集與信息處理單元4由四通道A/D轉(zhuǎn)換器41、微處理器42組成。兩個位置敏感探測器32、33輸出端與四通道A/D轉(zhuǎn)換器41的模擬輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器41的數(shù)字輸出端連接到微處理器42，其作用是將兩個位置敏感探測器32、33的光斑質(zhì)心位置模擬信號通過四通道A/D轉(zhuǎn)換器41轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由微處理器42讀取并存儲該數(shù)字信號；微處理器42輸出兩種觸發(fā)信號，一種為激光器觸發(fā)信號，送到脈沖激光發(fā)射單元1的外觸發(fā)輸入端；另一種為數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號，送到四通道A/D轉(zhuǎn)換器41的觸發(fā)信號輸入端；微處理器42將從A/D轉(zhuǎn)換器41得到的數(shù)據(jù)存儲，然后運算獲得大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的廓線，輸出到外設(shè)。
上述光電轉(zhuǎn)換單元3的位置敏感探測器32、33可采用位置敏感光電倍增管，也可采用蓋革雪崩二極管四象限探測器。
上述光電轉(zhuǎn)換單元3的反射棱鏡31也可采用兩個反射鏡片。
上述數(shù)據(jù)采集與處理單元4的微處理器42可采用單片機(jī)或DSP(DigitalSignal Processing數(shù)字信號處理器)。
由圖2可知，本激光雷達(dá)探測大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線包括下列步驟1、由微處理器42發(fā)出兩種觸發(fā)信號，第一種為激光器觸發(fā)信號，第二種為數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號；
2、激光器觸發(fā)信號送到脈沖激光發(fā)射單元1的外觸發(fā)輸入端，觸發(fā)脈沖激光發(fā)射單元1發(fā)出脈沖激光；數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號由M個等時間間隔Δt的脈沖信號組成，送到四通道A/D轉(zhuǎn)換器41的觸發(fā)信號輸入端，觸發(fā)四通道A/D轉(zhuǎn)換器41進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；上述時間間隔Δt越小，空間分辨率越高，M＝2L/(Δt×c)，其中L為待測的空間距離，c為光速，時間間隔Δt的最小值受到四通道A/D轉(zhuǎn)換器41的轉(zhuǎn)換時間和微處理器42的處理時間限制；3、脈沖激光大氣瑞利散射后向回波光通過雙孔板21的兩個通光孔進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡物鏡22，經(jīng)小孔光闌23、準(zhǔn)直透鏡24、干涉濾光片25，通過聚焦透鏡26輸出兩束聚焦光束；4、反射棱鏡31將聚焦光束分別反射到兩個位置敏感探測器32、33的光敏面上，經(jīng)兩個位置敏感探測器及其外部電路的轉(zhuǎn)換，輸出兩個光點的模擬坐標(biāo)信號；5、四通道A/D轉(zhuǎn)換器41接收到微處理器42的數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號后，四個通道同時將接收到的模擬坐標(biāo)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)，微處理器讀取并存儲A/D轉(zhuǎn)換器41輸出的數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)；6、重復(fù)M次步驟5；7、步驟6完成后，微處理器42再次發(fā)出兩種觸發(fā)信號，重復(fù)步驟2～步驟6，兩次激光器觸發(fā)信號的間隔時間T應(yīng)大于脈沖激光器的自由運行周期；8、重復(fù)N-2次步驟7，N為計算大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2所需的脈沖激光發(fā)射次數(shù)，N一般取30～200；9、微處理器將數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理成大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2的廓線數(shù)據(jù)。
上述步驟9所述的微處理器將數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理成大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線的方法有多種，為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所公知。以下所述的是其中的一種方法。
微處理器將數(shù)字坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理成大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線的方法為(1)數(shù)據(jù)的取得由上述步驟4和步驟5可知每次數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號可得到一組4個數(shù)據(jù)，分別為兩個光點的坐標(biāo)x1，y1，x2，y2。
由上述步驟6可知每個脈沖激光可得到M組數(shù)據(jù)，用m表示1，2，3，...，M的組序號。tm表示從激光脈沖發(fā)射至接收到第m組數(shù)據(jù)回波光的時間，tm＝(m-1)×Δt，其中Δt為數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號的時間間隔。Sm＝c×tm/2，式中c為光速，Sm表示脈沖激光與大氣湍流探測激光雷達(dá)之間的距離。
由上述步驟7和步驟8可知N個激光脈沖共得到N個M組數(shù)據(jù)。
(2)大氣相干長度r0的計算大氣相干長度r0可由下式計算r0={2f2
λ5/3δl2}3/5]]>式中λ為波長，d為兩通光孔徑直徑，f為接收光學(xué)系統(tǒng)等效焦距，μ為兩通光孔徑的中心間距。δl2為由N次激光脈沖的回波光點質(zhì)心距離的方差，δlm2=<li2>-<li>2]]>且<li2>=(Σli2)/N,]]><li>2=(Σli)2/N;]]>li=(x1-x2)2+(y1-y2)2,]]>li為第i次距離為Sm的脈沖激光對應(yīng)的兩回波光點質(zhì)心間距離，(x1，y1)、(x2，y2)為兩束瑞利回波光點的質(zhì)心坐標(biāo)。
r0為Sm距離內(nèi)的大氣相干長度。
(3)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線的計算由N個M組數(shù)據(jù)中相同組序號m的數(shù)據(jù)計算出l的方差δlm2，按下式計算出折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2在距離Sm內(nèi)的積分值Cn2‾(Sm)=(δlm2/f2)d1/311.6[1-0.694(d/μ)1/3]---(1)]]>式中Cn2‾(Sm)=∫0SmCn2(x)(1-x/Sm)5/3dx.---(2)]]>在一段小的距離Sm-S(m-1)內(nèi)可以認(rèn)為Cn2為常數(shù)，公式(2)可寫為Cn2‾(Sm)=Σj=1mCn2(Sj)∫Sj-1Sj(1-x/Sm)5/3dx---(3)]]>由(1)(3)得δSm2=cΣj=1mCn2(Sj)∫Sj-1Sj(1-x/Sm)5/3dx---(4)]]>式中c=11.6[1-0.694(d/μ)1/3]f2d1/3]]>為常量式(4)可以寫成矩陣方式G＝WF (5)其中G為測量得到的δsm2向量，W為c∫sj-1sj(1-x/Sm)5/3dx矩陣，可由系統(tǒng)參數(shù)計算出。F為未知的Cn2(Sm)向量。有多種方法可以由(5)式解出F，至此可以得到Cn2沿高度Sm的分布，即得到Cn2的廓線。
由以上計算過程可見，影響大氣相干長度r0和折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2廓線的是兩個回波光焦點距離l的方差δlm2，與l的大小沒關(guān)系，因此可用反射棱鏡將兩束光分開，由兩個位置敏感探測器探測光點質(zhì)心。
權(quán)利要求
1.采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，包括脈沖激光發(fā)射單元(1)、回波光接收單元(2)，其特征在于，該激光雷達(dá)還包括光電轉(zhuǎn)換單元(3)、數(shù)據(jù)采集與處理單元(4)；脈沖激光發(fā)射單元(1)在與回波光接收單元(2)光軸平行的條件下，靠近放置；光電轉(zhuǎn)換單元(3)由反射棱鏡(31)和兩個位置敏感探測器(32、33)組成；反射棱鏡(31)置于回波光接收單元(2)的聚焦透鏡(26)與其焦點之間，兩個位置敏感探測器(32、33)的光敏面分別置于經(jīng)反射棱鏡(31)反射的兩個焦點處；數(shù)據(jù)采集與處理單元(4)由四通道A/D轉(zhuǎn)換器(41)、微處理器(42)組成；兩個位置敏感探測器(32、33)輸出端與四通道A/D轉(zhuǎn)換器(41)的模擬輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器(41)的數(shù)字輸出端連接到微處理器(42)；微處理器(42)輸出兩種觸發(fā)信號，一種為激光器觸發(fā)信號送到脈沖激光發(fā)射單元(1)的外觸發(fā)信號輸入端，另一種為數(shù)據(jù)采集觸發(fā)信號送到四通道A/D轉(zhuǎn)換器(41)的觸發(fā)信號輸入端，微處理器(42)將從A/D轉(zhuǎn)換器(41)得到的數(shù)據(jù)處理成折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的廓線數(shù)據(jù)，輸出到外設(shè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換單元(3)的位置敏感探測器(32、33)采用位置敏感光電倍增管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換單元(3)的位置敏感探測器(32、33)采用蓋革雪崩二極管四象限探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換單元(3)的反射棱鏡(31)采用兩個反射鏡片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集與處理單元(4)的微處理器(42)采用單片機(jī)或DSP。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用位置敏感探測器的大氣湍流探測激光雷達(dá)，涉及用激光雷達(dá)探測大氣湍流折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C
文檔編號G01W1/00GK1945355SQ20061012487
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者戴陽, 龔順生, 李發(fā)泉, 程學(xué)武 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所