一种大气扰动光信号全链路传输模型构建方法与流程

1.本发明涉及一种大气扰动光信号全链路传输模型构建方法，采用数学模型对扰动光信号在大气环境中的传输路径及能量特性进行全面描述。


背景技术：

2.大气扰动光信号全链路传输模型可以全面描述大气环境对扰动光传输的影响机理，解决现阶段对大气扰动光全链路传输特性研究尚不明晰，尚无大气扰动光信号全连路传输模型的问题。现阶段对大气环境特性的研究主要针对于大气环境某一特性进行单独研究，如大气散射、大气吸收等，并无对大气环境扰动光全链路传输特性的研究，同时研究对象主要针对电磁波、激光等，未有对空中目标运动形成的大气扰动光信号的传输特性进行的相关研究，尚无大气扰动光信号全链路传输模型。在此情况下，本发明提出大气扰动光信号全链路传输模型的构建方法，对大气扰动光信号传输情况的进行深入研究与分析，解决现阶段对大气扰动光全链路传输特性不明晰的问题。
3.利用大气扰动光信号全链路传输模型可以消除和补正扰动光在大气传输过程中附加的噪声等其他影响，解决基于大气扰动探测目标时扰动光信息信噪分离与信号检出问题。由于光在大气环境中的传输特性受多种大气环境因素影响，如大气湍流，大气散射等，能否明晰各因素之间的相互耦合关系以及对于扰动光传输的影响对于基于大气扰动进行目标探测时能否进行信噪分离以及信号检出具有决定性影响。故此，大气扰动光信号全链路传输模型的构建，利用数学方式描述了大气环境各因素之间耦合效应以及其对大气扰动光传输的影响，解决基于大气扰动探测目标时扰动光信息信噪分离与信号检出问题。
4.大气扰动光信号全链路传输模型可以增强基于大气扰动的目标探测技术对大气环境的适应能力，解决基于大气扰动的目标探测技术于地基、空基平台的应用问题。随着各国对隐身技术的大力发展，目前各国空中目标的隐身能力不断提高，传统红外、雷达等目标探测手段对该类目标探测难度日益加大，利用目标飞行产生的大气扰动对空中目标进行探测将是解决这一问题的良好途径，目前该项技术的主要问题在于对大气扰动光信号在大气层传输过程对扰动光信号的影响情况尚不明晰，而大气环境中光线传输情况复杂，进而导致探测效能不能够保证。


技术实现要素：

5.本发明的技术解决问题是：弥补现有技术研究的不足，提供一种大气扰动光信号全链路传输模型构建方法，采用数学模型对扰动光信号在大气环境中的传输路径及能量特性进行全面描述，解决大气环境扰动光传输特性不明晰的问题；同时该模型可应用于空基、天基平台基于大气扰动的目标探测领域，利用大气扰动光信号全链路传输模型可对扰动光信号在大气层内传输过程中受到的影响进行有效的消除与补正，解决基于大气扰动探测目标时扰动光信息信噪分离与信号检出问题。
6.本发明的技术解决方案是：一种大气扰动光信号全链路传输模型构建方法，包括
以下步骤：
7.s1、构建地物反射光传输模型；
8.s2、耦合大气密度折射率场影响模型、大气湍流折射率场影响模型、气溶胶散射场影响模型、大气吸收效应影响模型；根据大气密度折射率场影响模型和大气湍流折射率场影响模型，对折射率n进行联立求解，得出大气密度折射率场影响模型、大气湍流折射率场影响模型耦合后的折射率n，即对地物反射光传输的路径影响；同理根据气溶胶散射场影响模型、大气吸收效应影响模型对光线能量情况e(λ)进行联立求解，得出气溶胶散射场影响模型、大气吸收效应影响模型耦合后对地物反射光传输能量情况e(λ)的影响；
9.s3、耦合目标大气扰动折射率场模型，形成大气扰动光信号传输模型；将步骤s2中的大气密度折射率场影响模型、大气湍流折射率场影响模型同目标大气扰动折射率场模型进行联立，对折射率n进行求解，获得耦合目标大气扰动折射率场模型后整体模型对地物反射光传输路径的影响，即大气扰动光信号传输模型；
10.s4、大气扰动光信号传输模型耦合大气密度折射率场影响模型、大气湍流折射率场影响模型、气溶胶散射场影响模型、大气吸收效应影响模型；根据步骤s3中获得的大气扰动光信号传输模型，联立大气密度折射率场影响模型、大气湍流折射率场影响模型、气溶胶散射场影响模型、大气吸收效应影响模型，对折射率n以及地物反射光传输能量情况e(λ)进行求解，求解方式与步骤s2相同；
11.s5、耦合探测平台气动光学效应模型，形成最终大气扰动光全链路传输模型；将经过步骤s4耦合过的大气扰动光信号传输模型同探测平台气动光学效应模型进行联立，对折射率n进行求解，获得耦合探测平台气动光学效应模型后整体模型对地物反射光传输路径的影响，即大气扰动光全链路传输模型。
12.在步骤s1中，所述地物反射光传输模型为地物反射光在理想大气环境中的传输情况模型，即光在同性均匀介质中沿直线传播的传输模型。
13.在步骤s2中，大气密度折射率场影响模型为大气环境因不同高度气体密度不同而发生折射率变化形成的大气密度折射率场模型，影响地物反射光的传播路径，使其并非沿直线传播。
14.在步骤s2中，大气湍流折射率场影响模型为大气环境中空气质点呈无规则或随机变化的运动而产生的大气折射率变化模型，其分布特性服从统计学特性，与大气密度折射率场共同影响地物反射光在大气环境中的传播路径。
15.在步骤s2中，气溶胶散射场影响模型为大气环境中的悬浮颗粒物如烟尘、云雾、pm2.5颗粒形成的大气气溶胶对地物反射光的散射作用模型，影响地物反射光的能量损耗。
16.在步骤s2中，大气吸收效应影响模型为光波通过大气时，为了克服大气分子内部阻尼力要消耗能量，转化为其他形势的能量，对地物反射光线的吸收效应模型，影响地物反射光的能量损耗。
17.在步骤s3中，目标大气扰动折射率场模型为空中运动目标依靠空气动力学原理飞行时产生大气扰动改变空气密度从而产生的折射率场模型，影响地物反射光的传播路径。
18.在步骤s3中，大气扰动光信号传输模型为地物反射光经目标大气扰动折射率场后附带目标扰动信息而形成的大气扰动光信号在理想大气环境中的传输情况模型，大气扰动光信号可以表征目标的信息。其具体构建方法如步骤s3中所述。
19.在步骤s4中，探测平台气动光学效应模型为大气扰动光信号的探测平台在大气层内运动时其光学探测窗口周围复杂流场对光线传输造成的传输干扰模型，引起目标扰动光传输发生偏移、抖动现象。
20.本发明与现有技术相比的优点在于：
21.(1)全面考虑大气密度折射率场、大气湍流折射率场、气溶胶散射场以及大气吸收效应，充分分析各因素对大气扰动光传输的影响特性，精确表述大气环境对大气扰动光传输的影响情况，解决大气环境扰动光传输特性研究尚不明晰、尚无大气扰动光信号全链路传输模型的问题。
22.(2)构建大气密度折射率场、大气湍流折射率场、气溶胶散射场以及大气吸收效应、探测平台的气动光学效应影响模型，并进行各模型耦合效应分析，构建大气扰动光信号全链路传输模型，以此消除和补正扰动光在大气传输过程中附加的噪声等其他影响，解决基于大气扰动探测目标时扰动光信息信噪分离与信号检出问题。
23.(3)本发明考虑光线探测平台的气动光学效应，构建探测平台的气动光学效应模型并同大气密度折射率场影响模型等模型耦合，形成大气扰动光信号全链路传输模型，模型构建更加的贴合实际应用、适用性更强，解决基于大气扰动的目标探测技术于地基、空基平台的应用问题。
附图说明
24.图1是根据本发明的实施例的基一种大气扰动光信号全链路传输模型的构建方法流程图。
25.图2是根据本发明的实施例的全链路传输模型构建原理示意图。
26.图3是根据本发明的实施例的接受平台气动光学效应影响示意图。
具体实施方式
27.以下结合附图1-3，详细描述本发明的实施例。
28.一种大气扰动光信号全链路传输模型的构建方法是以全面分析大气扰动光在大气中传输情况及其影响因素为目标，构建全链路传输模型。利用几何光学、气动光学等理论分析大气环境对扰动光传输的影响因素，分别建立数学模型，同时分析各因素之间的耦合关系，将各模型进行相互耦合，最终实现大气扰动光信号全链路传输模型的构建，主要包括。
29.(1)大气密度折射率场影响模型构建：
30.空气折射率n不仅与光波的波长λ有关，而且也是空气温度t、水汽压e已和压强p的函数，一般可写为如下形式：
31.n＝1 n(λ,t,e,p)
32.式中n称为折射率模数。在光学频率范围内，地球大气的折射率模数表示为：
[0033][0034]
当光信号传播距离较长时，不能将地球表面视作平面，而应该考虑地球曲率的影响。因此，考虑地球曲率后，修正折射率模数n，称修正后的折射率模数为n
′
：
[0035][0036]
d表示地球半径，取平均值d＝6.371
×
106m。h(单位m)表示地面以上的高度。将常数d带入可以简化上式为：
[0037]n′
＝n 0.157
×
10-6h[0038]
大气温度th、压力ph随着高度的计算式分别为：
[0039]
对流层(0《h《11km)
[0040]
th＝t
0-αh
[0041][0042]
平流层流层(11《h《20km)
[0043]
th＝216.65k
[0044][0045]
其中，t0为地面温度，p0为地面压力，α为平均温度直减值6.5℃/km；r＝287j/(kg
·
k)为气体常数，在各高度上不变；g为重力加速度，g＝9.81m/s2。
[0046]
由此可以获得大气密度折射率场模型为：
[0047][0048]
(2)大气湍流折射率场影响模型构建：
[0049]
当大气环境中存在大气湍流时，将会导致大气折射率的随机变化。给定起始位置s0、空间点距s1(表示连接空间两个观测点的变量)和时间点t，折射率n可表示为：
[0050]
n(s0,t)＝n0 n1(s0,t)
[0051]
其中是折射率的均值，《
·
》表示求平均，n1(s0,t)表示偏离均值的n(s0,t)的随机偏差，《n1(s0,t)》＝0，而时间变量在光波传播中一般不考虑，所上式可简化为：
[0052]
n(s)＝1 n1(s)
[0053]
即：
[0054]
n＝1 n(λ,t,e,p)
[0055]
由湍流引起的大气折射率波动随机场的统计描述和湍流速度产生的随机场相似，由统计均匀和各向同性湍流特性，大气湍流折射率波动的相关结构函数表示为
[0056][0057]
其中，是垂直路径均方根风速，vg是近地风速，当地
面风速未知时，vg可近似取为2.87(m/s),可得v
rms
值为21(m/s)。是地平面附近的大气结构常数，其典型值为1.7
×
10-14
(m-2/3
)。
[0058]
湍流大气折射率可以表示为标准大气折射率与大气折射率脉动值之和，即：
[0059]
n＝n0 n
′
[0060]
式中，n0是标准大气的折射率，取值为1。对湍流大气而言，n
′
表示折射率的随机涨落。
[0061]
大气光学湍流脉动折射率可表达为：
[0062][0063]
式中κ＝2π/ls，l0《ls《l0，l0和l0为湍流的内外尺度；r为区间[0,1]内均匀分布的随机数；vn(κ)为湍流谱函数，κ为湍流波数。l为光线传播路径的长度，湍流谱函数vn(κ)表达式如下：
[0064][0065]
式中γ为伽马函数；0《p《2，通常取p＝2/3。
[0066]
城市地区的湍流谱函数为：其中2π/l0《κ《2π/l0。
[0067]
当研究实际的海上大气条件时，p取3/4。海平面的湍流谱函数为：其中2π/l0《κ《2π/l0。
[0068]
由此可以获得大气湍流折射率场模型为：
[0069][0070]
(3)气溶胶散射场影响模型构建
[0071]
地物反射光在大气中传播的过程中，由于大气散射作用，一部分会发生散射，导致大气扰动光被衰减，采用衰减模型来描述；另一部分由大气粒子的散射作用引起，周围光路上的各种杂散光散射，附加到地物反射光中，采用大气光模型描述。地物反射光在传播过程中的能量变化同时受这两种效应影响，分别对衰减模型与大气光模型进行建模。
[0072]
当地物反射光在大气环境中的传输过程中，垂直穿过一段距离为dx的含有悬浮颗粒的大气，此时地物反射光的能量的改变量为：
[0073][0074]
经过大气的散射作用，地物反射光的能量情况可通过将上式两侧同时积分得到，积分区间为[0,d]，d为地物反射光在大气环境中传播距离，得到下式：
[0075]
[0076]
化简得到：
[0077]
ed(x,λ)＝e0(λ)e-β(λ)d
[0078]
λ式中表示波长，β(λ)为大气粒子的消光系数，e0(λ)表示入射光束在x＝0处的辐射度，即物体表面反射的光线强度，ed(x,λ)表示与探测器接收端的距离为d的物体，反射的光线经过衰减后到达接收端的光线强度。
[0079]
大气光模型可由下式构建：
[0080]
ea(d,λ)＝e
∞
(λ)(1-e-β(λ)d
)
[0081]
式中e
∞
(λ)为距离观测者方向为无穷远处的光强度。
[0082]
由此可以获得大气气溶胶散射场模型：
[0083]
e(d,λ)＝e0(λ)e-β(λ)d
e
∞
(λ)(1-e-β(λ)d
)
[0084]
(4)大气吸收效应影响模型构建
[0085]
地物反射光在介质中传播时，由于光的吸收产生的光强变化量de(λ)正比于入射光强e0(λ)与介质厚度dl的乘积，当地物反射光穿过介质厚度为l的大气介质时，吸收导致的光强衰减可以表示为：
[0086][0087]
设初始光强为e0，则光强e可表示为：
[0088]
e(λ)＝e0(λ)e-kl
[0089]
式中k为吸收系数，光强的衰减可以用消光系数描述，并且消光系数β(λ)与吸收系数k有如下关系：
[0090][0091]
由此可以获得大气气溶胶吸收效应模型构建：
[0092][0093]
(5)目标大气扰动折射率场模型及探测平台的气动光学效应模型构建
[0094]
目标大气扰动折射率场模型及探测平台的气动光学效应模型均由于空气动力学原理产生，根据空气动力学原理，飞行马赫数为ma，头罩的半锥角为β，则形成的激波角θ与它们之间的关系为：
[0095][0096]
其中γ为绝热指数，空气中一般取值为1.4，那么其激波前后密度比为：
[0097][0098]
其中ρ为波后密度，ρ0为波前密度，即自由流密度。
[0099]
从而可以得到光偏折角δ的计算式为：
[0100][0101]
其中k
gd
为g-d系数，入射光线相对于轴线的前向夹角，由此可得光偏折角δ的表达式。
[0102][0103]
由此可以计算目标大气扰动折射率场与探测平台的气动光学效应折射率表达式为：
[0104][0105]
根据上述各模型的构建，通过折射率n以及光强e(λ)的变化情况对上述各公式进行耦合，由此对大气扰动光信号的传输途径进行全面描述。
[0106]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。