本发明涉及一种光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角相关系数测量方法，属于激光大气湍流传输技术领域。
背景技术：
激光束在大气湍流中传输时会发生光束漂移现象，即接收平面上的光束横截面光斑质心位置出现随机移动。假设在某个时刻，接收平面上的光束横截面光斑质心位置偏离无湍流影响时的光束横截面光斑质心位置的距离为rc，光束发射平面到光束接收平面的距离为l，则该时刻的光束漂移角为β＝arctan(rc/l)。通常情况下rc远小于l，因此β≈rc/l。激光束经大气湍流传输后被一个有限孔径接收器接收，并聚焦到一个ccd探测器上，ccd探测器输出的光斑图像的质心会随时间发生随机跳动，这反映了光波的孔径平均到达角变化。理论研究表明，光束漂移主要是源自靠近发射端的湍流涡旋的贡献，光到达角起伏主要是源自靠近接收端的湍流涡旋的贡献。在双向激光大气湍流传输系统中，可以在一个光端机中测量接收到的光到达角，并据此利用快速倾斜镜对该光端机的发射光束进行偏转角预补偿，从而达到补偿光束漂移的目的。这实际上是一种自适应光束发射技术。这种自适应光束发射技术的性能依赖于接收到的光到达角和发射光束的漂移角之间的相关性。如果发射光束的漂移角和接收到的光到达角相关性很低，则利用快速倾斜镜对发射光束进行偏转角预补偿的效果会很差。因此，测量一个光端机的发射光束漂移角和接收光到达角的相关系数对研究和分析自适应光束发射技术具有重要意义。如图1所示，光端机a向光端机b发射一束激光，光端机b向光端机a发射一束激光，从光端机a到光端机b的传输称为正向传输，从光端机b到光端机a的传输称为反向传输，光端机a发射的激光经大气湍流传输后的光束漂移角称为光束正向湍流传输漂移角，光端机b发射的激光经大气湍流传输后在光端机a处的到达角称为光束反向湍流传输到达角。在研究激光大气湍流传输特性时，为了便于控制大气湍流条件，可以利用大气湍流模拟装置在室内模拟大气湍流。本发明提供一种光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角的相关系数测量方法，测量光束经室内模拟大气湍流正向传输后的漂移角和光束经室内模拟大气湍流反向传输后的到达角的统计相关系数。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角相关系数测量方法，为研究和分析基于发射光束偏转角预补偿的自适应光束发射技术提供实验数据支持。
本发明的技术方案是这样实现的：光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角相关系数测量方法，其特征在于：第一激光器发出的激光a001经过第一透镜和第二透镜后入射到第一分光器上，从第一分光器透射过去的激光a001从对流式大气湍流模拟装置的第一玻璃窗口进入模拟的大气湍流中传输，并从对流式大气湍流模拟装置的第二玻璃窗口透射出去，从第二玻璃窗口透射出去的激光a001入射到第二分光器上，被第二分光器反射的激光a001入射到矩形漫反射屏上；用数字相机连续拍摄矩形漫反射屏上的光斑，数字相机连续拍摄得到的光斑图像序列被传送给第二计算机系统；第二激光器发出的激光a002经过第三透镜和第四透镜后入射到第二分光器上，从第二分光器透射过去的激光a002从对流式大气湍流模拟装置的第二玻璃窗口进入模拟的大气湍流中传输，并从对流式大气湍流模拟装置的第一玻璃窗口透射出去，从第一玻璃窗口透射出去的激光a002入射到第一分光器上，被第一分光器反射的激光a002入射到第五透镜上，经第五透镜聚焦后的激光a002入射到ccd探测器上，ccd探测器探测到的光斑图像被传送给第一计算机系统；ccd探测器到第五透镜的距离为第五透镜的焦距长度；对流式大气湍流模拟装置为封闭的四方形铁桶，正常工作时在铁桶内产生大气湍流。
1)确定在不存在模拟的大气湍流的情况下，ccd探测器探测到的光斑的质心，具体方法如下：
步骤step101：使对流式大气湍流模拟装置不工作，在对流式大气湍流模拟装置的铁桶内的空气为平静的大气；使第二激光器正常工作并发射激光a002；使ccd探测器和第一计算机系统正常工作；
步骤step102：把ccd探测器探测到的一帧光斑图像b001传送到第一计算机系统中，并把光斑图像b001的像素灰度矩阵保存在第一计算机系统的内存中的二维数组iccd中，数组iccd的行数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的行数，数组iccd的列数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的列数；
步骤step103：计算
2)调节和标定数字相机，具体方法如下：
步骤step201：使对流式大气湍流模拟装置不工作，在对流式大气湍流模拟装置的铁桶内的空气为平静的大气；使第一激光器正常工作并发射激光a001；使数字相机和第二计算机系统正常工作；调节矩形漫反射屏的位置，使入射到矩形漫反射屏上的激光a001的光斑位于矩形漫反射屏的中心部分；
步骤step202：使第一激光器不工作，用白光照射整个矩形漫反射屏；
步骤step203：在矩形漫反射屏上添加四个黑色的标记点，第一个标记点为p1，第二个标记点为p2，第三个标记点为p3，第四个标记点为p4，标记点p1、p2、p3、p4位于矩形漫反射屏的中心部分并间隔一定距离，p1和p2的连线垂直于p3和p4的连线，p1和p2的连线平行于矩形漫反射屏的一条矩形边ev1，p3和p4的连线平行于矩形漫反射屏的另一条矩形边eh1，矩形边ev1垂直于矩形边eh1；调节数字相机，使连接p1和p2的线段在数字相机拍摄到的图像中仅穿过同一行像素，使连接p3和p4的线段在数字相机拍摄到的图像中仅穿过同一列像素；
步骤step204：计算连接p1和p2的线段在数字相机拍摄到的图像中穿过的像素个数np12，计算连接p3和p4的线段在数字相机拍摄到的图像中穿过的像素个数np34；测量矩形漫反射屏上的连接p1和p2的线段的长度l12，测量矩形漫反射屏上的连接p3和p4的线段的长度l34；
步骤step205：从矩形漫反射屏上移除标记点p1、p2、p3、p4；
3)确定在不存在模拟的大气湍流的情况下，数字相机拍摄到的矩形漫反射屏上的光斑的质心，具体方法如下：
步骤step301：使对流式大气湍流模拟装置不工作，在对流式大气湍流模拟装置的铁桶内的空气为平静的大气；使第一激光器正常工作并发射激光a001；使数字相机和第二计算机系统正常工作；
步骤step302：把数字相机拍摄到的一帧光斑图像b002传送到第二计算机系统中，并把光斑图像b002的像素灰度矩阵保存在第二计算机系统的内存中的二维数组icam中，数组icam的行数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的行数，数组icam的列数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的列数；
步骤step303：计算
4)同时测量入射到ccd探测器上的激光a002的到达角和入射到矩形漫反射屏上的激光a001的光束漂移角，具体方法如下：
步骤step401：使对流式大气湍流模拟装置正常工作，使第一激光器正常工作并发射激光a001；使第二激光器正常工作并发射激光a002；使ccd探测器和第一计算机系统正常工作；使数字相机和第二计算机系统正常工作；在第一计算机系统中创建一个新磁盘文件file1，在第二计算机系统中创建一个新磁盘文件file2；
步骤step402：对ccd探测器探测到的每帧光斑图像b001，执行如下操作：
步骤step402-1：把光斑图像b001传送到第一计算机系统中，并把光斑图像b001的像素灰度矩阵保存在第一计算机系统的内存中的二维数组iccd中，数组iccd的行数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的行数，数组iccd的列数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的列数；
步骤step402-2：计算
步骤step402-3：令
步骤step403：对数字相机拍摄到的每帧光斑图像b002，执行如下操作：
步骤step403-1：把光斑图像b002传送到第二计算机系统中，并把光斑图像b002的像素灰度矩阵保存在第二计算机系统的内存中的二维数组icam中，数组icam的行数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的行数，数组icam的列数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的列数；
步骤step403-2：计算
步骤step403-3：令
5)在第4)部分的测量操作执行结束后，把文件file2拷贝到第一计算机系统中，计算入射到ccd探测器上的激光a002的到达角和入射到矩形漫反射屏上的激光a001的光束漂移角的相关系数，具体方法如下：
步骤step501：把保存在文件file1中的所有光到达角β1的值和保存在文件file2中的所有光束漂移角β2的值加载到第一计算机系统的内存中；在第一计算机系统的内存中创建一个一维数组aaoa来存储从文件file1中加载的所有光到达角β1的值，创建一个一维数组abw来存储从文件file2中加载的所有光束漂移角β2的值；把保存在文件file1中的第m个β1的值保存在aaoa[m]中，aaoa[m]表示数组aaoa的第m个元素，m＝1,2,3,…,num，num表示保存在文件file1中的β1的个数；把保存在文件file2中的第m个β2的值保存在abw[m]中，abw[m]表示数组abw的第m个元素，m＝1,2,3,…,num，num表示保存在文件file2中的β2的个数；
步骤step502：入射到ccd探测器上的激光a002的到达角和入射到矩形漫反射屏上的激光a001的光束漂移角的相关系数为：
第4)部分的测量操作连续执行tm分钟后结束，即ccd探测器连续探测tm分钟，数字相机连续拍摄tm分钟；分别利用第一计算机系统和第二计算机系统，步骤step402和步骤step403同时开始执行，ccd探测器探测连续两帧光斑图像b001的时间间隔等于数字相机拍摄连续两帧光斑图像b002的时间间隔；保存在文件file1中的β1的个数等于保存在文件file2中的β2的个数。
本发明的积极效果是可以通过测量获得光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角的相关系数，为研究和分析基于发射光束偏转角预补偿的自适应光束发射技术提供实验数据。由于可以人为控制对流式大气湍流模拟装置所模拟的湍流参数，因此可以方便地获得不同湍流参数条件下的光束正向湍流传输漂移角与反向传输到达角的相关系数测量值。
附图说明
图1为正向传输和反向传输示意图。
图2为测量系统结构示意图。
图3为矩形漫反射屏上的四个黑色标记点示意图。
图4为ccd探测器的像素矩阵以及像素的宽度和高度示意图。
具体实施方式
为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。在本实施例中，第一激光器101和第二激光器112选择半导体连续激光器，tm＝10分钟，ccd探测器106探测连续两帧光斑图像b001的时间间隔为1毫秒，数字相机113拍摄连续两帧光斑图像b002的时间间隔为1毫秒，nr1＝800，nc1＝800，nr2＝1000，nc2＝1000。
如图2所示，第一激光器101发出的激光a001经过第一透镜102和第二透镜103后入射到第一分光器104上，从第一分光器104透射过去的激光a001从对流式大气湍流模拟装置108的第一玻璃窗口116进入模拟的大气湍流中传输，并从对流式大气湍流模拟装置108的第二玻璃窗口117透射出去，从第二玻璃窗口117透射出去的激光a001入射到第二分光器109上，被第二分光器109反射的激光a001入射到矩形漫反射屏115上；用数字相机113连续拍摄矩形漫反射屏115上的光斑，数字相机113连续拍摄得到的光斑图像序列被传送给第二计算机系统114；第二激光器112发出的激光a002经过第三透镜111和第四透镜110后入射到第二分光器109上，从第二分光器109透射过去的激光a002从对流式大气湍流模拟装置108的第二玻璃窗口117进入模拟的大气湍流中传输，并从对流式大气湍流模拟装置108的第一玻璃窗口116透射出去，从第一玻璃窗口116透射出去的激光a002入射到第一分光器104上，被第一分光器(104)反射的激光a002入射到第五透镜105上，经第五透镜105聚焦后的激光a002入射到ccd探测器106上，ccd探测器106探测到的光斑图像被传送给第一计算机系统107；ccd探测器106到第五透镜105的距离为第五透镜105的焦距长度；对流式大气湍流模拟装置108为封闭的四方形铁桶，正常工作时在铁桶内产生大气湍流。
1)确定在不存在模拟的大气湍流的情况下，ccd探测器106探测到的光斑的质心，具体方法如下：
步骤step101：使对流式大气湍流模拟装置108不工作，在对流式大气湍流模拟装置108的铁桶内的空气为平静的大气；使第二激光器112正常工作并发射激光a002；使ccd探测器106和第一计算机系统107正常工作；
步骤step102：把ccd探测器106探测到的一帧光斑图像b001传送到第一计算机系统107中，并把光斑图像b001的像素灰度矩阵保存在第一计算机系统107的内存中的二维数组iccd中，数组iccd的行数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的行数，数组iccd的列数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的列数；
步骤step103：计算
2)调节和标定数字相机113，具体方法如下：
步骤step201：使对流式大气湍流模拟装置108不工作，在对流式大气湍流模拟装置108的铁桶内的空气为平静的大气；使第一激光器101正常工作并发射激光a001；使数字相机113和第二计算机系统114正常工作；调节矩形漫反射屏115的位置，使入射到矩形漫反射屏115上的激光a001的光斑位于矩形漫反射屏115的中心部分；
步骤step202：使第一激光器101不工作，用白光照射整个矩形漫反射屏115；
步骤step203：在矩形漫反射屏115上添加四个黑色的标记点，第一个标记点为p1，第二个标记点为p2，第三个标记点为p3，第四个标记点为p4，标记点p1、p2、p3、p4位于矩形漫反射屏115的中心部分并间隔一定距离，p1和p2的连线垂直于p3和p4的连线，p1和p2的连线平行于矩形漫反射屏115的一条矩形边ev1，p3和p4的连线平行于矩形漫反射屏115的另一条矩形边eh1，矩形边ev1垂直于矩形边eh1；调节数字相机113，使连接p1和p2的线段在数字相机113拍摄到的图像中仅穿过同一行像素，使连接p3和p4的线段在数字相机113拍摄到的图像中仅穿过同一列像素；
步骤step204：计算连接p1和p2的线段在数字相机113拍摄到的图像中穿过的像素个数np12，计算连接p3和p4的线段在数字相机113拍摄到的图像中穿过的像素个数np34；测量矩形漫反射屏115上的连接p1和p2的线段的长度l12，测量矩形漫反射屏115上的连接p3和p4的线段的长度l34；
步骤step205：从矩形漫反射屏115上移除标记点p1、p2、p3、p4；
3)确定在不存在模拟的大气湍流的情况下，数字相机113拍摄到的矩形漫反射屏115上的光斑的质心，具体方法如下：
步骤step301：使对流式大气湍流模拟装置108不工作，在对流式大气湍流模拟装置108的铁桶内的空气为平静的大气；使第一激光器101正常工作并发射激光a001；使数字相机113和第二计算机系统114正常工作；
步骤step302：把数字相机113拍摄到的一帧光斑图像b002传送到第二计算机系统114中，并把光斑图像b002的像素灰度矩阵保存在第二计算机系统114的内存中的二维数组icam中，数组icam的行数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的行数，数组icam的列数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的列数；
步骤step303：计算
4)同时测量入射到ccd探测器106上的激光a002的到达角和入射到矩形漫反射屏(115)上的激光a001的光束漂移角，具体方法如下：
步骤step401：使对流式大气湍流模拟装置108正常工作，使第一激光器101正常工作并发射激光a001；使第二激光器112正常工作并发射激光a002；使ccd探测器106和第一计算机系统107正常工作；使数字相机113和第二计算机系统114正常工作；在第一计算机系统107中创建一个新磁盘文件file1，在第二计算机系统114中创建一个新磁盘文件file2；
步骤step402：对ccd探测器106探测到的每帧光斑图像b001，执行如下操作：
步骤step402-1：把光斑图像b001传送到第一计算机系统107中，并把光斑图像b001的像素灰度矩阵保存在第一计算机系统107的内存中的二维数组iccd中，数组iccd的行数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的行数，数组iccd的列数等于光斑图像b001的像素灰度矩阵的列数；
步骤step402-2：计算
步骤step402-3：令
步骤step403：对数字相机113拍摄到的每帧光斑图像b002，执行如下操作：
步骤step403-1：把光斑图像b002传送到第二计算机系统114中，并把光斑图像b002的像素灰度矩阵保存在第二计算机系统114的内存中的二维数组icam中，数组icam的行数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的行数，数组icam的列数等于光斑图像b002的像素灰度矩阵的列数；
步骤step403-2：计算
步骤step403-3：令
5)在第4)部分的测量操作执行结束后，把文件file2拷贝到第一计算机系统107中，计算入射到ccd探测器106上的激光a002的到达角和入射到矩形漫反射屏115上的激光a001的光束漂移角的相关系数，具体方法如下：
步骤step501：把保存在文件file1中的所有光到达角β1的值和保存在文件file2中的所有光束漂移角β2的值加载到第一计算机系统107的内存中；在第一计算机系统107的内存中创建一个一维数组aaoa来存储从文件file1中加载的所有光到达角β1的值，创建一个一维数组abw来存储从文件file2中加载的所有光束漂移角β2的值；把保存在文件file1中的第m个β1的值保存在aaoa[m]中，aaoa[m]表示数组aaoa的第m个元素，m＝1,2,3,…,num，num表示保存在文件file1中的β1的个数；把保存在文件file2中的第m个β2的值保存在abw[m]中，abw[m]表示数组abw的第m个元素，m＝1,2,3,…,num，num表示保存在文件file2中的β2的个数；
步骤step502：入射到ccd探测器106上的激光a002的到达角和入射到矩形漫反射屏115上的激光a001的光束漂移角的相关系数为：
第4)部分的测量操作连续执行tm分钟后结束，即ccd探测器106连续探测tm分钟，数字相机113连续拍摄tm分钟；分别利用第一计算机系统107和第二计算机系统114，步骤step402和步骤step403同时开始执行，ccd探测器106探测连续两帧光斑图像b001的时间间隔等于数字相机113拍摄连续两帧光斑图像b002的时间间隔；保存在文件file1中的β1的个数等于保存在文件file2中的β2的个数。
如图2所示，图中虚线表示光轴，da表示从pa到pb的线段长度，db表示从pb到pc的线段长度，dc表示从pc到pd的线段长度。如图3所示，p1、p2、p3、p4是位于矩形漫反射屏中心部分的四个点；如图4所示，ccd探测器(106)的像素矩阵按行和列排列，ccd探测器(106)的像素高度和宽度已在图中标记出。