使用激光束与薄光致变色膜的相互作用来探测湍流状态的方法以及用于实施所述方法的设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明的领域为使得能够利用在激光束的传播中产生的扰动（perturbations) 来探测介质的端流（turbulences)的方法，W及实施该方法的紧凑型设备。
【背景技术】
[0002] 该种类型的方法同样能够用于测量端流速率（在给定的环境中更强或更弱）并且 用于测量端流对激光束的传播的影响。
[0003] 实际上，经由紧凑而分立的装置进行的对端流的分析具有许多潜在的应用，尤其 在环境领域，例如探测温度升高、在城镇中的空气移动。
[0004] 对由环境端流引起的激光束的传播的变动进行测量也能够是非常有益的。穿过端 流介质的激光束的传播在例如自由空间（大海、战场等等）中的光通信、目标的探测、成像 和远距离探测方面的应用尤其具有很高的重要性。在许多该样的应用中，使用了激光与其 电磁场相干特性。
[0005] 在随机介质（例如在大气端流）中传播的相干场经受随机的空间和时间崎变W及 光强度的闪变，而该会导致系统的性能相当大程度地下降。该些由于在接近地表面处温度 和压力的快速和持续地变化所导致的闪变在此更加严重并且更加显著，并且通过端流而引 入了波场的相结构的崎变，引起波与其自身相干设。
[0006] 该些在光束的数据和参数中的变化将基本限制引入了在自由空间中的光通信系 统的发展。大气端流的其中一个显著影响是波前的传播方向的波动，其被称作波前的到达 角波动或者波前倾斜。该角度通过不同的方法进行测量。
[0007] 其中一种方法在于，由于空间波动的测量对激光束行进的路径的长度高度敏感， 所W通过使用CCD摄像机来同步执行对激光束的到达角和激光束的强度相对于参考的波 动的差分测量（A.Consortini等，OpticsCommunications, 216, 19 - 23, (2003))。该波动 =次方取决于行进的光程的长度。
[000引其他方法在于使用激光束的结构化，或者利用干设条纹并且通过分析其在 多普勒激光测速仪类型的情况下的可视性化.J. Pjeider等，J.化t. Soc.Am.，卷 70(2)，167-170,（1980))，或者通过利用相同的步骤叠加参考条纹的图像和由端流导 致的条纹的图像所导致的莫尔条纹（化anges de Moir6)的位移化Rasouli等，化t. Lett.,31(22)，3276-3278,（2006))。莫尔结构给出了到达角的波动。
[0009] 在该两种情况下，由于必须为多普勒测速仪制造干设或者必须安装两个振幅光栅 并且必须确保其起始稳定性W用于莫尔技术，所W该些方法很难实施。对于波前倾斜而言， 则通过使用基于哈特曼-夏克类型（typeshark-hartmann)的分析方法的多项式技术来进 行分析（A.V.Sergryev等，Appl.Opt.，50 (20)，3519-3528,（2011))，并且需要用于分析激 光的波前的复杂而昂贵的系统。使用波前的到达角的波动或者波前倾斜来测量大气端流的 特征参数。折射率或C"2的结构参数是对沿着激光束传播路径的光学端流的力的测量。在 激光在自由空间中的传播中，到达角的波动的测量是在大气端流的研究中的基础步骤。
【发明内容】
[0010] 在此背景下，本申请的主题是易于实施的，给出用于评估介质的端流的设备的方 法，其特别地能够与易于实施的环境空气加热现象相关联并且能够大量地部署。
[0011] 更具体地，本发明的主题是用于评估介质的端流参数的方法，其特征在于包含下 述步骤：
[0012] -通过在所述介质中传播的激光束照射光致变色有机材料膜，所述光致变色有机 材料可W包括偶氮苯（d'azobenz細e)分子、或者螺化喃（spyropyrane)分子、或者二苯基 己締（sty化細e)分子、或者香豆素分子（coumarine)或者俘精酸酢（化Igide)分子，所述 照射在所述膜中形成包括条痕（striures)的表面格栅，该条痕的变形是端流参数的函数；
[0013]-获得图像的步骤，所述图像包括与所述条痕相关联的结构的单独区域，所述单独 区域或多或少地减少并且代表所述介质的端流参数；
[0014]-处理所述图像的步骤，其使得能够评估所述介质的端流参数。
[0015] 根据本发明的变型，所述方法包括获取通过形成的表面格栅产生的激光束的衍射 图像，所述图像展示出衍射光斑，该衍射光斑的特征取决于端流参数。
[0016] 根据本发明的变型，处理所述图像的步骤包括：
[0017]-对所述图像进行拉东变换（transformsdeRadon)的操作，从而生成通过在旋 转参考系中的图像运算而导出的图像，该图像运算根据属于所述图像的衍射区域生成属于 导出的图像的一组峰；
[0018]-将该组峰与端流状态的一组参考峰进行比较，从而评估所述介质的端流水平。
[0019] 根据本发明的变型，所述方法包括：
[0020]-通过原子力显微镜AFM进行图像的获取的步骤；
[0021] -处理所述图像的步骤，其使得能够识别、量化和分析在表面上形成的取决于端流 参数的单独区域，并且使得能够获得导出的图像；
[0022] -通过分形或者多重分形分析在所有的所述单独区域上对所述导出的图像进行分 析的步骤，使得能够限定尺度不变特性（propri6t6sd'invarianced'6chelle)并且确定 所述介质的端流信息。
[0023] 根据本发明的变型，处理所述图像的步骤包括下述操作：
[0024] -使用高斯滤波对每个采集点与相邻点进行平均，并且生成滤波图像；
[0025]-通过处理所述滤波图像来构造一组导出的图像，其能够通过将所述滤波图像转 换为二进制滤波图像来执行，然后对没有条痕的区域进行标记，从而增加在所述单独区域 之间的对比度。
[0026] 根据本发明的变型，分形或者多重分形分析的步骤包括下述步骤：
[0027] -根据两个维度X和y将所述图像划分为段N/s，定义分隔物为格子，N为图像的 维数，并且计算定义了信号的两个累积和X(i)和Y(i)，使得：
[002引
【主权项】
1. 一种用于评估介质的湍流参数的方法，其特征在于包括下述步骤： -通过在所述介质中传播的激光束照射光致变色有机材料膜，所述光致变色有机材料 能够包括偶氮苯分子、或者螺吡喃分子、或者二苯基乙烯分子、或者香豆素分子或者俘精酸 酐分子，所述照射在所述膜中形成包括条痕的表面格栅，所述条痕的变形是湍流参数的函 数； -获得图像的步骤，所述图像包括与所述条痕相关联的结构的单独区域，所述单独区域 或多或少地减少并且代表所述介质的端流参数； -处理所述图像的步骤，其使得能够评估所述介质的湍流参数。
2. 根据权利要求1所述的用于评估湍流参数的方法，其特征在于包括获取通过形成的 表面格栅产生的激光束的衍射图像，所述图像展示出衍射光斑，所述衍射光斑的特征取决 于端流参数。
3. 根据权利要求2所述的用于评估湍流参数的方法，其特征在于处理所述图像的步骤 包括： -对所述图像进行拉东变换的操作，从而生成通过在旋转坐标系中的图像运算而导出 的图像，所述图像运算根据属于所述图像的衍射区域生成属于导出的图像的一组峰； -将该组峰与湍流状态的一组参考峰进行比较，从而估计所述介质的湍流水平。
4. 根据权利要求1所述的用于评估湍流参数的方法，其特征在于包括： -通过原子力显微镜AFM进行图像的获取的步骤； -处理所述图像的步骤，其使得能够识别、量化和分析在表面上形成的取决于所述湍流 参数的单独区域，并且使得能够获得导出的图像； -通过分形或者多重分形分析在所有的所述单独区域上对所述导出的图像进行分析的 步骤，其使得能够限定尺度不变特性并且确定所述介质的湍流信息。
5. 根据权利要求4所述的用于评估湍流参数的方法，其特征在于处理所述图像的步骤 包括下述操作： -使用高斯滤波对每个采集点与相邻点进行平均，并且生成滤波图像； -通过处理所述滤波图像来构造一组导出的图像，其能够通过将所述滤波图像转换为 二进制滤波图像来执行，然后对没有条痕的区域进行标记，从而增加在所述单独区域之间 的对比度。
6. 根据权利要求5所述的用于评估湍流参数的方法，其特征在于分形或者多重分形分 析的步骤包括下述步骤： -根据两个维度X和y将所述图像划分成段N/s，定义分隔物为格子，N为图像的维数， 并且计算定义了信号的两个累积和X(i)和Y(i)，使得：
其中<χ>和<y>对应于在X和y上的信号的平均值； -在通过根据两个维度的两个多项式函数（pv(i)，qv(i))限定的表面的每个格子中的 估算，使得能够对所述信号进行近似，并且使得能够在每个格子中限定趋势和关于所述趋 势的变化，从而限定参数 Xs(i) = X(i) -pv(i)和 Ys(i) = Y(i) - qv(i); -计算消除了所述趋势的由下式定义的波动函数：
并且使得能够限定在函数Fq(S)和格子的尺寸（s)之间的幂次定律，并且能够限定多 重分形尺度指数τ (q); -确定奇异函数a (q) = dT (q)/dq以及多重分形谱：f(a) = q(a). a - s[q(a)]， 其展示出最大值f(a)^; -将值f ( a ) ^与校准表进行比较，所述校准表涉及值f ( a ) 与折射率Cn，并且使 得能够将折射率Cn与参考湍流参数相关联。
7. -种用于评估介质的湍流参数的设备，其特征在于包括： -测量单元，其包括： 〇光致变色有机材料膜，所述光致变色有机材料能够包括偶氮苯分子、或者螺吡喃分 子、或者二苯基乙烯分子、或者香豆素分子或者俘精酸酐分子； 〇发射激光束的激光源，所述激光束在所述介质中传播并且与所述膜相互作用从而形 成包括条痕的表面格栅，所述条痕的变形是湍流参数的函数； 〇探测器，其能够获取包括与所述条痕相关联的结构的单独区域的图像，所述单独区 域或多或少地减少并且代表所述介质的湍流参数，并且所述探测器生成关于所述图像的信 号； -用于接收和处理传递关于所述介质的湍流参数的评估信息的所述信号的设备。
8. 根据权利要求7所述的用于评估介质的湍流参数的设备，其特征在于其包括一组测 量单元，所述测量单元与所述接收和处理设备相连接。
9. 根据权利要求7或8中的一项所述的用于评估环境介质的湍流参数的设备的用途， 用于进行对空气运动的测量，例如在市区环境中。
【专利摘要】本发明涉及一种用于评估介质的湍流参数的方法，其特征在于所述方法包括下述步骤：通过在所述介质中传播的激光束照射由光致变色有机材料制成的膜，所述光致变色有机材料可以包括偶氮苯分子、螺吡喃分子、二苯基乙烯分子、香豆素分子或者俘精酸酐分子，所述照射形成表面阵列，其中所述膜包括具有基于湍流参数的变形的条痕；获得包括与所述条痕相关联的结构的基本区域的图像，所述基本区域或多或少地减少并且代表了所述介质的湍流参数；以及处理所述图像以评估所述介质的湍流参数。本发明还涉及用于实施所述方法的设备。
【IPC分类】G01P5-26, G01P5-00, G03H1-00
【公开号】CN104871008
【申请号】CN201380067659
【发明人】R·巴里尔
【申请人】国家科学研究中心, 昂热大学, 弗罗茨瓦夫理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2013年10月23日
【公告号】EP2912475A1, WO2014064159A1