一种获取低空湍流强度廓线的方法及装置

1.本发明属于光波大气传输探测和工程应用领域，特别涉及一种获取低空湍流强度廓线的方法及装置。


背景技术：

2.湍流强度廓线的参数模式是表征湍流强度随高度分布的常用方法，是研究者在进行大气折射率结构常数的测量过程中，根据测量当地长期的测量结果进行统计平均得出的随高度分布模式。参数模式是在大量测量数据的基础上归纳得出，并且融入了一些实时测量值，可在一定程度上反映测量地的在不同气象条件下的变化。
3.但是由于大气湍流强度会受到测量当地实时天气条件、不稳定对流等因素的影响，因此其在低空范围内随高度的变化较为剧烈。并且湍流强度由于受太阳辐射和地表辐射的强弱变化，还存在十分显著的日变化，而参数模式较为依赖先验数据，反映的是基于长期测量结果的统计平均，而并不能够很好反映特定传输路径上的模式的实时变化。
4.使用探空气球进行探测是一种获取湍流强度廓线的手段，但使用探空气球时，由于气球上升速率的限制，在低空范围内的结果往往缺乏实时性，并且该方法成本高，操作复杂。因此现在亟需一种获取低空湍流强度廓线的方法及装置来提高湍流强度廓线的实时性。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明一实施例中公开了一种获取低空湍流强度廓线的方法，所述方法包括以下步骤：
6.步骤s1：接收由激光信标产生的后向散射回波信号，在ccd相机上呈现至少一组由同一信标产生的两个光斑；
7.步骤s2：分别获取光斑的质心位置和光强数据；
8.步骤s3：根据质心位置计算出平行于以及垂直于每组光斑连线方向的质心起伏方差，计算每组所对应的大气相干长度，其中所述大气相干长度为路径的大气相干长度；并对每组光斑的光强进行归一化处理，计算得到归一化结构函数；
9.步骤s4：使用所述大气相干长度和归一化结构函数按照权重的不同联合计算出路径的湍流强度廓线，其中，所述权重即为所述大气相干长度和归一化结构函数在不同高度上对湍流强度的敏感度。
10.进一步的，所述接收由激光信标产生的后向散射回波信号具体包括：
11.通过接收望远镜接收激光器垂直发射的回波信号，其中，所述回波信号为激光器发射激光后在预设测量高度形成的激光信标产生的后向散射回波信号；
12.所述在ccd相机上呈现至少一组由同一信标产生的两个光斑具体包括：
13.在接收望远镜的接收孔径前设置接收遮罩，其中，所述接收遮罩上至少开设有一
组关于接收遮罩中心对称的两个子孔径，且所述子孔径安装有楔镜，使得所述回波信号经过所述子孔径进入所述接收望远镜后，可在所述ccd相机上产生至少一组由同一信标产生的分离的光斑。
14.进一步的，所述步骤s2具体包括：
15.计算每一帧所述光斑的质心位置、光强数据和采集帧率；
16.当达到预定帧数时，将当前采集的数据按组为单位进行存储计算。
17.进一步的，对每组存储数据中的光斑质心位置使用差分像运动方法，计算平行于以及垂直于每组光斑的质心起伏方差，根据所述质心起伏方差计算出相应测量路径的大气相干长度。
18.进一步的，对每组存储数据中的光斑强度数据采用基于cross-path理论的差分闪烁方法进行归一化处理，计算出相应测量路径的归一化结构函数；
19.其中归一化结构函数为i1和i2分别表示每组存储数据中的两个光斑的强度，《》表示系综平均。
20.进一步的，所述使用所述大气相干长度和归一化结构函数按照权重的不同联合计算出路径的湍流强度廓线具体包括以下步骤：
21.分别获取大气相干长度和归一化结构函数在计算时对不同高度湍流强度的权重，其中，所述权重为所述大气相干长度和归一化结构函数在不同高度上对湍流强度的敏感度。
22.进一步的，当存在不低于两组光斑时，
23.取每组光斑的大气相干长度的算术平均值作为当前高度的大气相干长度；
24.取每组光斑归一化结构函数的算术平均值作为当前高度的归一化光强数据。
25.本发明的另一实施例中还公开了一种获取低空湍流强度廓线的装置，所述装置包括依次设置的，
26.激光发射装置，用于发射特定波长的激光束并在预设测量高度形成激光信标；
27.接收望远镜，用于接收激光信标产生的后向散射回波信号；
28.安装在接收望远镜接收孔径前的接收遮罩，所述接收遮罩上至少开设有一组关于接收遮罩中心对称的两个子孔径，且所述子孔径安装有楔镜；窄带滤光镜片，选通波长与激光发射装置所发射激光波长相对应，用于对回波信号进行选通滤光；
29.反射镜，用于调整所述回波信号的传播方向；
30.ccd相机，用于接收所述回波信号；
31.处理器，用于根据输入数据计算低空湍流强度廓线。
32.本发明的另一实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质存有计算机程序，计算机程序运行后，执行上述实施例中任意一项所述的一种获取低空湍流强度廓线的方法。
33.本发明的另一实施例中还公开了一种计算机系统，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行上述实施例中任意一项所述的一种获取低空湍流强度廓线的方法。
34.有益效果
35.本发明利用不同湍流测量方法路径权重的差异来实时获取低空湍流强度廓线，开辟了低空湍流强度廓线获取的新方式，具有以下优点：
36.(1)利用光学方法实现了测量路径湍流信息的快速采集，不受探空气球等物理方法测量时，由于采集时间过长，导致采集时刻差异对结果存在影响，并有效提高了获取湍流强度廓线的实时性。
37.(2)传统单一指标湍流评价方法中存在对指定高度湍流路径权重过大，即对指定高度湍流过分敏感的问题，测量值仅可认为是等效值，也无法得到测量路径上湍流强度的分布。而本发明反而利用此问题，从两种不同湍流评价方法的路径权重差异中提取湍流强度分布信息。
38.(3)采用多组孔径接收，得到大气湍流特征相关时间内更丰富的子样，从而相较传统测量方法，单次测量能得到能接近系综值的测量值。
39.(4)本发明测量便捷、调试方便、对天气条件适用性强、测量稳定性高。
40.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1示出了大气湍流强度与对流层湍流、近地面湍流和大气本底之间的关系；
43.图2示出了根据本发明实施例中获取低空湍流强度廓线的方法流程图；
44.图3中示出了根据本发明实施例中大气相干长度在不同高度下对湍流强度的敏感度；
45.图4中示出了根据本发明实施例中归一化结构函数在不同高度下对湍流强度的敏感度；
46.图5中示出了使用本发明实施例中方法反演得到的湍流强度廓线中路径上一点的反演值与该点的实际测量值的对比结果图；
47.图6中示出了根据本发明实施例中一种获取低空湍流强度廓线的装置的结构示意图；
48.图7中示出了本发明实施例中接收遮罩上的俯视图。
49.图中：1、激光发射装置；2、接收遮罩；3、楔镜；4、接收望远镜；5、窄带滤光镜片；6、反射镜；7、ccd相机；8、处理器。
具体实施方式
50.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.如图1所示，湍流强度廓线主要是由对流层湍流、近地面湍流和大气本底三项决定，可以用公式(1)进行表示：
[0052][0053]
其中，z表示高度，表示在z高度的湍流强度，a1、b1和c联合表征了对流层湍流的强度和衰减率；a2表征近地面湍流强度，b2表征近地面湍流的衰减率；a3表征大气本底湍流强度，b3表征大气本底湍流的衰减率。
[0054]
对于典型大气，对流层湍流项对低空湍流强度的影响范围量级极小。因此在获取低空湍流强度廓线时，公式(1)可以转换为公式(2)：
[0055][0056]
另外由于a3和b3在一定区域内随时间的变化范围很小，因此可以通过历史数据得到大气本底的相关数据。
[0057]
基于上述理论基础，如图2所示，本发明公开了一种获取低空湍流强度廓线的方法，所述方法包括以下步骤：
[0058]
步骤s1：接收由激光信标产生的后向散射回波信号，在ccd相机上呈现至少一组由同一信标产生的两个光斑；
[0059]
步骤s2：分别获取光斑的质心位置和光强数据；
[0060]
步骤s3：根据质心位置计算出平行于以及垂直于每组光斑连线方向的质心起伏方差，计算每组所对应的大气相干长度，其中所述大气相干长度为路径的大气相干长度；并对每组光斑的光强进行归一化处理，计算得到归一化结构函数；
[0061]
步骤s4：使用所述大气相干长度和归一化结构函数按照权重的不同联合计算出路径的湍流强度廓线，其中，所述权重即为所述大气相干长度和归一化结构函数在不同高度上对湍流强度的敏感度。
[0062]
具体的，通过接收信标反射的回波信号，在ccd相机的探测面上呈现至少一组由同一信标产生的两个光斑，根据所述光斑可以分别计算出每个光斑的质心位置和光强数据。然后根据每组光斑的质心位置，计算出平行于两光斑质心连线方向的质心起伏方差σ
l2
，和垂直于两光斑质心连线方向的质心起伏方差σ
t2
。再根据起伏方差σ
l2
和σ
t2
计算出两光斑大气相干长度，另一方面对每组两个光斑的光强数据进行归一化处理，计算得到归一化结构函数。基于上述基础理论，根据每组光斑计算得出的大气相干长度和归一化结构函数可以计算得出整个测量路径的平均湍流强度，但是在测量路径的不同的高度上，大气相干长度和归一化结构函数对湍流强度的敏感度不同。并由此不同，大气相干长度和归一化结构函数得到了不同的整个测量路径的平均湍流强度测量结果。
[0063]
示例性的，对于某一测量路径，可以使用大气相干长度和归一化结构函数分别测
量得到结果大气相干长度r0(l)＝5cm和归一化结构函数大气相干长度和归一化结构函数的测量结果都反映的是整个测量路径的平均湍流强度测量结果，不能得到测量路径湍流强度分布。而用低空湍流廓线来表述该测量路径时，由于a3和b3在一定区域内随时间的变化范围很小，因此可以通过历史数据得到大气本底的相关数据。此时可知，有且总有系数a2和b2可以使得低空湍流廓线符合大气相干长度的测量结果r0(l)＝5cm和归一化结构函数的测量结果因此，根据一段时间内大气相干长度的测量结果和归一化结构函数的测量结果即可反演出该段时间内低空湍流廓线中的未知系数。
[0064]
通过本实施例，只需要测量出每组光斑的起伏方差和光强数据，即可解算出低空湍流强度廓线中的未知系数，从而可得到低空测量路径上的湍流强度分布廓线，大大提高了湍流强度廓线计算的实时性。
[0065]
以下对各个步骤进行具体说明：
[0066]
步骤s1：接收由激光信标产生的后向散射回波信号，在ccd相机上呈现至少一组由同一信标产生的两个光斑；
[0067]
具体的，激光发射装置垂直向天空中发射激光束，在测量高度产生一定直径的激光信标，所述激光信标产生后向回波信号，通过接收望远镜接收。示例性的，所述接收望远镜为卡塞格林望远镜。
[0068]
进一步的，在所述接收望远镜的接收孔径前设置接收遮罩，所述接收遮罩上至少开设有一组关于接收遮罩中心对称的两个子孔径，且所述子孔径安装有楔镜。回波信号经过接收望远镜后，依次经过窄带滤光镜片和反射镜，最终在ccd相机上形成至少一组由同一信标产生的分离的光斑，所述窄带滤光镜片用于对回波信号进行选通滤光，所述反射镜用于调整光斑在ccd探测面上的成像位置。
[0069]
示例性的，激光发射装置向空中发出波长为λ的激光束，在高度为l的位置上产生直径为a的激光信标，所述信标产生后向散射回波信号(以下简称回波信号)。所述楔镜上开设两组子孔径，共4个子孔径。被接收望远镜接收的回波信号经过窄带滤光镜片选通，再经反射镜进行反射，最终在ccd相机的探测面上最终得到两组共四个光斑。
[0070]
步骤s2：分别获取光斑的质心位置和光强数据。
[0071]
示例性的，通过步骤s1获得的至少一组光斑。计算每一帧中每个光斑的质心位置和光强数据，采集频率为f，每满n帧作为一组数据进行存储。在未达到n帧前，光斑的质心位置和光强数据为缓存状态，只有当达到n帧数据后才进行大气相干长度和归一化结构函数的计算。
[0072]
步骤s3：根据质心位置计算出平行于以及垂直于每组光斑连线方向的质心起伏方
差，计算每组所对应的大气相干长度，其中所述大气相干长度为路径的大气相干长度；并对每组光斑的光强进行归一化处理，计算得到归一化结构函数。
[0073]
每组光斑包括两个光斑，首先确定光斑质心位置，然后将两个质心进行连线。计算平行于该连线方向的质心起伏方差σ
l2
和垂直该连线该直线方向的质心起伏方差σ
t2
。
[0074]
示例性的，以直径为d，对向中心间距为d的子孔径接收遮罩为例。
[0075]
质心连线平行方向的起伏方差σ
l2
与平行方向上的大气相干长度之间的关系如公式(3)：
[0076]
σ
l2
＝2λ2r
0,l-5/3
[0.179d-1/3-0.0968d-1/3
]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0077]
质心连线平行方向的起伏方差σ
l2
与垂直方向上的大气相干长度之间的关系如公式(4)：
[0078]
σ
t2
＝2λ2r
0,t-5/3
[0.179d-1/3-0.145d-1/3
]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0079]
其中，λ表示光斑的波长，d表示光斑的直径，r
0,l
表示由水平方向上的质心起伏计算得到的大气相干长度，r
0,t
表示由垂直方向上的质心起伏计算得到的大气相干长度。
[0080]
由该组光斑得到的测量路径l的大气相干长度r0(l)如公式(5)：
[0081][0082]
具体的，光强归一化结构函数为其中di(d)＝《(i
1-i2)2》
[0083]
其中，《》表示系综平均。通过步骤s3得到使用同一组后向回波信号数据得到的大气相干长度r0(l)和归一化结构函数
[0084]
步骤s4：使用所述大气相干长度和归一化结构函数按照权重的不同联合计算出路径的湍流强度廓线，其中，所述权重即为所述大气相干长度和归一化结构函数在不同高度上对湍流强度的敏感度。
[0085]
具体的，在垂直测量时，大气相干长度r0(l)与其测量路径上折射率结构常数分布的关系为公式(6)：
[0086][0087]
其中k＝2π/λ，为波数。
[0088]
具体的，在垂直测量时，归一化结构函数与其测量路径上折射率结构常数的关系为公式(7)：
[0089][0090]
其中，κ为空间波数，j0和j1为别为0阶和1阶贝塞尔函数。
[0091]
进一步的，图3、图4是由公式(6)和公式(7)计算得到的路径权重，代表的是折射率结构常数在大气相干长度和归一化结构函数计算时的权重随路径的变化。
[0092]
如图3所示，通过大气相干长度计算测量路径上折射率结构常数分布时，随着高度的增加大气相干长度对折射率结构常数的归一值越来越小，即随着高度的增加大气相干长度与湍流强度的敏感度越来越弱，两者之间的相互关系越来越低。如图4所示，通过归一化结构函数计算测量路径上折射率结构常数分布时，随着高度增加，折射率结构常数的归一值越来越大，在高度600m左右权重达到最高，之后随着高度的增加，折射率结构常数的归一值越来越小。综上，本实施例中根据大气相干长度和归一化结构函数来获取湍流强度。由于积分权重差异，所以导致大气相干长度和归一化结构函数对不同高度湍流的敏感度不同，因此得到了不同的整个测量路径的平均湍流强度测量结果。
[0093]
进一步的，得到大气相干长度和归一化结构函数在计算湍流强度时的权重后，采用拟合计算的方式获得模式系数a2、a3、b2、b3，代入公式(2)获得低空湍流强度廓线。进一步的，由于大气本底变化不剧烈以及地区间差异小，a3和b3可使用测量地先验模式中的参数，或使用通用模式中的参数进行固定或设定预估范围再代入公式(2)中计算。
[0094]
进一步的，所述接收由激光信标产生的后向散射回波信号具体包括：
[0095]
通过接收望远镜接收激光器垂直发射的回波信号，其中，所述回波信号为激光器发射激光后在预设测量高度形成的激光信标产生的后向散射回波信号；
[0096]
所述在ccd相机上呈现至少一组由同一信标产生的两个光斑具体包括：
[0097]
在所述接收望远镜的接收孔径前设置接收遮罩，所述接收遮罩上至少开设有一组关于接收遮罩中心对称的两个子孔径，且所述子孔径安装有楔镜，使得所述回波信号经过所述子孔径后进入所述接收望远镜。
[0098]
示例性的，激光发射装置垂直向空中发生激光束，所述激光束产生后向散射信号，通过ccd相机门控设置，选通特定探测高度的后向散射信号，从而产生激光信标。示例性的，一组安装有楔镜的子孔径进行后向散射信号的接收，由于楔镜的偏折作用，可在ccd相机上产生一组由同一信标产生的分离的光斑。
[0099]
在本发明的另一实施例中，对每组存储数据中的光斑质心位置使用差分像运动方法，计算平行于以及垂直于每组光斑的质心起伏方差，根据所述质心起伏方差计算出相应测量路径的大气相干长度。
[0100]
具体的，记录每一帧中的光斑质心位置和光强数据，当达到n帧后，将该组数据采用差分像方法进行处理，得到平行于以及垂直于每组光斑的两组质心起伏方差，然后分别根据两组质心起伏方差分别计算两个方向的大气相干长度，最后根据两个方向的大气相干
长度计算得到总的大气相干长度。
[0101]
另一方面，对每组存储数据中的光斑强度数据采用基于cross-path理论的差分闪烁方法进行归一化处理，计算出相应测量路径的归一化结构函数；
[0102]
其中归一化结构函数为i1和i2分别表示每组存储数据中的两个光斑的强度，《》表示系综平均。
[0103]
具体的，系综平均指的是相同条件下对n个观测资料的平均。其中n个观测资料指的是每组存储数据中存储的n帧光斑强度。
[0104]
在本发明的另一实施例中所述使用所述大气相干长度和归一化结构函数按照权重的不同联合计算出路径的湍流强度廓线，具体包括以下步骤：
[0105]
分别获取大气相干长度和归一化结构函数在计算时对不同高度湍流强度的权重，所述权重即为所述大气相干长度和归一化结构函数在不同高度上对湍流强度的敏感度。
[0106]
在本发明的另一实施例中，当存在不低于两组光斑时，
[0107]
取每组光斑的大气相干长度的算术平均值作为当前高度的大气相干长度；
[0108]
取每组光斑归一化结构函数的算术平均值作为当前高度的归一化光强数据。
[0109]
使用对组子孔径会获得多组光斑，对多组子孔径产生的光斑进行独立计算，得到不同的大气相干长度和归一化处理的光强数据。然后将不同的大气相干长度和归一化处理的光强数据求算术平均值，使得采集的数据更加准确，而且可以降低系统误差和避免错误的出现。
[0110]
示例性的，如图5所示，在本实施例中，以使用本方法所反演得到的湍流强度廓线中路径上一点的反演值与该点的实际测量值进行比较，由图5可知，两曲线在数量和趋势上都拥有较好一致性，可以认为本发明拥有较好的置信度，其中，图5中本发明所得结果
×
0.1，以避免数据线重叠乃至难以分辨。
[0111]
具体的，本次对比测试使用波长λ为532nm；测量高度l为1km；产生的信标直径a约为8cm；接收子孔径直径d为12cm；中心间距d为24cm；ccd相机采集帧率f为20hz，一组存储的数据包含帧数n为200。在晴天进行了低空湍流强度廓线的实施获取，且每5分钟输出一次实时低空湍流强度廓线。为验证准确性，在测量路径上的一适当位置h架设折射率结构常数探测设备获取该位置的实时折射率结构常数并将其与使用本发明所述一种使用路径权重差异实时获取低空湍流强度廓线的系统及方法测算的该点的折射率结构常数进行比较，结果如图5所示。
[0112]
如图6和图7所示，在本发明的另一实施例中还公开了一种获取低空湍流强度廓线的装置，所述装置包括依次设置的，
[0113]
激光发射装置，用于发射特定波长的激光束并在形成激光信标；
[0114]
接收望远镜，用于接收激光信标产生的后向散射回波信号；
[0115]
安装在接收望远镜接收孔径前的接收遮罩，所述接收遮罩上至少开设有一组关于接收遮罩中心对称的两个子孔径，且所述子孔径安装有楔镜；
[0116]
窄带滤光镜片，选通波长与激光发射装置所发射激光波长相对应，用于对回波信号进行选通滤光；
[0117]
反射镜，用于调整所述回波信号的传播方向；
[0118]
ccd相机，用于接收所述回波信号；
[0119]
处理器，用于根据输入数据计算低空湍流强度廓线。
[0120]
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质存有计算机程序，计算机程序运行后，执行如上述任意一实施例中所述的一种获取低空湍流强度廓线的方法。
[0121]
在本发明的另一实施例中还公开了一种计算机系统，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如上述任意一实施例中所述的一种获取低空湍流强度廓线的方法。
[0122]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。