伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统与方法

摘要

本发明公开一种伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统与方法，属于大气信道中的激光信号传输与探测技术领域。测试系统由光束发射子系统和光束接收与探测子系统组成，通过使用不同的方差统计计算参数，实现了不同探测器积分时间条件下的伪部分相干光束的大气湍流传输闪烁方差的计算。本发明的系统与方法能同步测量出相干激光在大气湍流中传输时的光强闪烁方差，及其与实际的大气折射率结构常数值的对应关系。利用本发明的系统与方法所测试出的结果有助于对使用伪部分相干光束来抑制大气湍流导致的光强闪烁的应用系统进行优化设计。

主权项

一种由伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统执行的测试方法，其特征在于，系统结构和实施方法如下：伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试系统由光束发射子系统和光束接收与探测子系统组成；光束发射子系统包括激光器L1(101)、凸透镜T1(102)、凸透镜T2(103)、液晶空间光调制器(104)、凸透镜T3(105)、凸透镜T4(106)、激光器L2(107)、凸透镜T5(108)、凸透镜T6(109)、半反半透分光片BFBT1(110)、光学发射天线(111)、液晶空间光调制器驱动模块(112)和控制计算机(113)；光束接收与探测子系统包括光学接收天线(201)、凸透镜T7(202)、凸透镜T8(203)、半反半透分光片BFBT2(204)、聚焦透镜组J1(205)、光电探测器G1(206)、聚焦透镜组J2(207)、光电探测器G2(208)、数据采集卡SJ1(209)、数据采集卡SJ2(210)和数据处理计算机(211)；激光器L1(101)发射的空间相干光信号经凸透镜T1(102)和凸透镜T2(103)变换后，入射到液晶空间光调制器(104)上，从液晶空间光调制器(104)透射过去的光信号经凸透镜T3(105)和凸透镜T4(106)变换后入射到半反半透分光片BFBT1(110)上，并从半反半透分光片BFBT1(110)上透射过去，进入光学发射天线(111)；控制计算机(113)生成随机相位屏控制信号，再通过液晶空间光调制器驱动模块(112)输出给液晶空间光调制器(104)；激光器L2(107)发射的空间相干光信号经凸透镜T5(108)和凸透镜T6(109)变换后入射到半反半透分光片BFBT1(110)上，并经半反半透分光片BFBT1(110)反射，进入光学发射天线(111)；光学发射天线(111)将从其输入端入射的光信号发射到大气信道中；通过适当地设计凸透镜T6(109)和凸透镜T4(106)的参数，使从二者出射的光信号的光束直径相同；通过适当地设计半反半透分光片BFBT1(110)的参数，使从其反射和透射的光信号在空间上相互重叠；光学接收天线(201)收到的光信号经凸透镜T7(202)和凸透镜T8(203)变换后入射到半反半透分光片BFBT2(204)上，其中一种波长的光信号被半反半透分光片BFBT2(204)反射后经聚焦透镜组J2(207)入射到光电探测器G2(208)上，另一种波长的光信号从半反半透分光片BFBT2(204)透射过去后经聚焦透镜组J1(205)入射到光电探测器G1(206)上；光电探测器G2(208)的输出信号通过数据采集卡SJ1(209)输入到数据处理计算机(211)中，光电探测器G1(206)的输出信号通过数据采集卡SJ2(210)输入到数据处理计算机(211)中；光电探测器G1(206)和光电探测器G2(208)选用高带宽雪崩光电二极管探测器APD，激光器L1(101)和激光器L2(107)输出不同波长的空间相干光信号；光电探测器G2(208)探测的光信号为激光器L1(101)发射的光信号，光电探测器G1(206)探测的光信号为激光器L2(107)发射的光信号；伪部分相干光束大气湍流传输闪烁特性测试方法的具体实现方式如下：使激光器L1(101)和激光器L2(107)处于工作状态，输出光信号；控制计算机(113)每间隔时间T₁就生成一个新的随机相位屏控制信号，并通过液晶空间光调制器驱动模块(112)输出给液晶空间光调制器(104)，以实现对入射到液晶空间光调制器(104)上的光信号的波前相位的调制；数据处理计算机(211)通过数据采集卡SJ1(209)每间隔时间T₂就读取一次光电探测器G2(208)探测到的光信号，并将读取的数据保存在计算机文件A001中；数据处理计算机(211)通过数据采集卡SJ2(210)每间隔时间T₂就读取一次光电探测器G1(206)探测到的光信号，并将读取的数据保存在文件A002中；在本系统和方法中，T₁＝T₂；在激光信号传输与探测的同时，使用闪烁仪同步测量从光束发射子系统所在位置到光束接收与探测子系统所在位置的路径平均大气折射率结构常数，并将不同时刻的路径平均大气折射率结构常数测量值保存在文件A003中；将文件A001中的数据按保存的时间先后顺序，以N₁个数据为一组进行分组，N₁≥128；对文件A001中的数据的每一个分组A004，做如下计算：Step001：设置正整数变量j的值；Step002：令变量S₁＝0，m＝0；Step003：如果m+j≤N₁，则d_m+k表示分组A004的以保存时间先后为序的第m+k个数据，否则转Step005；Step004：m＝m+j，转Step003；Step005：A₁＝S₁/m；Step006：令变量S₂～0，m＝0；Step007：如果m+j≤N₁，则否则转Step009；Step008：m＝m+j，转Step007；Step009：σ_j²＝S₂/(m×A₁²)；在上述计算中，将j设置为不同的值，可以计算得到不同的方差σ_j²；将文件A002中的数据按保存的时间先后顺序，以N₁个数据为一组进行分组；对文件A002中的数据的每一个分组A005，做如下计算：StepB001：令变量S₃＝0，m＝1；StepB002：S₃＝S₃+f_m，f_m表示分组A005的以保存时间先后为序的第m个数据；StepB003：如果m+1≤N₁，则S₃＝S₃+f_m+1，f_m+1表示分组A005的以保存时间先后为序的第m+1个数据，否则转StepB005；StepB004：m＝m+1，转StepB003；StepB005：A₂＝S₃/m；StepB006；令变量S₄＝0，m＝1；StepB007：S₄＝S₄+(f_m‑A₂)²；StepB008：如果m+1≤N₁，则S₄＝S₄+(f_m+1‑A₂)²，否则转StepB010；StepB009：m＝m+1，转StepB008；StepB010：σ₀²＝S₄/(m×A₂²)；每一个分组A004和每一个分组A005都对应了一个具体的时间段，依据时间对应关系，检索保存在文件A003中的数据，可以得到与每一个分组A004和每一个分组A005相对应的路径平均大气折射率结构常数测量值；根据上面的计算使用的参数，伪部分相干光束的相对调制频率F＝j；所以，通过设置不同的正整数变量j的值，可计算得到方差σ_j²随相对调制频率F的变化关系A006；方差σ_j²就是光电探测器实际探测出的光强闪烁方差；变化关系A006就是伪部分相干光束的相对调制频率对其大气湍流传输闪烁方差的影响的测试结果；根据StepB001至StepB010的计算步骤，可以得到空间相干激光大气湍流传输的闪烁方差测试结果，依据时间对应关系，可以找到与不同时间段的空间相干激光大气湍流传输闪烁方差相对应的伪部分相干光束大气湍流传输闪烁方差；为了保证本系统与方法的测试结果的可靠性，要求T₁＝T₂≤τ_a，N₁×T₁≥32τ_a，其中τ_a为大气湍流的相关时间长度，约等于L₀/V_⊥，L₀为大气湍流外尺度，V_⊥为与激光传输路径垂直的平均风速，正整数变量j的最大值应小于或者等于N₁/32，光电探测器G1(206)和光电探测器G2(208)的响应时间长度远比T₁和T₂短。