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专利名称：一种探测大气波导环境的方法、系统及探测机的制作方法
技术领域：
本发明涉及大气环境参数探测领域，特别是指一种探测大气波导环境参数的方法、系统及探测机。
背景技术：
大气波导是能使电磁波返回而曲折传播的大气空间。大气波导环境会使电磁波在较小衰减情况下实现超视距传输，海洋环境下，由于存在多种气体和水蒸气，使得电磁波的传播路径发生弯曲，雷达可以探测到数倍于正常观测距离的目标，实现超视距探测和接收， 大气波导环境也会使微波雷达探测能力的正常覆盖区域内造成潜在的盲区或弱信号现象， 还会导致装备系统间的电磁干扰问题更加复杂。根据大气波导形成的机理，海上大气波导主要可分为蒸发波导和悬空大气波导。蒸发波导发生在海洋表面，其形成机理是原本在海洋表面附近的饱和水汽压上升到某一高度后突然锐减，满足垂直大气折射率梯度小于-157n/km的条件，致使电磁波在垂直方向的传播被此蒸发波导层状结构所约束，出现超折射现象。蒸发波导层在垂直方向的高度一般为5m至50m之间，具有稳定性好、持续时间长、水平方向上延伸距离远等特点，对舰载雷达远距离、超视距目标探测威力影响很大；悬空大气波导层的上、下壁均为大气层； 然而，在广阔海洋上观测数据严重缺乏与长期连续的大范围观测，难以实施等现状，严重制约了大气波导技术的研究。传统大气波导探测方法通常借助于探空火箭或者气球等探空设备获得温度、湿度、气压和风向等大气参数，计算获得不同高度大气的折射率，获得折射率的垂直剖面，进而判断大气波导的存在情况，为超视距传输提供数据支撑。这些传统的方法需要长距离多点采集大气参数，灵活性、实时性相对较差，数据采集过程代价高。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种探测大气波导环境的方法、系统及探测机， 探测实时性高。为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种探测大气波导环境的方法，包括发射激光至模拟大气环境中；获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征；根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数。
其中，对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征的步骤具体为通过以下公式/…=/。R 乂 2 I (O , φ )对所述激光探测后散射光信号
进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶的后向散射特征为气溶胶粒子在激光的入射下产生后向散射光信号随着气溶胶粒子半径的增大，后散射光的强度相应地增强；其中，Itl为入射光的强度，λ为激光波长，Is。a为与大气中心0相距为R处P点的散射光强，/汐为与角度相关的散射光强度，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强度函数分量，S1, &表示幅值函数，其无穷级数形式为S1(O) = Y 2η+], [α τθ ) + b πθ )}
T^i η(η + 1)其中，％、bn SMie散射系数，该Mie散射系数是单个粒子尺度r和激光波长λ之比参数α (α = 2 Jir/λ)的函数。其中，根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数的步骤具体为根据不同温度、湿度和压力环境中，激光对不同半径的气溶胶粒子照射后产生的激光探测后向散射光信号的分布特征以及在大气垂直折射率梯度小于-157Ν/ΚΜ时，获得大气波导特征参数，其中所述大气波导特征参数包括波导层的持续时间、波导层的高度、 波导层的水平延伸范围、蒸发波层出现的概率以及产生蒸发波导的气象水文条件。其中，所述激光的波长为1.064 μ m，所述气溶胶粒子半径的范围为0. 1 μ m 100 μ m，所述气溶胶粒子折射率为1. 55，气溶胶外包层水的折射率为1. 33。本发明的实施例还提供一种探测大气波导环境的系统，包括探测机，用于发射激光至模拟大气环境中，并获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；处理机，用于对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征；并根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数。其中，所述探测机包括激光发射子系统，用于发射激光至模拟大气环境中；光信号接收子系统，用于获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；其中，所述激光发射子系统包括脉冲激光器，用于产生脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为10ns，波长为1. 064 μ m的激光；以及发射天线，用于发射所述脉冲激光器产生的激光至模拟大气环境中；其中，所述光信号接收子系统包括接收天线，用于接收所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；探测器，用于对所述激光探测后向散射光信号进行探测，输出高速瞬态微弱光信号；宽带低噪声放大器，用于对所述高速瞬态微弱光信号进行放大；雪崩光电二极管偏置升压器，用于接收所述探测器输出的高速瞬态微弱光信号， 并输出至所述处理机。其中，所述宽带低噪声放大器的跨导增益在1.5GHz以上，输入电压噪声小于 xonv/^tTz ,输入电流噪声小于loo/α!4 Γζ。其中，所述雪崩光电二极管偏置升压器包括雪崩光电二极管，数字温度芯片，数 /模转换器以及微处理器，其中，所述微处理器通过所述数字温度芯片读出当前所述雪崩光电二极管APD表面温度值，使用APD固定增益下的温度-偏压补偿曲线，获取当前温度下 APD的目标偏压Vg。al，通过数/模转换器调整APD当前偏压Vrantral至目标偏压Vg。al。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述雪崩光电二极管的响应时间 450ps，噪声电流为0.6/^/1。其中，所述光信号接收子系统还具有利用弱磁性材料制成的屏蔽装置。其中，所述弱磁性材料为厚度1. 3mm的金属铝。其中，所述处理机通过以下公式/…=I0τ1)对所
ο π R
述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶的后向散射特征为气溶胶粒子在激光的入射下产生后向散射光信号随着气溶胶粒子半径的增大，后散射光的强度相应地增强；其中，Itl为入射光的强度，λ为激光波长，Is。a为与大气中心0相距为R处P点的散射光强，/队妁为与角度相关的散射光强度，其中，/(0,识)= /lSin> + /2cos2p =+|S2(0)|2cos> 其中，I” I2 分别表示垂直
和平行于散射平面的散射强度函数分量，S1, &表示幅值函数，其无穷级数形式为
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 散射系数，该Mie散射系数是单个粒子尺度r和激光波长λ之比参数α (α = 2 Jir/λ)的函数。本发明的实施例还提供一种探测机，包括激光发射子系统，用于发射激光至模拟大气环境中；光信号接收子系统，用于获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；其中，所述激光发射子系统包括脉冲激光器，用于产生脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为10ns，波长为1. 064 μ m的激光；以及发射天线，用于发射所述脉冲激光器产生的激光至模拟大气环境中；其中，所述光信号接收子系统包括接收天线，用于接收所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；探测器，用于对所述激光探测后向散射光信号进行探测，输出高速瞬态微弱光信号；宽带低噪声放大器，用于对所述高速瞬态微弱光信号进行放大；雪崩光电二极管偏置升压器，用于接收所述探测器输出的高速瞬态微弱光信号， 并输出至与所述探测机连接的处理机。本发明的上述技术方案的有益效果如下上述方案中，通过向模拟大气环境中发射激光，并获得激光探测后向光散射光信号，进一步获得对模拟大气环境中的气溶胶粒子的后向散射特征，实时对大气波导环境进行探测，获得波导层的厚度、延伸范围和持续时间等大气波导特征参数，为大气波导超视距探测等军事活动提供大气波导环境数据支撑。该方法提高了大气波导预报的准确度，解决了利用天气预估折射率方法提供的波导参数不够准确的问题；该方法采样精度高、数据量大、方便灵活，解决了利用无线电探空设备测量条件苛刻、测量结果迟后时间长且水平距离扩展上代表性差等问题，弥补超视距雷达距离和方位分辨率较差，定位精度不够理想的现状。


图1为本发明的探测大气波导环境的方法流程图；图2为激光探测大气波导的原理示意图；图3为单个粒子的激光散射模型；图4A、图4B为不同折射率气溶胶的激光散射仿真结果；图5A、图5B为不同半径气溶胶的激光散射仿真结果；图6为本发明的激光探测系统的激光发射和光信号接收系统；图7为本发明的激光探测系统电路原理图；图8为宽带跨导放大器电路原理图；图9为自适应数控偏置升压系统的结构框图；图10自适应数控偏置电压系统的微处理器工作流程图；图11为激光探测实验示意图；图12A、图12B、图12C为激光探测实验回波信号图；图13A、图13B、图13C激光探测实验回波信号图；图14A、图14B、图14C和图14D激光探测实验回波信号图。
具体实施例方式为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本发明针对传统的大气波导探测方法需要长距离多点采集大气参数，灵活性、实时性相对较差，数据采集过程代价高的问题，提供一种探测大气波导环境的方法、系统及探测机，探测实时性高。如图1所示，本发明的探测大气波导环境的方法，包括
步骤11，发射激光至模拟大气环境中；步骤12，获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；步骤13，对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征；步骤14，根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数。本发明的上述方案通过向模拟大气环境中发射激光，并获得激光探测后向光散射光信号，进一步获得对模拟大气环境中的气溶胶粒子的后向散射特征，实时对大气波导环境进行探测，获得波导层的厚度、延伸范围和持续时间等大气波导特征参数，为大气波导超视距探测等军事活动提供大气波导环境数据支撑。该方法提高了大气波导预报的准确度， 解决了利用天气预估折射率方法提供的波导参数不够准确的问题；该方法采样精度高、数据量大、方便灵活，解决了利用无线电探空设备测量条件苛刻、测量结果迟后时间长且水平距离扩展上代表性差等问题，弥补超视距雷达距离和方位分辨率较差，定位精度不够理想的现状。进一步地，上述实施例中，步骤13在具体实现时，是基于米氏散射理论进行的，具体为通过以下公式/…=/。R 乂 2 I (O , φ )对所述激光探测后散射光信号
ο π R
进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶的后向散射特征为气溶胶粒子在激光的入射下产生后向散射光信号随着气溶胶粒子半径的增大，后散射光的强度相应地得到增强；其中，Itl为入射光的强度，λ为激光波长，Is。a为与大气中心0相距为R处P点的散射光强，/汐为与角度相关的散射光强度，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强度函数分量，S1, &表示幅值函数，其无穷级数形式为
Co 2 “ ι ι
=ι ( + 1)S2(G) = V 2" + [a r (cos6>) + fe ^- (cos6 )]
T^i n(n + 1)其中，％、bn 散射系数，该Mie散射系数是单个粒子尺度r和激光波长λ之比参数α (α = 2 Jir/λ)的函数。如图2、图6所示，由脉冲激光发射子系统发出激光，激光脉冲在大气中传播，与不同成分气溶胶等发生作用，激光束在大气环境中不断发生散射现象，载有对不同半径气溶胶信息的后向散射光信号被光信号接收子系统接收，由于激光对不同半径气溶胶的散射特征不同，采集到的后向散射光信号也不同，根据激光回波特征判断大气环境中气溶胶的物理特性。海洋产生大气波导的主要条件是大气的相对湿度，海洋大气的相对湿度影响着蒸发波导大气环境气溶胶的物理特性，不同物理特征的气溶胶粒子对激光的光散射特性也各有不同，基于激光技术的大气波导探测方法正是利用大气折射率与相对湿度、相对湿度与气溶胶的关系而建立的。
不同物理特征气溶胶粒子的激光散射特性又各有不同。根据米氏散射理论，如图 3所示，半径为R的粒子相对于周围介质的折射率用复数表示为m = mi+jm2，介质的折射率为n，虚部不等于零表示粒子有吸收。取粒子中心为坐标原点0，真空中波长为λ、强度为I。 的线偏振光沿着ζ轴入射到粒子上，散射光^与入射光方向之间的散射角为θ，入射光的电矢量相对于散射面的夹角为^。若入射光是强度为Itl的自然光，则与大气中心0相距为R处P点的散射光强为
权利要求
1.一种探测大气波导环境的方法，其特征在于，包括发射激光至模拟大气环境中；获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征；根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述激光探测后散射光信号进行分析， 得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征的步骤具体为通过以下公式
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数的步骤具体为根据不同温度、湿度和压力环境中，激光对不同半径的气溶胶粒子照射后产生的激光探测后向散射光信号的分布特征以及在大气垂直折射率梯度小于-157Ν/ΚΜ时，获得大气波导特征参数，其中所述大气波导特征参数包括波导层的持续时间、波导层的高度、波导层的水平延伸范围、蒸发波层出现的概率以及产生蒸发波导的气象水文条件。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述激光的波长为1.064 μ m,所述气溶胶粒子半径的范围为0. Iym ΙΟΟμπι，所述气溶胶粒子折射率为1.55，气溶胶外包层水的折射率为1.33。
5.一种探测大气波导环境的系统，包括探测机，用于发射激光至模拟大气环境中，并获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；处理机，用于对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征；并根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述探测机包括激光发射子系统，用于发射激光至模拟大气环境中；光信号接收子系统，用于获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号； 其中，所述激光发射子系统包括脉冲激光器，用于产生脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为10ns，波长为1. 064 μ m的激光；以及发射天线，用于发射所述脉冲激光器产生的激光至模拟大气环境中； 其中，所述光信号接收子系统包括接收天线，用于接收所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后， 产生的激光探测后向散射光信号；探测器，用于对所述激光探测后向散射光信号进行探测，输出高速瞬态微弱光信号； 宽带低噪声放大器，用于对所述高速瞬态微弱光信号进行放大； 雪崩光电二极管偏置升压器，用于接收所述探测器输出的高速瞬态微弱光信号，并输出至所述处理机。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述宽带低噪声放大器的跨导增益在 1. 5GHz以上，输入电压噪声小于10 厂/>/^ ,输入电流噪声小于100/Α/4 Γζ。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述雪崩光电二极管偏置升压器包括 雪崩光电二极管，数字温度芯片，数/模转换器以及微处理器，其中，所述微处理器通过所述数字温度芯片读出当前所述雪崩光电二极管APD表面温度值，使用APD固定增益下的温度-偏压补偿曲线，获取当前温度下APD的目标偏压Vg。al，通过数/模转换器调整APD当前偏压V。。nte。i至目标偏压Vg。al。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述雪崩光电二极管的响应时间450ps， 噪声电流为0.6#/Λ/^。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光信号接收子系统还具有利用弱磁性材料制成的屏蔽装置。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述弱磁性材料为厚度1.3mm的金属 铝。
12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处理机通过以下公式 I…=/。s义二 2 I ^ )对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探 测所述不同半径气溶胶的后向散射特征为气溶胶粒子在激光的入射下产生后向散射光信号随着气溶胶粒子半径的增大，后散射光的强度相应地增强；其中，Itl为入射光的强度，λ为激光波长，Is。a为与大气中心0相距为R处P点的散射光强，/汐为与角度相关的散射光强度，其中，Ι(θ,φ) = /,sin V +/2cos2 φ = ^1(^)^111^ + \scosW 其中，I” I2 分别表示垂直和平行于散射平面的散射强度函数分量，S1, &表示幅值函数，其无穷级数形式为其中，^VbnSMie散射系数，该Mie散射系数是单个粒子尺度r和激光波长λ之比参数α (α = 2 Jir/λ)的函数。
13. —种探测机，其特征在于，包括 激光发射子系统，用于发射激光至模拟大气环境中；光信号接收子系统，用于获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号； 其中，所述激光发射子系统包括脉冲激光器，用于产生脉冲能量为20mJ，脉冲宽度为10ns，波长为1. 064 μ m的激光；以及发射天线，用于发射所述脉冲激光器产生的激光至模拟大气环境中； 其中，所述光信号接收子系统包括接收天线，用于接收所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后， 产生的激光探测后向散射光信号；探测器，用于对所述激光探测后向散射光信号进行探测，输出高速瞬态微弱光信号； 宽带低噪声放大器，用于对所述高速瞬态微弱光信号进行放大； 雪崩光电二极管偏置升压器，用于接收所述探测器输出的高速瞬态微弱光信号，并输出至与所述探测机连接的处理机。
全文摘要
本发明提供一种探测大气波导环境的方法、系统及探测机，其中方法包括发射激光至模拟大气环境中；获取所述激光对所述模拟大气环境中的不同半径气溶胶粒子照射后，产生的激光探测后向散射光信号；对所述激光探测后散射光信号进行分析，得到激光探测所述不同半径气溶胶粒子的后向散射特征；根据不同温度、湿度和压力环境中气溶胶粒子的后向散射特征以及大气折射率变化情况，获得大气波导特征参数。本发明的方案利用激光对大气波导环境进行探测，探测实时性高。
文档编号G01S17/02GK102288970SQ20111019852
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者梁善永, 王乐东, 王江安, 陈少昌 申请人:中国人民解放军海军工程大学