CN116484167B - 一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法。由于大气光学湍流强度主要由低空大气的光学湍流决定，且低空大气的光学湍流随高度近似呈指数分布，因此，本发明通过测量统计低空大气光学湍流在整个大气光学湍流中的占比，同时通过近地面实时测量大气光学湍流实时修正低空大气光学湍流拟合系数，进而实现间接实时测试大气光学湍流强度的目的。

Description

一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法

技术领域

本发明涉及星地激光通信领域，尤其涉及星地激光通信地面站大气光学湍流的实时测量和计算领域，具体涉及一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法。

背景技术

随着遥感技术的快速发展，卫星载荷数量及载荷的分辨率大幅提高，其产生的数据量呈几何级增长，因而对高速星地数据传输的需求日益迫切。星地激光通信可用带宽可达到THz量级，通信速率可达百Gbps量级，是未来星地高速数据传输的重要方式。但是，激光大气传输需要对大气湍流信道进行定量的描述。大气相干长度描述了整层大气传输路径上的综合湍流强度，为分析激光在整层大气中的上行或下行传输提供基本的参数。

目前，差分像运动法是目前测量大气相干长度的通用方法，其优势在于可以消除望远镜的跟踪误差、抖动和风的影响，用小口径的望远镜以及价格便宜的CCD即可实现。差分像运动监视仪即是利用该方法测量大气相干长度的仪器，该仪器通过测量星光的到达角起伏引起的星像重心变化，计算得到大气相干长度。但是，该方法仅工作在可观测恒星的环境下，在遇到云层阻挡或者天光背景强烈的情况时无法工作。

发明内容

为解决目前无法全天候实时测量计算大气光学湍流的问题，本发明提出了一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置及方法。由于大气光学湍流强度主要由低空大气的光学湍流决定，且低空大气的光学湍流随高度近似呈指数分布，因此，本发明通过测量统计低空大气光学湍流在整个大气光学湍流中的占比，同时通过近地面实时测量大气光学湍流实时修正低空大气光学湍流拟合系数，进而实现间接实时测试大气光学湍流强度的目的。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置，包括：大气光学湍流测量和统计单元、低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元、近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元以及大气光学湍流分析单元；

所述大气光学湍流测量和统计单元用于测量和存储整个大气的光学湍流强度，包括大气光学湍流测量模块和大气光学湍流强度存储模块；

所述低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元用于测量和拟合不同季节、不同时段的高精度低空大气湍流廓线，包含无人机飞行平台模块、高精度大气湍流测量模块、低空大气光学湍流强度计算模块和低空大气光学湍流强度统计模块；

所述近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元用于采集近地面大气光学湍流，并拟合近地面大气光学湍流廓线，包括近地面大气光学湍流测量模块和近地面大气光学湍流实时拟合模块；

所述大气光学湍流分析单元用于实时计算整个大气信道的光学湍流强度，包括大气光学湍流分布统计模块和大气光学湍流实时计算模块。

进一步地，所述大气光学湍流测量模块用于测量整个大气信道的光学湍流强度,大气光学湍流强度存储模块用于存储和统计该时刻测量的大气光学湍流强度：

，

其中，m表示第m时刻，< >表示均值；

所述大气光学湍流测量模块使用标准的差分像运动监视仪测量整层大气的大气光学大气湍流强度；为获取各个时刻准确的大气光学湍流强度，大气光学湍流强度存储模块统计多次采集的同时刻的大气光学湍流强度的平均值。

进一步地，所述无人机飞行平台模块用于搭载高精度的大气光学湍流测量和统计单元；高精度的大气光学湍流测量模块用于精确测量大气光学湍流；所述低空大气光学湍流强度计算模块用于拟合低空大气光学湍流廓线，并计算低空大气光学湍流强度：

，

其中，h为索引，表示相对高度；h1为低空大气湍流测量的最高点；t为湍流廓线的测量时刻；为大气折射率结构常数；

低空大气光学湍流强度统计模块用于统计该时刻低空大气光学湍流强度：

，

其中，m表示第m时刻，< >表示均值。

进一步地，所述近地面大气光学湍流测量模块用于实时测量和采集不同高度的大气光学湍流；近地面大气光学湍流实时拟合模块用于实时拟合近地面的大气光学湍流廓线，给出各时刻大气光学湍流强度随高度的衰减规律为：

，

其中，A和P表示指数关系的两个参数，h为索引，表示相对高度；t为湍流廓线的测量时刻；为大气折射率结构常数。

进一步地，所述大气光光学湍流分布统计模块用于分析特定时刻低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比：

，

大气光学湍流实时计算模块根据拟合的近地面大气光学湍流廓线计算低空大气光学湍流强度，进而根据低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比计算整个大气信道的光学湍流强度：

。

本发明还提供一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算方法，包括如下步骤：

步骤1、所述大气光学湍流测量和统计单元长时间测量不同时刻的整层大气光学湍流强度，统计计算得到每个时刻的平均大气光学湍流强度；

步骤2、利用所述低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元每小时放飞一次无人机，匀速飞行至低空高度，实时测量路径上的大气光学湍流，进而得到该时刻的大气光学湍流廓线，计算得到低空大气光学湍流强度；

步骤3、重复步骤2，多次获取相同时刻的低空大气光学湍流强度，统计计算得到每时刻的平均低空大气光学湍流强度；

步骤4、分析计算特定时刻低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比；

步骤5、利用所述近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元实时测量近地面多层大气光学湍流，拟合得到低空大气光学湍流廓线；

步骤6、根据低空大气光学湍流廓线计算低空大气光学湍流强度，进而根据低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比得到整层大气光学湍流强度。

有益效果：

本发明能够实时测量近地面的大气光学湍流，并反演计算整层大气光学湍流强度，解决目前无法全天候实时测量计算大气光学湍流的问题，包括如下优点：

1.本发明操作简单，实时性强，可以实时精确估计星地激光通信地面站的大气湍流强度，为站内光学系统的配置优化和任务安排提供了支撑；

2.本发明不受天气和大气环境的影响，能够全天时、全天候稳定的获取整层大气光学湍流强度；

3.本发明结构简单，没有精密的光学器件，且大部分的测量和维护都在近地面，易于使用和维护。

附图说明

图1为本发明的基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置组成图；

图2为本发明的基于地面测量的大气光学湍流实时计算方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置包括：大气光学湍流测量和统计单元、低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元、近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元以及大气光学湍流分析单元。

所述大气光学湍流测量和统计单元用于测量和存储整个大气的光学湍流强度，主要包括大气光学湍流测量模块和大气光学湍流强度存储模块。其中：大气光学湍流测量模块主要用于测量整个大气信道的光学湍流强度，大气光学湍流强度存储模块主要用于存储和统计该时刻测量的大气光学湍流强度/>：

，

其中，m表示第m时刻，< >表示均值；

具体地，大气光学湍流测量模块使用标准的差分像运动监视仪测量整层大气的大气光学大气湍流强度。由于差分像运动监视仪仅工作在可观测恒星的环境下，且存在一定的噪声波动，因此，为获取各个时刻准确的大气光学湍流强度，大气光学湍流强度存储模块统计多次采集的同时刻的大气光学湍流强度的平均值。

所述低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元用于测量和拟合不同季节、不同时段的高精度低空大气湍流廓线，包含无人机飞行平台模块、高精度大气湍流测量模块、低空大气光学湍流强度计算模块和低空大气光学湍流强度统计模块。其中：无人机飞行平台模块用于搭载高精度的大气湍流测量和统计单元；高精度的大气湍流测量模块用于精确测量大气光学湍流；低空大气光学湍流强度计算模块用于拟合低空大气光学湍流廓线，并计算低空大气光学湍流强度：

，

其中，h为索引，表示相对高度；h1为低空大气湍流测量的最高点；t为湍流廓线的测量时刻；为大气折射率结构常数；

低空大气光学湍流强度统计模块用于统计该时刻低空大气光学湍流强度：

，

所述近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元用于采集近地面大气光学湍流，并拟合近地面大气光学湍流廓线，包括近地面大气光学湍流测量模块和近地面大气光学湍流实时拟合模块。其中近地面大气光学湍流测量模块用于实时测量和采集不同高度的大气光学湍流；近地面大气光学湍流实时拟合模块用于实时拟合近地面的大气光学湍流廓线，给出各时刻大气光学湍流强度随高度的衰减规律为：

，

其中，A和P表示指数关系的两个参数。

具体地，为保证近地面大气光学湍流的拟合精度，近地面大气光学湍流测量模块至少需测量3层不同高度的大气光学湍流，一般分别在2米、4米和8米的高度固定大气光学湍流测量仪，测量得到3个高度h1，h2，h3的大气光学湍流，分别记为

、/>、/>。近地面大气光学湍流廓线一般为指数曲线，因此，近地面大气光学湍流廓线实时拟合模块实时获取3个高度h1，h2，h3的大气光学湍流，利用最小二乘法，拟合得到当前时刻大气光学湍流强度随高度的衰减规律/>和。

所述大气光学湍流分析单元用于实时计算整个大气信道的光学湍流强度，包括大气光学湍流分布统计模块和大气光学湍流实时计算模块。其中大气光光学湍流分布统计模块用于分析特定时刻低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比：

，

大气光学湍流实时计算模块根据拟合的近地面大气光学湍流廓线计算低空大气光学湍流强度，进而根据低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比计算整个大气信道的光学湍流强度：

，

如图2所示，本发明的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算方法包括如下步骤：

步骤1、所述大气光学湍流测量和统计单元长时间测量不同时刻的整层大气光学湍流强度，统计计算得到每个时刻的平均大气光学湍流强度；

步骤2、利用所述低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元每小时放飞一次无人机，匀速飞行至低空高度，实时测量路径上的大气光学湍流，进而得到该时刻的大气光学湍流廓线，计算得到低空大气光学湍流强度；

步骤3、重复步骤2，多次获取相同时刻的低空大气光学湍流强度，统计计算得到每时刻的平均低空大气光学湍流强度；

步骤4、分析计算特定时刻低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比；

步骤5、利用所述近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元实时测量近地面多层大气光学湍流，拟合得到低空大气光学湍流廓线；

步骤6、根据低空大气光学湍流廓线计算低空大气光学湍流强度，进而根据低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比得到整层大气光学湍流强度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置，其特征在于：包括大气光学湍流测量和统计单元、低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元、近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元以及大气光学湍流分析单元；

所述大气光学湍流测量和统计单元用于测量和存储整个大气的光学湍流强度，包括大气光学湍流测量模块和大气光学湍流强度存储模块；

所述低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元用于测量和拟合不同季节、不同时段的高精度低空大气湍流廓线，包含无人机飞行平台模块、高精度大气湍流测量模块、低空大气光学湍流强度计算模块和低空大气光学湍流强度统计模块；

所述近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元用于采集近地面大气光学湍流，并拟合近地面大气光学湍流廓线，包括近地面大气光学湍流测量模块和近地面大气光学湍流实时拟合模块；

所述大气光学湍流分析单元用于实时计算整个大气信道的光学湍流强度，包括大气光学湍流分布统计模块和大气光学湍流实时计算模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置，其特征在于，所述大气光学湍流测量模块用于测量整个大气信道的光学湍流强度，大气光学湍流强度存储模块用于存储和统计该时刻测量的大气光学湍流强度/>：

，

其中，m表示第m时刻，< >表示均值；

所述大气光学湍流测量模块使用标准的差分像运动监视仪测量整层大气的大气光学大气湍流强度；为获取各个时刻准确的大气光学湍流强度，大气光学湍流强度存储模块统计多次采集的同时刻的大气光学湍流强度的平均值。

3.根据权利要求2所述的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置，其特征在于，所述无人机飞行平台模块用于搭载高精度的大气光学湍流测量和统计单元；高精度的大气光学湍流测量模块用于精确测量大气光学湍流；所述低空大气光学湍流强度计算模块用于拟合低空大气光学湍流廓线，并计算低空大气光学湍流强度：

，

其中，h为索引，表示相对高度；h1为低空大气湍流测量的最高点；t为湍流廓线的测量时刻；为大气折射率结构常数；

低空大气光学湍流强度统计模块用于统计该时刻低空大气光学湍流强度：

，

其中，m表示第m时刻，< >表示均值。

4.根据权利要求1所述的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置，其特征在于，所述近地面大气光学湍流测量模块用于实时测量和采集不同高度的大气光学湍流；近地面大气光学湍流实时拟合模块用于实时拟合近地面的大气光学湍流廓线，给出各时刻大气光学湍流强度随高度的衰减规律为：

，

其中，A和P表示指数关系的两个参数，h为索引，表示相对高度；t为湍流廓线的测量时刻；为大气折射率结构常数。

5.根据权利要求3所述的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置，其特征在于，所述大气光光学湍流分布统计模块用于分析特定时刻低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比：

，

大气光学湍流实时计算模块根据拟合的近地面大气光学湍流廓线计算低空大气光学湍流强度，进而根据低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比计算整个大气信道的光学湍流强度：

。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种基于地面测量的大气光学湍流实时计算装置的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、所述大气光学湍流测量和统计单元长时间测量不同时刻的整层大气光学湍流强度，统计计算得到每个时刻的平均大气光学湍流强度；

步骤2、利用所述低空大气光学湍流廓线测量和拟合单元每小时放飞一次无人机，匀速飞行至低空高度，实时测量路径上的大气光学湍流，进而得到该时刻的大气光学湍流廓线，计算得到低空大气光学湍流强度；

步骤3、重复步骤2，多次获取相同时刻的低空大气光学湍流强度，统计计算得到每时刻的平均低空大气光学湍流强度；

步骤4、分析计算特定时刻低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比；

步骤5、利用所述近地面大气光学湍流廓线测量和拟合单元实时测量近地面多层大气光学湍流，拟合得到低空大气光学湍流廓线；

步骤6、根据低空大气光学湍流廓线计算低空大气光学湍流强度，进而根据低空大气光学湍流在大气光学湍流强度的占比得到整层大气光学湍流强度。