基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数方法及装置

摘要

本发明涉及一种基于测量M²因子和光闪烁指数来确定大气湍流参数的方法及其实验装置，属于空间激光通信领域。该方法是先将激光器发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流再被光学接收天线接收；然后将接收到的光束分成两束，一束通过M²因子测量仪，另一束通过光闪烁测量仪；最后利用测得的M²因子和光闪烁指数来确定大气湍流参数。实现上述方法的实验装置包括激光器，光学发射天线，光学接收天线，分束器，M²因子测量仪，光闪烁测量仪，数据处理器。本发明的方法及其实验装置不仅能确定大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度参数，且实验装置结构简单，操作测量方便。

主权项

1.一种基于M²因子和光闪烁指数确定大气湍流参数的方法，包括以下步骤：（1）将激光器发出的高斯光束经过光学发射天线准直扩束后发射，使发射出的高斯准直光束通过大气湍流后被光学接收天线接收；（2）然后用分束器将光学接收天线接收到的高斯准直光束分成两束，一束通过M²因子测量仪，另一束通过光闪烁测量仪；（3）最后根据M²因子测量仪和光闪烁测量仪所测得的数值来确定大气湍流参数中大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度值；所述高斯光束均为完全相干高斯光束，且M²因子和光闪烁指数满足以下两个函数关系式：$C_n^2{l}_0^{-1/3}=f\left(M^2\right)---\left(1\right)$$C_n^{2}g\left(l_0\right)={\sigma }_I^2---\left(2\right)$公式（1）中，为大气湍流折射率结构常数，l₀为大气湍流内尺度，f(M²)表示M²因子的函数关系式，所述公式（1）在弱起伏条件和强起伏条件下均成立；公式（2）中，为光闪烁指数，g(l₀)表示大气湍流内尺度l₀的函数关系式；所述弱起伏条件和强起伏条件的公式表示为：${\sigma }_R^2=1.23C_n^2{k}^{7/6}{L}^{11/6}---\left(3\right)$公式（3）中，σ_R²为Rytov方差，k为光波数，L为光束传输距离，σ_R²≥1时，表示强起伏条件成立；σ_R²<1时，表示弱起伏条件成立；通过公式（1）和公式（2）计算得出大气湍流折射率结构常数和大气湍流内尺度l₀，其相应的基本步骤如下:1）为公式（1）和公式（2）的参数赋值：高斯光束波长λ，束腰宽度w₀,及传输距离L，并输入M²因子和光闪烁指数测量值；2）判断光闪烁指数测量值是否小于1，如果是则执行弱起伏条件下的计算步骤A）；否则执行强起伏条件下的计算步骤B）；A）弱起伏条件下的计算步骤：A1）利用公式（1）计算出f(M²)的值；A2）利用公式（1）和公式（2）得方程：并用数值方法求解此方程，得大气湍流内尺度l₀；A3）将计算出的大气湍流内尺度l₀代入公式（1），即可算出大气湍流折射率结构常数A4）进一步将计算出的大气湍流内尺度l₀和大气湍流折射率结构常数代入公式（3），计算Rytov方差并判断它是否小于1，如果小于1，则将计算出的和l₀作为最终结果直接输出，同时输出的值；否则，执行强起伏条件下的计算步骤B）；B）强起伏条件下的计算步骤：B1）将大气湍流内尺度l₀取为通常值，即l₀=1mm；B2）将大气湍流内尺度l₀=1mm及M²因子测量值代入公式（1），即可计算出大气湍流折射率结构常数并输出其值作为强起伏条件下测量的结果，同时输出大气湍流内尺度l₀=1mm，以及由公式（3）计算出的Rytov方差的值。