一种利用测量大气相干长度的结果反演大气折射率结构常数的方法与流程

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种利用测量大气相干长度的结果反演大气折射率结构常数的方法。

背景技术：

无线激光通信也称为自由空间光通信，是一种在大气信道中通过激光实现点对点，点对多点或者多点对多点间的双向通信技术。由于大气湍流造成的光束扩展、漂移、光强起伏以及相干性的退化等特性使得激光在大气中传输时会受到影响，降低系统成像质量，制约无线光通信系统性能的提高，严重时会引起激光传输链路的中断。长距离传输时，必须考虑大气湍流作用的影响，大气折射率结构常数是用来度量由温度起伏引起的折射率起伏强度，是大气光学的基本参数之一，也是湍流强度的重要评价参数。由于大气折射率结构常数是随机起伏的，需要对其进行大量的实验观测才能得到其统计规律，大气相干长度可以描述光波在湍流大气中传播的空间相干特性，体现了光波通过湍流传播的衍射极限，同时也可以描述整层大气传输路径上湍流强度的总和，所以可以利用大气相干长度通过公式可以反演出大气折射率结构常数

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种利用测量大气相干长度的结果反演大气折射率结构常数的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种利用测量大气相干长度的结果反演大气折射率结构常数的方法，包括如下步骤：

步骤1、设计一套差分像运动法测量大气相干长度系统，对波前畸变引起的到达角起伏的探测；

步骤2、由步骤1的测量系统在接收端的像面得到多幅单帧短曝光的差分运动光斑图像；

步骤3、通过统计任意两光斑质心水平和垂直方向的抖动方差和利用公式计算不同方向上的大气相干长度值r0；

步骤4、将步骤3中不同方向上的大气相干长度值反射r0统计求平均获得当时刻的大气相干长度测量值；

步骤5、根据步骤4中的测量值通过公式反演出大气折射率结构常数的值。

作为本发明进一步的方案，在步骤1中设计的测量系统为激光光斑图像采集系统，激光光斑图像采集系统由激光器、发射端模块、接收端模块及计算机终端组成；激光器发射出波长为650nm的激光由发射端的望远镜分为四束后在大气中传输一段距离后，接收端的ccd相机从固定位置进行采集激光经大气传播后的差分运动光斑图像。

作为本发明进一步的方案，步骤3具体包括以下步骤：

利用matlab软件编写算法求取出多幅图像中两两光斑的质心水平和垂直方向的抖动方差和利用公式(1)计算出各个方向上的大气相干长度值，求取所有方向上的统计平均当作实际测量值；

其中，λ为光波波长，f为光学系统等效焦长，和分别为差分像光斑质心在平行和垂直于质心连线方向上分离量的方差，d为子瞳口径，d为子瞳中心间距，并要求d≥2d；

光斑质心的坐标位置按照如下算法获得：

先使用图像处理软件滤除掉图像中形态学噪声以及边缘化处理后，利用阈值处理区域分割技术提取出目标区域；阈值的选取使用迭代选择阈值法来确定阈值，具体为：

步骤3.1：扫描整张图像，计算最大、最小灰度值，取平均作为初始阈值r；

步骤3.2：用r将整张图像分为两个区域s1和s2；

步骤3.3：对两个区域分别计算平均灰度值u1和u2；

步骤3.4：计算新阈值重复步骤3.2～3.4，直与上次计算的r值相同；

选取合适的阈值后，通过实验从第一帧图像提取出每个光斑的边缘，标记出四个矩形作为先验知识，在此基础上添加合适像素点扩大扫描范围后再进行光斑质心位置提取，提高了识别速度。

作为本发明进一步的方案，所述步骤5的公式，如下公式(2)所示：

式中k为波束，l为传输距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)在本发明的方法中，快速的在差分运动图像中提取出目标光斑的物理信息，计算出多个方向上的大气相干长度值，求取出多个统计量的平均值；

(2)在实际中，可利用测量得到的平均值实时反演出大气折射率结构常数，本发明的方法中通过大气相干长度与大气折射率结构的对应关系，达到即使准确测量大气折射率结构常数的要求。

附图说明

图1是本发明激光光斑图像采集系统组成原理图；

图2是本发明的方法中涉及的光斑质心位置与到达角关系图；

图3是本发明的方法中涉及的实验采集的差分像运动图像；

图4是本发明的方法中涉及的标记质心后的差分像运动图像；

图5是本发明的方法中涉及的改进后的质心提取算法流程图；

图6是本发明的方法中涉及的计算得出不同方向上的大气相干长度值对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的阐述。

步骤1、设计一套差分像运动法测量大气相干长度系统，对波前畸变引起的到达角起伏的探测；

图1为激光光斑图像采集系统组成原理图，由激光器、发射模块、接收模块及计算机终端组成；激光器发射出波长为650nm的激光由发射端望远镜分为四束后在大气中传输一段距离后，由ccd相机从固定位置进行采集激光经大气传播后的差分运动图像；

步骤2、由步骤1的测量系统在接收端的像面得到多幅单帧短曝光的差分运动光斑图像；

图2为光斑质心位置与到达角关系图；

图3为实验采集得到的单幅差分像运动图像；

步骤3、通过统计任意两光斑质心水平和垂直方向的抖动方差和利用公式计算不同方向上的大气相干长度值r0；

利用matlab软件编写算法求取出多幅图像中两两光斑的质心水平和垂直方向的抖动方差和图4为标记质心后的差分运动图像；利用公式(1)计算出各个方向上的大气相干长度值，求取所有方向上的统计平均当作实际测量值；

其中，λ为光波波长，f为光学系统等效焦长，和分别为差分像光斑质心在平行和垂直于质心连线方向上分离量的方差，d为子瞳口径，d为子瞳中心间距，并要求d≥2d；

光斑质心的坐标位置按照如下算法获得：

先使用图像处理软件滤除掉图像中形态学噪声以及边缘化处理后，利用阈值处理区域分割技术提取出目标区域；阈值的选取使用迭代选择阈值法来确定阈值，具体步骤包括：

步骤3.1：扫描整张图像，计算最大、最小灰度值，取平均作为初始阈值r；

步骤3.2：用r将整张图像分为两个区域s1和s2；

步骤3.3：对两个区域分别计算平均灰度值u1和u2；

步骤3.4：计算新阈值重复步骤3.2～3.4，直与上次计算的r值相同；

选取合适的阈值后，通过实验从第一帧图像提取出每个光斑的边缘，标记出四个矩形作为先验知识，在此基础上添加合适像素点扩大扫描范围后再进行光斑质心位置提取，提高了识别速度，图5为改进后的质心提取算法流程图。

本发明采用最终优化算法对采集的光斑图像进行处理分析，优化处理图像时先从第一帧图像提取出光斑的边缘，标记出四个矩形作为先验知识，在此基础上添加合适像素点扩大扫描范围后再进行光斑质心位置提取，可以大幅度的提升处理速度。

步骤4、将步骤3中不同方向上的大气相干长度值反射r0统计求平均获得当时刻的大气相干长度测量值；

图6为通过计算得出不同方向上的大气相干长度值对比图。

步骤5、根据步骤4中的测量值通过公式反演出大气折射率结构常数的值；

利用公式(2)反演出大气折射率结构常数：

式中k为波束，l为传输距离。

本发明一种利用测量大气相干长度的结果反演大气折射率结构常数的方法，利用大气相干长度与大气折射率结构的对应关系，达到实时准确测量大气折射率结构常数的要求。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。