一种测量大气粒子数密度波动方法

1.本发明涉及一种测量大气粒子数密度波动方法，属于光学探测技术领域。


背景技术：

2.大气湍流是一种随机空气运动状况，在大气光学领域，湍流主要是指大气中局部温度和压强的随机变化而带来的折射率的随机变化。当光线穿过折射率分布不均以及随机变化的大气时，会发生偏折、相移等现象，对大气探测、飞行器光学成像探测等方面有着不可忽视的影响，会使探测器接收的图像产生偏移、抖动和模糊等。但是，实际上很难将温度和压强各自对大气折射率的影响分开。因此，若能将温度和压强的影响综合起来考虑，可为研究大气湍流自身规律以及大气在探测、通讯等方面的影响提供一定的参考。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种测量大气粒子数密度波动方法，解决现有技术中湍流会使探测器接收的图像产生偏移、抖动和模糊的技术问题。
4.为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
5.本发明提供了一种测量大气粒子数密度波动方法，包括：
6.将折射率分解为折射率平均值和折射率波动值；
7.计算出第i帧的折射率波动值；
8.根据折射率波动值和粒子数密度波动之间的关系计算出粒子数密度波动；
9.进一步的，所述将折射率分解为折射率平均值和折射率波动值，表示为：
[0010][0011]
其中，n为折射率，为折射率平均值，n’为折射率波动值。
[0012]
进一步的，所述计算出第i帧的折射率波动值，包括以下步骤：
[0013]
计算偏折角的方差；
[0014]
根据偏折角的方差得到结构常数；
[0015]
将结构常数代入折射率结构函数得到第i帧的折射率波动值。
[0016]
进一步的，所述计算偏折角的方差的计算公式为：
[0017][0018]
其中，为偏折角的方差，m为总时间内记录的总帧数，为偏折角的方差，m为总时间内记录的总帧数，为对应帧图片上的偏折角，
[0019]
进一步的，所述结构常数的计算公式为：
[0020][0021]
其中，d为光束在第一个光栅上的直径，e为激光器到第一个光栅的距离，为偏折角的方差。
[0022]
进一步的，所述将结构常数代入折射率结构函数得到第i帧的折射率波动值，包括以下步骤：
[0023][0024]
其中，dn(t)为折射率结构函数，《》表示对里面参数求时间平均，n(t)和n(t
‑△
t)代表不同时刻的折射率，
△
t表示时间间隔，v是测量时间内的平均风速。
[0025][0026][0027]
其中，n
′i为第i帧的折射率波动值。
[0028]
进一步的，所述折射率波动值和粒子数密度波动之间的关系式为：
[0029][0030]
其中，n'为粒子数密度波动，λ是探测光的波长，l表示的是洛希密脱常数，a和b取空气的相关参数，n'为折射率波动值。
[0031]
进一步的，所述粒子数密度波动为：
[0032][0033]
其中，n'为粒子数密度波动。
[0034]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
[0035]
通过引入莫尔层析技术计算粒子数密度波动为研究大气湍流自身规律以及大气在探测、通讯等方面的影响提供了理论参考，有效避免探测器接收到的图像产生偏移、抖动和模糊的现象，且同时具有实时、稳定、非接触以及能3-d显示的特点。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例提供的一种测量大气粒子数密度波动方法的流程图；
[0037]
图2是本发明实施例提供的一种测量大气粒子数密度波动方法的实验装置；
[0038]
图3是实验中获得的莫尔条纹；
[0039]
图4是截取的部分莫尔条纹；
[0040]
图5是第900帧、第1800帧、第2700帧、第3600帧、4500帧、第5400帧、第6300帧和第7200帧的偏折角；
[0041]
图6是2小时内的粒子数密度波动情况；
[0042]
图中：1、激光器；2、扩束准直系统；3、被测大气；4、朗奇光栅；5、成像透镜；6、接收屏；7、滤波器。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0044]
实施例一：
[0045]
如图1所示，本实施例公开了一种测量大气粒子数密度波动方法，下面通过具体实施方案对本发明作进一步详细描述：
[0046]
s1：将折射率分解为折射率平均值和折射率波动值；
[0047]
折射率分解为折射率平均值和折射率波动值可表示为：
[0048][0049]
其中，n为折射率，为折射率平均值，n
′
为折射率波动值。
[0050]
s2：计算出第i帧的折射率波动值，包括以下步骤；
[0051]
s21：计算偏折角的方差；
[0052]
计算偏折角的方差的计算公式为：
[0053][0054]
其中，为偏折角的方差，m为总时间内记录的总帧数，为偏折角的方差，m为总时间内记录的总帧数，为对应帧图片上的偏折角，
[0055]
s22：根据偏折角的方差得到结构常数；
[0056]
结构常数的计算公式为：
[0057][0058]
其中，d为光束在第一个光栅上的直径，e为激光器到第一个光栅的距离，为偏折角的方差。
[0059]
s23：将结构常数代入折射率结构函数得到第i帧的折射率波动值；
[0060]
折射率结构函数表示为：
[0061][0062]
其中，dn(t)为折射率结构函数，《》表示对里面参数求时间平均，n(t)和n(t
‑△
t)代表不同时刻的折射率，
△
t表示时间间隔，v是测量时间内的平均风速。
[0063]
将结构常数和计算偏折角的方差代入折射率结构函数得到：
[0064][0065]
因此，根据第i帧偏折角信息，能够得出第i帧的折射率波动值为：
[0066][0067]
其中，n
′i为第i帧的折射率波动值。
[0068]
s3：根据折射率波动值和粒子数密度波动之间的关系计算出粒子数密度波动；
[0069]
折射率波动值和粒子数密度波动之间的关系式为：
[0070][0071]
其中，n'为粒子数密度波动，λ是探测光的波长，l表示的是洛希密脱常数，a和b取空气的相关参数，n'为折射率波动值。
[0072]
将第i帧的折射率波动值代入折射率波动值和粒子数密度波动之间的关系式可得到粒子数密度波动：
[0073]
粒子数密度波动为：
[0074][0075]
其中，n'为粒子数密度波动。
[0076]
通过引入莫尔层析技术计算出的粒子数密度波动为研究大气湍流自身规律以及大气在探测、通讯等方面的影响提供了理论参考，不仅有效避免探测器接收到的图像产生偏移、抖动和模糊的现象，而且同时具有实时、稳定、非接触以及能3-d显示的特点。
[0077]
实施例二：
[0078]
如图2所示，为实验装置，该装置包括激光器1，扩束准直系统2，被测大气3，朗奇光栅4，成像透镜5，接收屏6以及滤波器7。在2021年10月24日20:30-22:30的实验测量中，激光器1探测光的波长λ是532nm，激光器1出光口距第一个光栅的距离是e＝2.07m，实验中两光栅周期是d＝1/50mm，间距是z＝0.04m，第一光栅上的光斑直径为d＝5cm。本次实验中设定ccd以1帧/秒的速率(即
△
t＝1s)采集莫尔条纹并将其存储到计算机中，最终共采集7200帧(即实施例一中的m)。
[0079]
如图3所示，为实验中获得的莫尔条纹。其中(a)为第1800帧，(b)为第3600帧，(c)为第5400帧，(d)第7200帧。对7200帧图片都截取了相同的位置，以便于接下来的处理，其中第1800帧、3600帧、5400帧和7200帧的截图如下图所示。值得注意的是，我们是从图2中标出的圆点位置开始，截取一个360
×
360像素的区域。
[0080]
如图4所示，为截取的部分莫尔条纹(即360
×
360像素的区域)。其中(a)为第1800帧，(b)为第3600帧，(c)为第5400帧，(d)第7200帧。对7200帧图的截取部分所有条纹进行细化处理，并获取实验中记录的7200组位置数据。在此基础上，会得到7200个偏折角数据，其结果如图4所示，对应的总时间为2小时。为了真实性，图5上的圆点标出了第900帧、第1800帧、第2700帧、第3600帧、4500帧、第5400帧、第6300帧和第7200帧的偏折角。
[0081]
实验中，与莫尔层析技术实验同步测量温度和风速，同样也记录了7200组数据，测量时间内的平均温度和平均风速分别是和v＝0.33m/s。基于我们最终推导出来的粒子数密度波动，即可计算出上述时间内温度的粒子数密度波动分布，如图6所示。同样，第900帧、第1800帧、第2700帧、第3600帧、4500帧、第5400帧、第6300帧和第7200帧的粒子数密度波动值在图中标出。同时为了证明我们方法的可靠性，还用风速仪测量结果进行了对比。
[0082]
如图6所示，为2小时内的粒子数密度波动情况。相关理论和实验结果表明，将莫尔层析技术引入到大气粒子数密度波动测量中来是可行的。
[0083]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0084]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0085]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0086]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0087]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。