本发明专利技术公开了一种采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，涉及用激光雷达探测大气湍流折射率结构常数Ｃ↓［ｎ］↑［２］廓线和大气相干长度ｒ↓［０］。本发明专利技术的激光雷达采用脉冲激光器作为发射光源，望远镜接收的双孔径瑞利散射回波，经反射棱镜聚焦于位置敏感探测器，其位置坐标信号由Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号，经微处理器处理，得到Ｃ↓［ｎ］↑［２］的廓线和大气相干长度ｒ↓［０］。本发明专利技术的优点为：可直接获得光斑的重心位置坐标，与现有技术相比，节省了大量的图像数据读取和重心计算时间，从而可以从一个激光脉冲获取多个回波光信号数据。由多个激光脉冲回波光信号数据可计算出不同距离处的大气折射率结构常数Ｃ↓［ｎ］↑［２］廓线和大气相干长度ｒ↓［０］，且探测方向灵活、空间分辨率高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大气湍流参数探测，特别涉及用激光雷达探测大气湍流折射率结构常数廓线。它适用于大气科学研究，以及环保、气象、航空、激光大气传输、军事等领域。
技术介绍
由于大气湍流的影响，光在大气中传播时，会产生光强起伏和相位起伏。对于成像系统，这会导致成像模糊；对于激光大气传输系统而言，这会严重影响光束的传播质量。描述大气湍流效应的参数通常有大气相干长度r0和大气折射率结构常数Cn2，其中r0表征所测量光学路径上湍流效应的积分总效果，而Cn2表征大气中某点的湍流效应，能更精细的描述了大气中湍流的细节。随着空间目标监测、自适应光学、激光通信和激光武器等现代光学技术的发展，提出了获取空间不同方向上一段距离内的大气折射率结构常数Cn2廓线的要求。目前，测量大气湍流Cn2的方法有飞机、探空气球，微波雷达(Radar)或超声雷达(Sodar)及光学方法(吴晓庆，大气光学湍流、模式与测量技术，安徽师范大学学报(自然科学版)2006 Vol.29(2)103～107)等。用飞机、探空气球测Cn2廓线的方法是通过测量大气气象参数(温度T，气压P，风速υ，湿度RH)和微温传感器测量温度结构函数DT(r)，计算出Cn2。这种方法具有很高的空间分辨率，适合详细研究光学湍流结构。不足之处是只能给出有限数量的廓线，而且探测的空间范围受限，实验代价高，不能进行长时间的连续测量。用微波雷达测量Cn2廓线的原理是波长为λR的雷达信号受尺度为λR/2的湍涡反射，后向散射信号功率与大气湍流强度成正比，由此测出Cn2。但由于后向散射功率与湿度起伏有关，需要进行定标才能得到光学湍流，但区别湿度起伏项是十分困难的。用超声雷达测量Cn2廓线的方法与微波雷达类似，也是要进行定标后才能得到光学湍流。这两种方法的精度都不高。由于光学方法测量大气湍流的方法有精度高、可连续测量等优点，故发展了多种方式，如Scidar(Scintillation Detection and Ranging)、Generalized Scidar、MASS(Multi-Aperture Scintillation sensor)、DIMM(differential image motionmonitor)等。其中，Scidar和Generalized Scidar方法是通过检测一定面积上光强或相位分布的相关性，可得到大气折射率结构常数Cn2的廓线，要求两个光源且间隔一定距离，对光源的要求更为苛刻，而且要求望远镜口径较大，一般在1米以上，这给其应用带来了很大的限制。MASS是一种低分辨率的湍流廓线仪，给出的Cn2廓线只有6至7个左右的点组成，空间分辨率低。DIMM光学方法只能测得大气相干长度r0，而不能得到大气折射率结构常数Cn2的廓线。光学测量方法都需要目标光源，目标光源主要有两类自然光源和人工光源。其中，自然光源主要是各种自然星体。由于测量系统对光源有一定亮度的要求，利用自然光源需要选择合适的星体，难以做到可以对任意方向测量；人工光源主要是利用激光器、高亮度灯等作为目标光源，这些光源设置的高度有限，多用于水平或近水平路径的湍流测量，同样不易满足对任意方向的测量要求。下面介绍与本专利技术有关的现有技术。位置敏感探测器有位置敏感光电倍增管PSPMT及盖革雪崩二极管G-APD四象限探测器等。其中位置敏感光电倍增管PSPMT(position sensitive photomultiplier tube)有多种产品，本专利技术所称的位置敏感光电倍增管包括其外部电路，作用是将光敏面上的光斑亮度分布转换为电信号，经其外部电路转换为光斑质心的位置坐标信号。它具有高度的探测灵敏度和位置测量精度。盖革雪崩二极管(G-APD)四象限探测器现有多种产品，本专利技术所称的盖革雪崩二极管(G-APD)四象限探测器包括其外部电路，其作用是将光敏面上的光斑转换为电信号，经其外部电路转换为光斑质心的位置坐标。它的优点是价格便宜，但探测灵敏度和位置测量精度比位置敏感光电倍增管稍差。脉冲激光发射单元由外触发输入端的脉冲激光器和扩束装置组成，可由外部触发信号控制发射激光脉冲。脉冲激光器的作用是发射脉冲激光；扩束装置的作用是将脉冲激光器发射的脉冲激光聚焦，使发出的脉冲激光在探测距离内的光斑直径尽可能小。回波光接收单元由有两个通光孔的双孔板、接收望远镜物镜、小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜组成。大气瑞利散射后向回波光仅能通过双孔板的两个通光孔进入接收望远镜，经小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜输出两束聚焦光束。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，该激光雷达采用脉冲激光器作为发射光源，望远镜接收的双孔径瑞利散射回波，经反射棱镜聚焦于位置敏感探测器，其位置坐标信号由A/D转换器转换为数字信号，经微处理器处理，得到大气相干长度r0和Cn2的廓线。该激光雷达不仅能获取大气折射率结构常数Cn2廓线还能同时获取大气相干长度r0，而且具有探测方向灵活、空间分辨率高的优点。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达包括脉冲激光发射单元、回波光接收单元、光电转换单元和数据采集与处理单元；脉冲激光发射单元由具有外触发输入端的脉冲激光器和扩束装置组成。回波光接收单元由有两个通光孔的双孔板、接收望远镜物镜、小孔光阑、准直透镜、干涉滤光片和聚焦透镜组成。回波光接收单元在与脉冲激光发射单元光轴平行的条件下，靠近放置。光电转换单元由反射棱镜和两个位置敏感探测器组成。反射棱镜置于回波光接收单元的聚焦透镜与其焦点之间，两个位置敏感探测器的光敏面分别置于经反射棱镜反射的两个焦点处。数据采集与处理单元由四通道A/D转换器和微处理器组成。两个位置敏感探测器输出端与四通道A/D转换器的模拟输入端连接，A/D转换器的数字输出端连接到微处理器，微处理器读取并存储数字信号；微处理器输出两种触发信号，一种为激光器触发信号，送到脉冲激光发射单元的外触发输入端，用以控制激光脉冲的发射；另一种为数据采集触发信号，送到四通道A/D转换器的触发信号输入端，，用以控制A/D转换进行数据采集；微处理器将从A/D转换器得到的数据进行存储和运算，得到大气相干长度r0和折射率结构常数Cn2的廓线，输出到外设。本专利技术的优点和效果为 由于现有的测量方法采用ICCD，该装置需要大量读取图像数据和计算重心的时间，而本专利技术则采用位置敏感探测器直接获得光斑的重心位置坐标，价格便宜，灵敏度高，且不需要读取图像数据，从而有足够的时间处理一个激光脉冲不同距离处的多个瑞利回波信号。由多个激光脉冲的回波光信号数据计算出不同距离处的大气相干长度r0和大气折射率结构常数Cn2廓线，且探测方向灵活、空间分辨率高。附图说明图1为采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达的结构示意图。其中1为脉冲激光发射单元、2为回波光接收单元、3为光电转换单元、4为数据采集与处理单元。其中11为脉冲激光器 12为扩束装置21为双孔板 22为望远镜物镜 23为光阑 24为准直透镜 25为干涉滤光片 26为聚焦透镜31为反射棱镜 32为第二位置敏感光探测器 33为第一位置敏感光探测器41为A/D转换器 42为微处理器图2为本文档来自技高网...
【技术保护点】
采用位置敏感探测器的大气湍流探测激光雷达，包括脉冲激光发射单元（１）、回波光接收单元（２），其特征在于，该激光雷达还包括光电转换单元（３）、数据采集与处理单元（４）；脉冲激光发射单元（１）在与回波光接收单元（２）光轴平行的条件下，靠 近放置；光电转换单元（３）由反射棱镜（３１）和两个位置敏感探测器（３２、３３）组成；反射棱镜（３１）置于回波光接收单元（２）的聚焦透镜（２６）与其焦点之间，两个位置敏感探测器（３２、３３）的光敏面分别置于经反射棱镜（３１）反射的两个 焦点处；数据采集与处理单元（４）由四通道Ａ／Ｄ转换器（４１）、微处理器（４２）组成；两个位置敏感探测器（３２、３３）输出端与四通道Ａ／Ｄ转换器（４１）的模拟输入端连接，Ａ／Ｄ转换器（４１）的数字输出端连接到微处理器（４２）；微处理器 （４２）输出两种触发信号，一种为激光器触发信号送到脉冲激光发射单元（１）的外触发信号输入端，另一种为数据采集触发信号送到四通道Ａ／Ｄ转换器（４１）的触发信号输入端，微处理器（４２）将从Ａ／Ｄ转换器（４１）得到的数据处理成折射率结构常数的廓线数据，输出到外设。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：戴阳，龚顺生，李发泉，程学武，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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