大气湍流检测装置及大气湍流预测模型预测方法与流程

本发明涉及光纤通信，尤其是涉及一种大气湍流检测装置及大气湍流预测模型预测方法。

背景技术：

1、大气湍流是一种不规则的、随机和混乱的大气运动，它是由于大气内部的不均匀性和复杂的物理过程导致的。与平稳的层流运动不同，湍流表现为无序的气流涡旋、旋转、重叠和混合等现象。大气湍流的存在会带来气流的不稳定性，引发气压变化、气温变化和降水等天气变化，从而导致飞机等飞行器的剧烈晃动和不稳定。大气湍流在大气中扮演着能量转换和传输的重要角色，通过混合不同物质和能量，促进了大气的能量传递和混合，影响着大气中的温度、湿度和化学成分的分布，这对于天气、气候和环境变化都有重要影响。

2、现有的大气湍流检测技术主要有风廓线雷达、气象探空和卫星观测等。使用风廓线雷达来测量空气中离地面不同高度处的风速和风向，获得不同层次的风动力学特性，从而间接推测大气湍流的存在和特征；气象探空是利用气象探空仪器(如气球等)将观测仪器悬挂在气球上升至大气中不同高度并记录观测数据的方法；卫星观测提供了从空间上对大范围的大气湍流进行检测的手段。但是风廓线雷达、气象探空和卫星观测等观测仪器成本高、观测范围有限，且数据代表性偏弱检测准确度较低。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种大气湍流检测装置，以用于对大气湍流的强度进行准确的检测。一种大气湍流检测装置包括：入射光路、出射光路和太赫兹反射超表面；

2、入射光路包括沿着光束传输方向依次设置的激光发射模块、光衰减器、偏振器、透镜和准直器；

3、出射光路包括沿着光束传输方向依次设置的一号光纤收发器、云雾室、二号光纤收发器和接收设备；

4、太赫兹反射超表面设置在入射光路和出射光路之间。

5、更进一步，激光发射模块发射中心波长为1550nm，输出功率为100mw至750mw的光束。

6、更进一步，透镜的焦距为30mm，曲率半径为13.680mm。

7、更进一步，太赫兹反射超表面由线性极化元组成,厚度h为40μm，线性极化元的晶格空间lx×ly固定为130×130μm2。

8、更进一步，云雾室长度为10m，高度为3m，通光口径为40cm，室内包含大气传输衰减模拟装置，主要用来模拟雨、雾、风、温度、湿度等引起的光强衰减。

9、更进一步，接收设备为ccd相机，ccd相机的分辨率为1920×1080像素，帧率为25帧每秒。

10、更进一步，激光发射模块与接收设备之间的光路距离为50m。

11、另一方面，本发明还提供了一种大气湍流预测模型预测方法，方法包括：

12、获取接收设备采集的光束强度图；

13、将光束强度图输入到第一特征提取层，获取光束强度特征；

14、将光束强度特征输入到第二特征提取层，获取优化光束强度特征；

15、将优化光束强度特征输入到卷积神经网络中，获取卷积神经网络输出的大气湍流参数；

16、基于大气湍流参数对深度学习网络进行训练，将训练完成的深度学习网络作为大气湍流强度模型。

17、更进一步，第二特征提取层包括深层卷积和点卷积，将光束强度特征输入到第二特征提取层，获取优化光束强度特征，包括：

18、将光束强度特征输入到深层卷积，并将深层卷积的输出作为点卷积的输入，将点卷积的输出作为优化光束强度特征。

19、更进一步，卷积神经网络为resnet50神经网络，卷积神经网络中包括simam注意力模块。

20、本发明的有益效果在于：本发明公开的大气湍流检测装置包括：入射光路、出射光路和太赫兹反射超表面。激光发射模块发射的光束通过入射光路被太赫兹反射超表面反射，太赫兹反射超表面将该光束调制为贝塞尔光束并通过出射光路发射通过云雾室。云雾室可以模拟不同强度的大气湍流，进而可以得到贝塞尔光束通过不同强度的大气湍流下的光功率图，接收设备接收光功率分布图。然后将接收到的光功率分布图作为训练样本，训练大气湍流预测模型，待大气湍流预测模型训练完成后，基于大气湍流预测模型大气对湍流进行准确的检测。另外，与现有的检测技术相比，本发明利用数学模型对大气湍流进行准确的检测，无需使用昂贵的检测设备，即本发明对大气湍流进行检测的成本较低。

技术特征：

1.一种大气湍流检测装置，其特征在于，包括：入射光路、出射光路和太赫兹反射超表面(6)；

2.根据权利要求1所述的大气湍流检测装置，其特征在于，所述激光发射模块(1)发射中心波长为1550nm，输出功率为100mw至750mw的光束。

3.根据权利要求1所述的大气湍流检测装置，其特征在于，所述透镜(4)的焦距为30mm，曲率半径为13.680mm。

4.根据权利要求1所述的大气湍流检测装置，其特征在于，所述太赫兹反射超表面(6)由线性极化元组成，厚度h为40μm，线性极化元的晶格空间lx×ly固定为130×130μm2。

5.根据权利要求1所述的大气湍流检测装置，其特征在于，所述云雾室(8)的长度为10m，高度为3m，通光口径为40cm，云雾室(8)的室内包含大气传输衰减模拟装置，用来模拟雨、雾、风、温度、湿度引起的光强衰减。

6.根据权利要求1所述的大气湍流检测装置，其特征在于，所述接收设备(10)为ccd相机，所述ccd相机的分辨率为1920×1080像素，帧率为25帧每秒。

7.根据权利要求1所述的大气湍流检测装置，其特征在于，所述激光发射模块(1)与接收设备(10)之间的光路距离为50m。

8.一种大气湍流预测模型预测方法，其特征在于，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的大气湍流预测模型预测方法，其特征在于，所述第二特征提取层包括深层卷积和点卷积，将光束强度特征输入到第二特征提取层，获取优化光束强度特征，包括：

10.根据权利要求8所述的大气湍流预测模型预测方法，其特征在于，所述卷积神经网络为resnet50神经网络，所述卷积神经网络中包括simam注意力模块。

技术总结
本发明公开了一种大气湍流检测装置，属于光纤通信技术领域，大气湍流检测装置包括：入射光路、出射光路和太赫兹反射超表面；入射光路包括沿着光束传输方向依次设置的激光发射模块、光衰减器、偏振器、透镜和准直器；出射光路包括沿着光束传输方向依次设置的一号光纤收发器、云雾室、二号光纤收发器和接收设备；太赫兹反射超表面设置在入射光路和出射光路之间。本发明可以对大气湍流的强度进行准确的检测。

技术研发人员：戴武涛,刘海锋,刘波,吴继旋,曹宏远
受保护的技术使用者：天津寰宇星通科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22