專利名稱：一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法、系統(tǒng)及探測(cè)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣環(huán)境參數(shù)探測(cè)領(lǐng)域，特別是指一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)的方法、系統(tǒng)及探測(cè)機(jī)。
背景技術(shù)：
大氣波導(dǎo)是能使電磁波返回而曲折傳播的大氣空間。大氣波導(dǎo)環(huán)境會(huì)使電磁波在較小衰減情況下實(shí)現(xiàn)超視距傳輸，海洋環(huán)境下，由于存在多種氣體和水蒸氣，使得電磁波的傳播路徑發(fā)生彎曲，雷達(dá)可以探測(cè)到數(shù)倍于正常觀測(cè)距離的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)和接收， 大氣波導(dǎo)環(huán)境也會(huì)使微波雷達(dá)探測(cè)能力的正常覆蓋區(qū)域內(nèi)造成潛在的盲區(qū)或弱信號(hào)現(xiàn)象， 還會(huì)導(dǎo)致裝備系統(tǒng)間的電磁干擾問題更加復(fù)雜。根據(jù)大氣波導(dǎo)形成的機(jī)理，海上大氣波導(dǎo)主要可分為蒸發(fā)波導(dǎo)和懸空大氣波導(dǎo)。蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生在海洋表面，其形成機(jī)理是原本在海洋表面附近的飽和水汽壓上升到某一高度后突然銳減，滿足垂直大氣折射率梯度小于-157n/km的條件，致使電磁波在垂直方向的傳播被此蒸發(fā)波導(dǎo)層狀結(jié)構(gòu)所約束，出現(xiàn)超折射現(xiàn)象。蒸發(fā)波導(dǎo)層在垂直方向的高度一般為5m至50m之間，具有穩(wěn)定性好、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水平方向上延伸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，對(duì)艦載雷達(dá)遠(yuǎn)距離、超視距目標(biāo)探測(cè)威力影響很大；懸空大氣波導(dǎo)層的上、下壁均為大氣層； 然而，在廣闊海洋上觀測(cè)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏與長(zhǎng)期連續(xù)的大范圍觀測(cè)，難以實(shí)施等現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約了大氣波導(dǎo)技術(shù)的研究。傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)探測(cè)方法通常借助于探空火箭或者氣球等探空設(shè)備獲得溫度、濕度、氣壓和風(fēng)向等大氣參數(shù)，計(jì)算獲得不同高度大氣的折射率，獲得折射率的垂直剖面，進(jìn)而判斷大氣波導(dǎo)的存在情況，為超視距傳輸提供數(shù)據(jù)支撐。這些傳統(tǒng)的方法需要長(zhǎng)距離多點(diǎn)采集大氣參數(shù)，靈活性、實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，數(shù)據(jù)采集過程代價(jià)高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法、系統(tǒng)及探測(cè)機(jī)， 探測(cè)實(shí)時(shí)性高。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法，包括發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征；根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。
其中，對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征的步驟具體為通過以下公式/…=/。R 乂 2 I (O , φ )對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)
進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠的后向散射特征為氣溶膠粒子在激光的入射下產(chǎn)生后向散射光信號(hào)隨著氣溶膠粒子半徑的增大，后散射光的強(qiáng)度相應(yīng)地增強(qiáng)；其中，Itl為入射光的強(qiáng)度，λ為激光波長(zhǎng)，Is。a為與大氣中心0相距為R處P點(diǎn)的散射光強(qiáng)，/汐為與角度相關(guān)的散射光強(qiáng)度，其中，Ι(θ,φ) = /,sin V +/2cos2 φ = ^1(^)^111^ + \scosW 其中，I” I2 分另U 表示
垂直和平行于散射平面的散射強(qiáng)度函數(shù)分量，S1, &表示幅值函數(shù)，其無窮級(jí)數(shù)形式為S1(O) = Y 2η+], [α τθ ) + b πθ )}
T^i η(η + 1)其中，％、bn SMie散射系數(shù)，該Mie散射系數(shù)是單個(gè)粒子尺度r和激光波長(zhǎng)λ之比參數(shù)α (α = 2 Jir/λ)的函數(shù)。其中，根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)的步驟具體為根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中，激光對(duì)不同半徑的氣溶膠粒子照射后產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)的分布特征以及在大氣垂直折射率梯度小于-157Ν/ΚΜ時(shí)，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)，其中所述大氣波導(dǎo)特征參數(shù)包括波導(dǎo)層的持續(xù)時(shí)間、波導(dǎo)層的高度、 波導(dǎo)層的水平延伸范圍、蒸發(fā)波層出現(xiàn)的概率以及產(chǎn)生蒸發(fā)波導(dǎo)的氣象水文條件。其中，所述激光的波長(zhǎng)為1.064 μ m，所述氣溶膠粒子半徑的范圍為0. 1 μ m 100 μ m，所述氣溶膠粒子折射率為1. 55，氣溶膠外包層水的折射率為1. 33。本發(fā)明的實(shí)施例還提供一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的系統(tǒng)，包括探測(cè)機(jī)，用于發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中，并獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；處理機(jī)，用于對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征；并根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。其中，所述探測(cè)機(jī)包括激光發(fā)射子系統(tǒng)，用于發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；光信號(hào)接收子系統(tǒng)，用于獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；其中，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括脈沖激光器，用于產(chǎn)生脈沖能量為20mJ，脈沖寬度為10ns，波長(zhǎng)為1. 064 μ m的激光；以及發(fā)射天線，用于發(fā)射所述脈沖激光器產(chǎn)生的激光至模擬大氣環(huán)境中；其中，所述光信號(hào)接收子系統(tǒng)包括接收天線，用于接收所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；探測(cè)器，用于對(duì)所述激光探測(cè)后向散射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，輸出高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)；寬帶低噪聲放大器，用于對(duì)所述高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)進(jìn)行放大；雪崩光電二極管偏置升壓器，用于接收所述探測(cè)器輸出的高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)， 并輸出至所述處理機(jī)。其中，所述寬帶低噪聲放大器的跨導(dǎo)增益在1.5GHz以上，輸入電壓噪聲小于 xonv/^tTz ,輸入電流噪聲小于loo/α!4 Γζ。其中，所述雪崩光電二極管偏置升壓器包括雪崩光電二極管，數(shù)字溫度芯片，數(shù) /模轉(zhuǎn)換器以及微處理器，其中，所述微處理器通過所述數(shù)字溫度芯片讀出當(dāng)前所述雪崩光電二極管APD表面溫度值，使用APD固定增益下的溫度-偏壓補(bǔ)償曲線，獲取當(dāng)前溫度下 APD的目標(biāo)偏壓Vg。al，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器調(diào)整APD當(dāng)前偏壓Vrantral至目標(biāo)偏壓Vg。al。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雪崩光電二極管的響應(yīng)時(shí)間 450ps，噪聲電流為0.6/^/1。其中，所述光信號(hào)接收子系統(tǒng)還具有利用弱磁性材料制成的屏蔽裝置。其中，所述弱磁性材料為厚度1. 3mm的金屬鋁。其中，所述處理機(jī)通過以下公式/…=I0τ1)對(duì)所
ο π R
述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠的后向散射特征為氣溶膠粒子在激光的入射下產(chǎn)生后向散射光信號(hào)隨著氣溶膠粒子半徑的增大，后散射光的強(qiáng)度相應(yīng)地增強(qiáng)；其中，Itl為入射光的強(qiáng)度，λ為激光波長(zhǎng)，Is。a為與大氣中心0相距為R處P點(diǎn)的散射光強(qiáng)，/隊(duì)妁為與角度相關(guān)的散射光強(qiáng)度，其中，/(0,識(shí))= /lSin> + /2cos2p =+|S2(0)|2cos> 其中，I” I2 分別表示垂直
和平行于散射平面的散射強(qiáng)度函數(shù)分量，S1, &表示幅值函數(shù)，其無窮級(jí)數(shù)形式為
ι 2 “ ι ι
^ι(^) = Σ—~-[α πη^05θ) + b Tn(.cos0)]
n=\ ( + 1)S 人θ) = ￡ + j [α r (cos 6>) + fc ^n(Cosg)]
n(n + 1)其中，％、bn 散射系數(shù)，該Mie散射系數(shù)是單個(gè)粒子尺度r和激光波長(zhǎng)λ之比參數(shù)α (α = 2 Jir/λ)的函數(shù)。本發(fā)明的實(shí)施例還提供一種探測(cè)機(jī)，包括激光發(fā)射子系統(tǒng)，用于發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；光信號(hào)接收子系統(tǒng)，用于獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；其中，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括脈沖激光器，用于產(chǎn)生脈沖能量為20mJ，脈沖寬度為10ns，波長(zhǎng)為1. 064 μ m的激光；以及發(fā)射天線，用于發(fā)射所述脈沖激光器產(chǎn)生的激光至模擬大氣環(huán)境中；其中，所述光信號(hào)接收子系統(tǒng)包括接收天線，用于接收所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；探測(cè)器，用于對(duì)所述激光探測(cè)后向散射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，輸出高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)；寬帶低噪聲放大器，用于對(duì)所述高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)進(jìn)行放大；雪崩光電二極管偏置升壓器，用于接收所述探測(cè)器輸出的高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)， 并輸出至與所述探測(cè)機(jī)連接的處理機(jī)。本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下上述方案中，通過向模擬大氣環(huán)境中發(fā)射激光，并獲得激光探測(cè)后向光散射光信號(hào)，進(jìn)一步獲得對(duì)模擬大氣環(huán)境中的氣溶膠粒子的后向散射特征，實(shí)時(shí)對(duì)大氣波導(dǎo)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，獲得波導(dǎo)層的厚度、延伸范圍和持續(xù)時(shí)間等大氣波導(dǎo)特征參數(shù)，為大氣波導(dǎo)超視距探測(cè)等軍事活動(dòng)提供大氣波導(dǎo)環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。該方法提高了大氣波導(dǎo)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，解決了利用天氣預(yù)估折射率方法提供的波導(dǎo)參數(shù)不夠準(zhǔn)確的問題；該方法采樣精度高、數(shù)據(jù)量大、方便靈活，解決了利用無線電探空設(shè)備測(cè)量條件苛刻、測(cè)量結(jié)果遲后時(shí)間長(zhǎng)且水平距離擴(kuò)展上代表性差等問題，彌補(bǔ)超視距雷達(dá)距離和方位分辨率較差，定位精度不夠理想的現(xiàn)狀。


圖1為本發(fā)明的探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法流程圖；圖2為激光探測(cè)大氣波導(dǎo)的原理示意圖；圖3為單個(gè)粒子的激光散射模型；圖4A、圖4B為不同折射率氣溶膠的激光散射仿真結(jié)果；圖5A、圖5B為不同半徑氣溶膠的激光散射仿真結(jié)果；圖6為本發(fā)明的激光探測(cè)系統(tǒng)的激光發(fā)射和光信號(hào)接收系統(tǒng)；圖7為本發(fā)明的激光探測(cè)系統(tǒng)電路原理圖；圖8為寬帶跨導(dǎo)放大器電路原理圖；圖9為自適應(yīng)數(shù)控偏置升壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖10自適應(yīng)數(shù)控偏置電壓系統(tǒng)的微處理器工作流程圖；圖11為激光探測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖；圖12A、圖12B、圖12C為激光探測(cè)實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)圖；圖13A、圖13B、圖13C激光探測(cè)實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)圖；圖14A、圖14B、圖14C和圖14D激光探測(cè)實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的大氣波導(dǎo)探測(cè)方法需要長(zhǎng)距離多點(diǎn)采集大氣參數(shù)，靈活性、實(shí)時(shí)性相對(duì)較差，數(shù)據(jù)采集過程代價(jià)高的問題，提供一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法、系統(tǒng)及探測(cè)機(jī)，探測(cè)實(shí)時(shí)性高。如圖1所示，本發(fā)明的探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法，包括
步驟11，發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；步驟12，獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；步驟13，對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征；步驟14，根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。本發(fā)明的上述方案通過向模擬大氣環(huán)境中發(fā)射激光，并獲得激光探測(cè)后向光散射光信號(hào)，進(jìn)一步獲得對(duì)模擬大氣環(huán)境中的氣溶膠粒子的后向散射特征，實(shí)時(shí)對(duì)大氣波導(dǎo)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，獲得波導(dǎo)層的厚度、延伸范圍和持續(xù)時(shí)間等大氣波導(dǎo)特征參數(shù)，為大氣波導(dǎo)超視距探測(cè)等軍事活動(dòng)提供大氣波導(dǎo)環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。該方法提高了大氣波導(dǎo)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度， 解決了利用天氣預(yù)估折射率方法提供的波導(dǎo)參數(shù)不夠準(zhǔn)確的問題；該方法采樣精度高、數(shù)據(jù)量大、方便靈活，解決了利用無線電探空設(shè)備測(cè)量條件苛刻、測(cè)量結(jié)果遲后時(shí)間長(zhǎng)且水平距離擴(kuò)展上代表性差等問題，彌補(bǔ)超視距雷達(dá)距離和方位分辨率較差，定位精度不夠理想的現(xiàn)狀。進(jìn)一步地，上述實(shí)施例中，步驟13在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，是基于米氏散射理論進(jìn)行的，具體為通過以下公式/…=/。R 乂 2 I (O , φ )對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)
ο π R
進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠的后向散射特征為氣溶膠粒子在激光的入射下產(chǎn)生后向散射光信號(hào)隨著氣溶膠粒子半徑的增大，后散射光的強(qiáng)度相應(yīng)地得到增強(qiáng)；其中，Itl為入射光的強(qiáng)度，λ為激光波長(zhǎng)，Is。a為與大氣中心0相距為R處P點(diǎn)的散射光強(qiáng)，/汐為與角度相關(guān)的散射光強(qiáng)度，其中，Ι(θ,φ) = Z1Sin V +Z2COS2 φ = |5i(^)|2SinV + \s2{θ)\\0^φ 其中，I” I2 分另U 表示垂直和平行于散射平面的散射強(qiáng)度函數(shù)分量，S1, &表示幅值函數(shù)，其無窮級(jí)數(shù)形式為
Co 2 “ ι ι
=ι ( + 1)S2(G) = V 2" + [a r (cos6>) + fe ^- (cos6 )]
T^i n(n + 1)其中，％、bn 散射系數(shù)，該Mie散射系數(shù)是單個(gè)粒子尺度r和激光波長(zhǎng)λ之比參數(shù)α (α = 2 Jir/λ)的函數(shù)。如圖2、圖6所示，由脈沖激光發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)出激光，激光脈沖在大氣中傳播，與不同成分氣溶膠等發(fā)生作用，激光束在大氣環(huán)境中不斷發(fā)生散射現(xiàn)象，載有對(duì)不同半徑氣溶膠信息的后向散射光信號(hào)被光信號(hào)接收子系統(tǒng)接收，由于激光對(duì)不同半徑氣溶膠的散射特征不同，采集到的后向散射光信號(hào)也不同，根據(jù)激光回波特征判斷大氣環(huán)境中氣溶膠的物理特性。海洋產(chǎn)生大氣波導(dǎo)的主要條件是大氣的相對(duì)濕度，海洋大氣的相對(duì)濕度影響著蒸發(fā)波導(dǎo)大氣環(huán)境氣溶膠的物理特性，不同物理特征的氣溶膠粒子對(duì)激光的光散射特性也各有不同，基于激光技術(shù)的大氣波導(dǎo)探測(cè)方法正是利用大氣折射率與相對(duì)濕度、相對(duì)濕度與氣溶膠的關(guān)系而建立的。
不同物理特征氣溶膠粒子的激光散射特性又各有不同。根據(jù)米氏散射理論，如圖 3所示，半徑為R的粒子相對(duì)于周圍介質(zhì)的折射率用復(fù)數(shù)表示為m = mi+jm2，介質(zhì)的折射率為n，虛部不等于零表示粒子有吸收。取粒子中心為坐標(biāo)原點(diǎn)0，真空中波長(zhǎng)為λ、強(qiáng)度為I。 的線偏振光沿著ζ軸入射到粒子上，散射光^與入射光方向之間的散射角為θ，入射光的電矢量相對(duì)于散射面的夾角為^。若入射光是強(qiáng)度為Itl的自然光，則與大氣中心0相距為R處P點(diǎn)的散射光強(qiáng)為
權(quán)利要求
1.一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法，其特征在于，包括發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征；根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析， 得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征的步驟具體為通過以下公式
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)的步驟具體為根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中，激光對(duì)不同半徑的氣溶膠粒子照射后產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)的分布特征以及在大氣垂直折射率梯度小于-157Ν/ΚΜ時(shí)，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)，其中所述大氣波導(dǎo)特征參數(shù)包括波導(dǎo)層的持續(xù)時(shí)間、波導(dǎo)層的高度、波導(dǎo)層的水平延伸范圍、蒸發(fā)波層出現(xiàn)的概率以及產(chǎn)生蒸發(fā)波導(dǎo)的氣象水文條件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述激光的波長(zhǎng)為1.064 μ m,所述氣溶膠粒子半徑的范圍為0. Iym ΙΟΟμπι，所述氣溶膠粒子折射率為1.55，氣溶膠外包層水的折射率為1.33。
5.一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的系統(tǒng)，包括探測(cè)機(jī)，用于發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中，并獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；處理機(jī)，用于對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征；并根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述探測(cè)機(jī)包括激光發(fā)射子系統(tǒng)，用于發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；光信號(hào)接收子系統(tǒng)，用于獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)； 其中，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括脈沖激光器，用于產(chǎn)生脈沖能量為20mJ，脈沖寬度為10ns，波長(zhǎng)為1. 064 μ m的激光；以及發(fā)射天線，用于發(fā)射所述脈沖激光器產(chǎn)生的激光至模擬大氣環(huán)境中； 其中，所述光信號(hào)接收子系統(tǒng)包括接收天線，用于接收所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后， 產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；探測(cè)器，用于對(duì)所述激光探測(cè)后向散射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，輸出高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)； 寬帶低噪聲放大器，用于對(duì)所述高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)進(jìn)行放大； 雪崩光電二極管偏置升壓器，用于接收所述探測(cè)器輸出的高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)，并輸出至所述處理機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述寬帶低噪聲放大器的跨導(dǎo)增益在 1. 5GHz以上，輸入電壓噪聲小于10 廠/>/^ ,輸入電流噪聲小于100/Α/4 Γζ。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雪崩光電二極管偏置升壓器包括 雪崩光電二極管，數(shù)字溫度芯片，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器以及微處理器，其中，所述微處理器通過所述數(shù)字溫度芯片讀出當(dāng)前所述雪崩光電二極管APD表面溫度值，使用APD固定增益下的溫度-偏壓補(bǔ)償曲線，獲取當(dāng)前溫度下APD的目標(biāo)偏壓Vg。al，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器調(diào)整APD當(dāng)前偏壓V。。nte。i至目標(biāo)偏壓Vg。al。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述雪崩光電二極管的響應(yīng)時(shí)間450ps， 噪聲電流為0.6#/Λ/^。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光信號(hào)接收子系統(tǒng)還具有利用弱磁性材料制成的屏蔽裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述弱磁性材料為厚度1.3mm的金屬 鋁。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述處理機(jī)通過以下公式 I…=/。s義二 2 I ^ )對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探 測(cè)所述不同半徑氣溶膠的后向散射特征為氣溶膠粒子在激光的入射下產(chǎn)生后向散射光信號(hào)隨著氣溶膠粒子半徑的增大，后散射光的強(qiáng)度相應(yīng)地增強(qiáng)；其中，Itl為入射光的強(qiáng)度，λ為激光波長(zhǎng)，Is。a為與大氣中心0相距為R處P點(diǎn)的散射光強(qiáng)，/汐為與角度相關(guān)的散射光強(qiáng)度，其中，Ι(θ,φ) = /,sin V +/2cos2 φ = ^1(^)^111^ + \scosW 其中，I” I2 分別表示垂直和平行于散射平面的散射強(qiáng)度函數(shù)分量，S1, &表示幅值函數(shù)，其無窮級(jí)數(shù)形式為其中，^VbnSMie散射系數(shù)，該Mie散射系數(shù)是單個(gè)粒子尺度r和激光波長(zhǎng)λ之比參數(shù)α (α = 2 Jir/λ)的函數(shù)。
13. —種探測(cè)機(jī)，其特征在于，包括 激光發(fā)射子系統(tǒng)，用于發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；光信號(hào)接收子系統(tǒng)，用于獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)； 其中，所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括脈沖激光器，用于產(chǎn)生脈沖能量為20mJ，脈沖寬度為10ns，波長(zhǎng)為1. 064 μ m的激光；以及發(fā)射天線，用于發(fā)射所述脈沖激光器產(chǎn)生的激光至模擬大氣環(huán)境中； 其中，所述光信號(hào)接收子系統(tǒng)包括接收天線，用于接收所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后， 產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；探測(cè)器，用于對(duì)所述激光探測(cè)后向散射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，輸出高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)； 寬帶低噪聲放大器，用于對(duì)所述高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)進(jìn)行放大； 雪崩光電二極管偏置升壓器，用于接收所述探測(cè)器輸出的高速瞬態(tài)微弱光信號(hào)，并輸出至與所述探測(cè)機(jī)連接的處理機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種探測(cè)大氣波導(dǎo)環(huán)境的方法、系統(tǒng)及探測(cè)機(jī)，其中方法包括發(fā)射激光至模擬大氣環(huán)境中；獲取所述激光對(duì)所述模擬大氣環(huán)境中的不同半徑氣溶膠粒子照射后，產(chǎn)生的激光探測(cè)后向散射光信號(hào)；對(duì)所述激光探測(cè)后散射光信號(hào)進(jìn)行分析，得到激光探測(cè)所述不同半徑氣溶膠粒子的后向散射特征；根據(jù)不同溫度、濕度和壓力環(huán)境中氣溶膠粒子的后向散射特征以及大氣折射率變化情況，獲得大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。本發(fā)明的方案利用激光對(duì)大氣波導(dǎo)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)實(shí)時(shí)性高。
文檔編號(hào)G01S17/02GK102288970SQ20111019852
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月13日
發(fā)明者梁善永, 王樂東, 王江安, 陳少昌 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)