一种用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置的制作方法

1.本发明涉及空间光通讯技术领域，具体涉及一种用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，激光作为一种主动光学遥感探测技术，在空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力及实时监测等方面具有独特的优势，广泛应用在航空航天、地理测绘、三维建模、大气环境监测、海洋遥感等领域得到了广泛的应用。而对激光在大气中传输中，大气特性是最重要的考虑因素。大气环境具有不稳定性，其受温度、湿度、密度等条件影响不断地变化，大气中的水、沙尘、气溶胶(雾、烟、霾、霭、微尘和烟雾)等也随之处于不停地运动和变化中，由于信道传输及大气介质的吸收、散射、湍流等影响，激光在大气传输过程中将出现衰减、闪烁、偏移、强度和相位起伏现象，使激光传输特征和光束质量受到影响。因此，在模拟激光在大气环境传输时应将大气视作一种随机介质，特别在对于模拟长距离大气环境中激光损伤特性而言，重点在于实现实际大气湍流以及气溶胶进行稳定、可控、高度仿真地等效，以及在可定量且全面的大气湍流及气溶胶模拟环境下开展激光传输特性的测量。而现有的大气环境模拟设备主要用于研究气溶胶成云过程粒子特性复杂的变化过程，以及湍流对该过程的影响研究，且箱体较大。
3.从现有技术可以得知，目前现有的大气模拟设备存在以下问题：(1)模拟的激光大气传输信道长度均较短(大部分在米级)，对于公里级的模拟设备研究较少，而对于实际应用而言，激光的传输距离均在公里级以外；(2)公开报道的湍流或者气溶胶模拟一般只能实现单要素对激光传输影响的测量，但不能实现综合效应的测量。(3)气溶胶模拟室内的气溶胶粒子存在一定的非均匀、非稳定，对于激光大气传输模拟测量误差较大。
4.因此，需要设计一种用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置，实现在米级设备中模拟公里级的真实气溶胶和湍流分布，评估高能激光在大气中长距离传输后受大气调制形成的衰减和畸变影响。


技术实现要素：

5.鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供了一种用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置，可以为高能激光设备的设计和研制提供理论依据，也可辅助开展激光性能的标定和实际开放环境中的性能评估，该装置实现了在米级设备中模拟公里级的真实大气气溶胶和湍流分布，评估高能激光在大气中长距离传输后受大气调制形成气溶胶效应的衰减和湍流效应的畸变影响。
6.为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置包括：模拟腔、湍流效应模拟系统、气溶胶效应模拟系统、检测装置及控制系统；
7.模拟腔的腔内设置有传输信道，所述模拟腔上于所述传输信道的两端设置有光学
窗口；
8.湍流效应模拟系统包括加热器和制冷机，所述加热器和制冷机的加热输出端和制冷输出端分别设置在所述传输信道两侧的所述模拟腔内；
9.气溶胶效应模拟系统包括气溶胶发生器及衰减片，所述气溶胶发生器向所述模拟腔内输入气溶胶颗粒物，所述衰减片设置在所述模拟腔外，并位于靠近激光发射端一侧的所述传输信道上；
10.检测装置设置在所述模拟腔远离激光发射端一侧的光学窗口外侧，用于接收和分析通过所述传输信道的测试激光；
11.控制系统分别电连接于所述湍流效应模拟系统和所述气溶胶效应模拟系统上。
12.在本发明一示例中，所述湍流效应模拟系统还包括多个风扇，所述多个风扇沿所述传输信道垂直方向设置在所述模拟腔中。
13.在本发明一示例中，所述加热器的加热输出端为多块加热板，所述多块加热板设置在所述模拟腔的内壁上。
14.在本发明一示例中，所述制冷机为水冷循环设备，所述制冷输出端为冷却液循环板，所述冷却液循环板上安装循环水冷管道。
15.在本发明一示例中，所述模拟腔外侧还设置有自校准机构，所述自校准机构包括校准光源和校准激光检测装置，所述校准光源在激光发射端发射激光经由所述衰减片沿所述传输信道穿过所述模拟腔并在激光检测端被所述校准激光检测装置所接收。
16.在本发明一示例中，所述衰减片与所述传输信道的夹角为45
°
至90
°
。
17.在本发明一示例中，所述衰减片沿与所述传输信道夹角45
°
方向设置，在所述衰减片反射沿所述传输信道入射激光的一侧设置有光陷阱。
18.在本发明一示例中，所述衰减片安装在运动台上，所述运动台在激光发射端沿所述传输信道的正交方向移动。
19.在本发明一示例中，所述气溶胶效应模拟系统还包括搅拌风扇，所述搅拌风扇设置在所述模拟腔内。
20.在本发明一示例中，所述气溶胶效应模拟系统还包括零级空气发生器和多个阀门，所述零级空气发生器向所述模拟腔中输入洁净空气，将所述模拟腔中的含有气溶胶颗粒物的气体从所述多个阀门中排出。
21.综上所述，本发明的用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置通过大气环境模拟腔产生真实气溶胶和湍流分布，并与衰减片结合的方案，将等量的气溶胶粒子数和湍流强度设置到米级的模拟装置上实现不同情况下的大气公里级效应，实现了公里级大气环境模拟，用于开展不同的传输距离、不同大气条件下大气衰减效应和湍流效应对激光传输的影响实验，获得激光能量衰减、光强闪烁、光束漂移及光束扩展下损伤作用情况。提出了激光自标定校正功能，满足高精度大气环境闭环模拟，解决了长光程路径气溶胶粒子和湍流强度过渡到米级模拟装置的等效参数控制技术，通过在衰减效应状态建立过程中对透过率进行实时测量和反馈，提高衰减效应的模拟精度和状态建立速度。用于评估长距离传输过程中大气环境下激光受大气的影响。可以为激光的设计和研制提供理论依据，也可以开展激光性能的标定和实际开放环境中传输特性的预测。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
23.图1为本发明用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置于一实施例中的结构示意图；
24.图2为本发明用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置于一实施例中的湍流效应模拟系统的结构示意图；
25.图3为本发明用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置于一实施例中的气溶胶效应模拟系统的结构示意图；
26.图4为本发明用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置于一实施例中的模拟装置工作流程图。
27.图5为本发明用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置于一实施例中的控制系统主控软件湍流效应模拟的界面示意图。
28.图6为本发明用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置于一实施例中的控制系统主控软件大气气溶胶效应模拟的界面示意图。
29.元件标号说明
30.100、模拟腔；110、输入光学窗口；120、输出光学窗口；130、传输信道；140、输入阀门；150、输出阀门；151、气溶胶过滤网；200、湍流效应模拟系统；210、加热器；211、加热板；220、制冷机；221、冷却液循环板；222、循环水冷管道；230、横向风扇；240、温度传感器；300、气溶胶效应模拟系统；310、气溶胶发生器；320、衰减片；321、运动台；330、零级空气发生器；340、搅拌风扇；350、校准光源；360、校准激光检测装置；370、光陷阱；400、控制系统；410、主机；600、测试激光器；700、检测装置。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
32.请参阅图1至图6。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或
调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
33.本发明的目的在于提供一种用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置，可以为高能激光设备的设计和研制提供理论依据，也可辅助开展激光性能的标定和实际开放环境中的性能评估，该装置实现了在米级设备中模拟公里级的真实大气气溶胶和湍流分布，评估高能激光在大气中长距离传输后受大气调制形成气溶胶效应的衰减和湍流效应的畸变影响。
34.请参阅图1至图3，图1示出了本用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置的结构示意图；图2示出了本用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置中湍流效应模拟系统200的结构示意图；图3示出了本用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置中气溶胶效应模拟系统300的结构示意图。本发明的用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置可模拟产生真实气溶胶和湍流分布，评估高能激光在大气中长距离传输后受大气调制形成的衰减和畸变影响。上述模拟装置可包括模拟腔100、湍流效应模拟系统200、气溶胶效应模拟系统300、检测装置700及控制系统400。
35.请参图1至图3，上述模拟腔100可为一立方形的封闭腔体，模拟腔100内设置有传输信道130，用于提供模拟激光在不同大气环境长距离传输的测试光路和校准光路，上述传输信道130沿着上述模拟腔100的长边方向设置，传输信道130的有效长度l在1m左右。模拟腔100在传输信道130的两端分别设有一个光学窗口，于激光发射端设置的为输入光学窗口110，于激光接收端设置的为输出光学窗口120，上述光学窗口上安装有高透过率的抗强光镜片，测试激光可无损耗的通过上述光学窗口。同时，为通过本模拟腔100模拟激光通过大气后受气溶胶效应的衰减和湍流效应的畸变影响，需在模拟腔100的激光发射端对应输入光学窗口110的位置设置测试激光器600，并在模拟腔100的激光接收端对应输出光学窗口120的位置设置对应的检测装置700。测试激光器600在激光发射端发射测试激光，测试激光沿传输信道130方向从输入光学窗口110进入模拟腔100，经模拟腔100中模拟的大气环境后由输出光学窗口120离开模拟腔100，再经过聚焦后被于激光接收端设置的检测装置700所接收，检测装置700对接收的测试激光进行检测，分析测量穿过模拟大气环境后测试激光的功率、相位、光斑质量等参数并与未经过模拟大气环境的测试激光进行对比，进而获得不同大气环境对于传输激光的具体影响。其中，测试激光器600所发射测试激光的强度、波长、脉冲宽度等参数可以不受限定，在本发明的模拟装置中可以通过更换不同的测试激光器600来实现发射测试激光参数的调整，并且于模拟腔100的激光接收端设置的检测装置700可应对不同的测试激光器600来进行设置，而在本发明的一实施例中，测试激光器600所发射激光的波长为1至1.5μm。
36.请参阅图1和图2，上述湍流效应模拟系统200包括加热器210、制冷机220及多个横向风扇230，上述加热器210和制冷机220的加热输出端和制冷输出端分别设置在传输信道130两侧的模拟腔100的壁体上，而多个横向风扇230沿着垂直激光的传输信道130方向设置在模拟腔100中。上述加热输出端为多块加热板211，而制冷机220为水冷循环设备，制冷输出端为冷却液循环板221，冷却液循环板221上安装有循环水冷管道222，在本发明一实施例中，上述多块加热板211沿传输信道130方向设置在模拟腔100的顶部，而冷却液循环板221沿着传输信道130方向设置在模拟腔100的底部，冷却液循环板221上的循环水冷管道222在模拟腔100底部的壁体上沿传输信道130方向从模拟腔100传输信道130的一端蜿蜒曲折延
伸至另一端，循环水冷管道222的两端连接于水冷循环设备上，上述设置方式可以有效地增加循环水冷管道222与冷却液循环板221的接触面积进而提升冷却液循环板221的制冷效果。
37.并且，请参见图1和图2，在本发明的一实施例中，湍流效应模拟系统200还包括多个温度传感器240和风速传感器。其中，上述多个温度传感器240沿传输信道130方向均布在模拟腔100内，并在模拟腔100的各个同一传输信道130位置上沿温度梯度方向设置多个温度传感器240，从而对模拟腔100中沿传输信道130方向的各个位置处的由湍流效应模拟系统200产生的温度梯度进行精准的监控；而上述风速传感器用于监控模拟腔100内的气流风速情况。
38.由上述内容可知，湍流效应模拟系统200通过在传输信道130两侧设置的加热板211和冷却液循环板221产生上下板温差环境，同时在垂直激光传输方向布置多个可变风力的横向风扇230，通过温度场和风力大小调节形成模拟实际地球大气环境的近地面与上空的湍流条件，实现激光大气公里级别长距离传输湍流效应的等效模拟。本湍流效应模拟系统200在有效测试长度为1m左右的模拟腔100中实现大气相干长度0.3cm以上的湍流状态模拟，满足湍流强度小于9.5
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不同能见度下大气环境水平大气传输1～50km和斜程传输距离1～20km(传输目标高度在5～8km)及透过率0.2～1的技术指标需求。综合分析各不确定因素，合成后大气湍流效应模拟精度为8.3％。
39.请参见图1和图3，上述气溶胶效应模拟系统300包括气溶胶发生器310及衰减片320。上述气溶胶发生器310能够产生固定粒径分布、流量精确控制的气溶胶颗粒，通过设置在模拟腔100壁体上的输入阀门140向模拟腔100内输入气溶胶颗粒物，以在模拟腔100中模拟典型的大气气溶胶状态。上述衰减片320设置在模拟腔100外，位于模拟腔100外的激光发射端一侧，可伸入传输信道130中与输入光学窗口110相对的位置上，用于辅助模拟激光在大气长距离传输过程中的气溶胶对激光的衰减效应。本气溶胶效应模拟系统300在较短距离的传输模拟时，如模拟传输距离小于等于20km时，不需衰减片320辅助便能模拟不同能见度情况下的大气气溶胶环境，但在低能见度、长距离传输模拟时，如能见度为5～15km而模拟传输距离大于20km时，则需将衰减片320切入传输信道130来补偿衰减效应。本气溶胶效应模拟系统300在有效测试长度l为1m左右的模拟腔100中通过气溶胶发生器310和衰减片320配合可以实现透过率0.09～1的连续状态模拟，进而实现激光在不同能见度下大气环境下水平传输1～50km和斜程传输1～20km(传输目标高度在5～8km)的气溶胶衰减效应的等效模拟。综合分析各不确定因素，合成后大气气溶胶衰减模拟精度为7.35％。
40.同时，上述模拟装置还包括自校准机构，上述自校准机构包括校准光源350和校准激光检测装置360，上述校准光源350设置在激光发射端，上述校准光源350发射标准激光经衰减片320透射/反射后沿传输信道130方向由输入光学窗口110进入模拟腔100，经过模拟腔100内含有气溶胶的气体衰减后从输出光学窗口120输出，标准激光进入校准激光检测装置360，通过比较经模拟腔100气溶胶气体衰减前后标准激光能量比值计算模拟气溶胶衰减透过率。模拟装置通过自校准机构在模拟过程中对系统模拟衰减系数进行实时标定、反馈以及控制，以确定模拟腔100内模拟的不同气溶胶大气环境的模拟距离。
41.请参见图1和图4，图4示出了用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置的工作流程图。上述控制系统400分别连接于湍流效应模拟系统200和气溶胶效应模拟系统
300中的各个组件上，是本用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置的主控单元，通过用户输入参数的计算出衰减效应和湍流效应模拟参数并控制各部组件协同工作，完成模拟状态的准确建立。同时控制系统400需要与主机410进行通讯，接收控制指令和反馈执行结果，并定时传输模拟腔100以及气溶胶效应模拟系统300和湍流效应模拟系统200的状态参量。具体地，在已有高能激光大气传输数理模型和定标规律基础上，根据用户输入如激光传输距离、大气环境的能见度和湍流强度等模拟条件调用大气辐射传输软件和高能激光大气传输软件进行计算出系统参数(温度差、风速和气溶胶流速)并进行设置，气溶胶衰减模拟和湍流闪烁模拟分别通过系统实时衰减自校准机构和离线相干长度高精度标定系统进行参数修正，保证激光大气传输模拟精度。
42.并且，上述控制系统400中还设置有一主机410，主机410上安装有模拟装置的主控软件，如图所示，图为模拟装置主控软件界面，主控软件界面分为三个区域：界面左边模块为模拟参数输入面板，中间模块为模拟值与实际值输出展示面板，右端模块为设备温度监控面板。
43.其中，请参见图5和图6，图5示出了用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置的控制系统400主控软件湍流效应模拟的界面示意图；图6示出了用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置的控制系统400主控软件大气气溶胶效应模拟的界面示意图。在本发明的一实施例中，用户可通过在主控软件输入参数来对目标大气环境进行模拟，所输入参数中以下三个参数为大气气溶胶效应模拟和大气湍流效应模拟公用：激光波长(1～1.5μm用户可设置)、传输方式(水平/斜程)以及传输距离(水平传输1～50km/斜程传输1～20km，其中选择斜程情况下需要输入目标高度5～8km)。用于气溶胶效应模拟所输入参数为，工作场景：城市型、乡村型、沙漠型和海洋型；能见度：低能见度(5～15km)、中能见度(15～23km)或高能见度(23～50km)，能见度同时支持用户输入数值自定义(5～50km)。用于湍流效应模拟输入参数为，湍流强度：低强度(1
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)、中强度(1
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)或高强度(1
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)，湍流强度同时支持用户自定义(1
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～1
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)输入数值。
44.上述模拟装置依据光学系统的要求和总体工作方案在模拟腔100及湍流效应模拟系统200和气溶胶效应模拟系统300中各个组件的外部设置有防护罩，在模拟腔100及湍流效应模拟系统200和气溶胶效应模拟系统300中各个组件之间设置框架系统，上述框架系统配合防护罩将整个模拟装置分为密闭舱和开放舱两个区域。模拟腔100及传输信道130光路上的光学组件均设置在密闭腔中，密闭舱上下板采用快速传热的导热铝板和维持温度场稳定的保温层组成，其中在保温层设置的加热板211和冷却液循环板221保证快速精确温度控制。湍流效应模拟系统200和气溶胶效应模拟系统300中各个于模拟腔100外设置的部组件设置在开放舱，开放舱主要考虑模拟装置中湍流效应模拟系统200和气溶胶效应模拟系统300的各个部组件的合理布局和物理隔离，同时提供电气、物理、安装孔和起吊接口。
45.请参见图1和图3，在本发明的一实施例中，上述衰减片320安装在运动台321上，运动台321设置在模拟腔100外的激光发射端一侧，可沿传输信道130的正交方向移动。上述运动台321电连于控制系统400上，在模拟装置模拟低能见度、长距离的激光传输时，运动台321受控制系统400控制承载衰减片320，将衰减片320切入传输信道130，以辅助模拟腔100进行气溶胶衰减效应模拟。
46.请参见图1，在本发明的一实施例中，上述衰减片320与传输信道130的夹角为45
°
至90
°
。在本实施例的一实施方式中，上述衰减片320沿与传输信道130夹角45
°
方向设置，并且在衰减片320反射沿传输信道130入射的测试激光一侧设置有光陷阱370，测试激光器600在激光发射端发射的测试激光经过上述衰减片320后透射激光沿传输信道130进入模拟腔100，反射激光沿传输信道130正交方向进入光陷阱370进行安全处理。同时，校准光源350相对光陷阱370设置在衰减片320的另一侧，校准光源350发射的标准激光经上述衰减片320透射激光沿传输信道130正交方向进入光陷阱370进行安全处理，反射激光沿传输信道130进入模拟腔100。
47.请参见图1和图3，在本发明的一实施例中，上述气溶胶效应模拟系统300还包括多个搅拌风扇340，上述多个搅拌风扇340设置在模拟腔100内靠近输入阀门140的一侧，搅拌风扇340能够产生0
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5m/s的可调风速。当气溶胶发生器310向模拟腔100内注入设定值的气溶胶颗粒物，气溶胶效应模拟系统300可通过开启搅拌风扇340并适时调节搅拌风扇340的风速，使模拟腔100内的气溶胶可以与腔内空气快速均匀混合。
48.在本实施例中，上述气溶胶效应模拟系统300还包括零级空气发生器330和多个输出阀门150，上述零级空气发生器330通过设置在模拟腔100壁体上的输入阀门140向模拟腔100内输入洁净空气，上述多个输出阀门150设置在背离输入阀门140一侧的模拟腔100壁体上，并且在每个输出阀门150的外侧还设置有气溶胶过滤网151，用于过滤从输出阀门150离开模拟腔100气体中的气溶胶，避免造成环境污染。当模拟实验完成后，零级空气发生器330便向模拟腔100中输入洁净空气，配合输出阀门150对模拟腔100进行清洗，将模拟腔100中的含有气溶胶颗粒物的气体从多个输出阀门150中排出，并经气溶胶过滤网151过滤后变为洁净空气。
49.本发明的用于评估大气对主动遥感探测方式影响的模拟转置通过大气环境模拟腔产生真实气溶胶和湍流分布，并与衰减片结合的方案，将等量的气溶胶粒子数和湍流强度设置到米级的模拟装置上实现不同情况下的大气公里级效应，实现了公里级大气环境模拟，用于开展不同的传输距离、不同大气条件下大气衰减效应和湍流效应对激光传输的影响实验，获得激光能量衰减、光强闪烁、光束漂移及光束扩展下损伤作用情况。并且，提供了激光自标定校正功能，满足高精度大气环境闭环模拟，解决了长光程路径气溶胶粒子和湍流强度过渡到米级模拟装置的等效参数控制技术，通过在衰减效应状态建立过程中对透过率进行实时测量和反馈，提高衰减效应的模拟精度和状态建立速度。用于评估长距离传输过程中大气环境下激光受大气的影响。可以为激光的设计和研制提供理论依据，也可以开展激光性能的标定和实际开放环境中传输特性的预测。
50.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。