1.本发明公开了一种大气温度起伏测量方法，涉及光学探测技术领域。
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、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。此外，在大气激光通信中，大气湍流对激光传输所产生的影响，有时会严重地影响通信系统的性能，甚至会造成通信的中断。大气湍流所带来的这些的影响主要是由温度起伏引起的，因此精确地测量大气温度起伏至关重要。
技术实现要素：3.本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种大气温度起伏测量方法，方法简单准确。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种大气温度起伏测量方法，包括以下步骤：
5.步骤一：利用莫尔层析装置的激光器发射准直光束，在莫尔层析装置的光屏上获得莫尔条纹；
6.步骤二：在测量时间内，按帧连续采集光屏上的莫尔条纹，并截取每帧相同位置的局部莫尔条纹，获取局部莫尔条纹在时间上的位移值；
7.步骤三：根据局部莫尔条纹在时间上的位移值以及莫尔条纹的间距，计算准直光束进入大气后的出射光线偏折角；
8.步骤四：通过出射光线偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏。
9.进一步的，步骤一中，所述莫尔层析装置包括：沿激光入射方向自左至右依次设置的激光器、扩束准直系统、两个光栅、第一成像透镜、滤波器、第二成像透镜和光屏，所述扩束准直系统包括沿激光入射方向依次设置的第一透镜和第二透镜；利用激光器发射准直光束，在光屏上获得莫尔条纹。
10.进一步的，步骤三中，出射光线偏折角计算包括以下步骤：
11.对截取的每帧局部莫尔条纹进行坐标系处理，记录局部莫尔条纹坐标位置；
12.计算全部帧局部莫尔条纹的平均位置：e[i]为第i帧条纹的平均位置，n为总帧数；
[0013]
计算第i帧局部莫尔条纹在时间上的位移值：
[0014]
计算第i帧局部莫尔条纹对应出射光线的偏折角：
[0015]
z表示两个光栅的间距，d表示光栅周期，dm表示莫尔条纹间距，不同帧数的相邻莫尔条纹之间的间距变化可忽略不计。
[0016]
进一步的，步骤四中，所述通过出射光线的偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏具体包括以下步骤：
[0017]
步骤1：通过出射光线的偏折角计算出表征大气折射率随机不均匀性的剧烈程度的结构常数：
[0018]
其中:d是准直光束在第一个光栅上的直径，e为准直光束在大气中的传输距离，是偏折角的方差，是偏折角的方差，
[0019]
折射率结构函数dn(t)描述了大气折射率的起伏，折射率结构函数dn(t)与折射率结构常数的关系，可表示为：
[0020][0021]
其中：n(t)代表第t时的大气折射率，n(t-δt)代表第(t-δt)时的大气折射率，
[0022]
步骤2：计算大气折射率起伏项：
[0023][0024][0025]
1≤i≤n
[0026]
1≤i≤n
[0027]
其中，δt表示相邻两帧莫尔条纹的时间间隔，v是测量时间内的平均风速， 《》表示对里面参数求时间平均；
[0028]
步骤3：计算出温度起伏项：
[0029]
[0030]
1≤i≤n
[0031]
其中：l表示的是洛希密脱常数，l＝2.687
×
10
19
cm-3
，κ为玻尔兹曼常数，λ是探测光的波长，a和b是与大气流场中中性粒子种类有关的常数， a和b取空气的相关参数，a＝2.871
×
10-4
，b＝1.628
×
10-6
，是被测地区的平均压强，是被测地区的平均温度。
[0032]
进一步的，截取每帧相同位置的局部莫尔条纹，截取区域的像素大小为 q*q，q为正整数。
[0033]
进一步的，对每帧莫尔条纹进行坐标系处理包括以下步骤：二值化、细化，亮条纹，坐标选取原点位置，具体步骤通过matlab进行处理，采用rgb2gray函数先把条纹图转化成灰度图像，采用im2bw函数进行二值化，采用bwmorph 函数进行细化，截图的左上角为原点，对截取的莫尔条纹每隔一个像素就记录曲线上点的位横坐标并取平均。
[0034]
有益效果：本发明提出了一种大气温度起伏测量方法，通过建立起大气折射率起伏与偏折角之间的关系，结合空气温度与折射率的关系式，得到温度起伏与偏折角之间的关系模型，为利用莫尔层析技术的测量大气温度起伏提供，可行性；相比现有的温度起伏测量方法，本发明提供的方法操作方便，精度高，可以进行大规模、长期、系统的测量。
附图说明
[0035]
图1为本发明的结构示意图；
[0036]
图2为本发明的流程示意图；
[0037]
图3(a)为本实施例第1800帧的莫尔条纹图；
[0038]
图3(b)为本实施例第3600帧的莫尔条纹图；
[0039]
图3(c)为本实施例第5400帧的莫尔条纹图；
[0040]
图3(d)为本实施例第7200帧的莫尔条纹图；
[0041]
图4(a)为本实施例第1800帧的局部莫尔条纹图；
[0042]
图4(b)为本实施例第3600帧的局部莫尔条纹图；
[0043]
图4(c)为本实施例第5400帧的局部莫尔条纹图；
[0044]
图4(d)为本实施例第7200帧的局部莫尔条纹图；
[0045]
图5(a)为本实施例第1800帧的局部莫尔条纹细化图；
[0046]
图5(b)为本实施例第3600帧的局部莫尔条纹细化图；
[0047]
图5(c)为本实施例第5400帧的局部莫尔条纹细化图；
[0048]
图5(d)为本实施例第7200帧的局部莫尔条纹细化图；
[0049]
图6为本实施例的偏折角数据示意图；
[0050]
图7为本实施例中温度起伏示意图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。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。
[0052]
如图1所示的实施例：本实施例首先搭建如图1所示的莫尔层析装置，所述莫尔层析装置包括：沿激光入射方向自左至右依次设置的激光器，扩束准直系统、两个郎奇光栅、第一成像透镜、滤波器、第二成像透镜和光屏，所述扩束准直系统包括沿激光入射方向依次设置的第一透镜和第二透镜；利用两个郎奇光栅对光束的干涉，在光屏上获得莫尔条纹，用ccd采集光屏上的莫尔条纹并将其存储到计算机；
[0053]
实验中所用激光器波长是532nm(激光器的型号是lsr532nl-400)，透镜3 与第二个郎奇光栅6之间的距离为85cm(e＝85cm)，第一、第二成像透镜的焦距是30cm，两个郎奇光栅周期是d＝1/20mm，间距是z＝0.3m；设定ccd以1帧/ 秒的速率(即δt＝1s)采集光屏上的莫尔条纹并将其存储到计算机中，ccd的型号是mer-125-30uc，最终共采集n＝7200帧莫尔条纹(共2个小时)；
[0054]
如图2所示的一种实施例，一种大气温度起伏测量方法，包括以下步骤：
[0055]
步骤一：利用如图1所示的莫尔层析装置的激光器发射准直光束，在莫尔层析装置的光屏上获得莫尔条纹；
[0056]
步骤二：在测量时间内，按帧连续采集光屏上的莫尔条纹，并截取每帧相同位置的局部莫尔条纹，获取局部莫尔条纹在时间上的位移值；
[0057]
步骤三：根据局部莫尔条纹在时间上的位移值以及莫尔条纹的间距，计算准直光束进入大气后的出射光线偏折角；
[0058]
步骤四：通过出射光线偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏。
[0059]
步骤三中，出射光线偏折角计算包括以下步骤：
[0060]
如图3(a)、(b)、(c)、(d)所示，选取了第1800帧、3600帧、5400帧和7200帧的莫尔条纹图进行处理示意；并从圆点位置开始分别往下和往右截取像素大小是320*320的区域，形成如图4(a)、(b)、(c)、(d)给出了每组的第1800帧、3600帧、5400帧和7200帧的截图；并对截取的部分莫尔条纹图，进行二值化、细化处理并记录亮条纹位置，细化条纹如图5(a)、(b)、(c)、(d) 所示；
[0061]
对截取的每帧局部莫尔条纹进行坐标系处理，记录局部莫尔条纹坐标位置；
[0062]
本实施例对7200组亮条纹的位置数据进行如下处理，得到7200个偏折角数据。
[0063]
计算全部帧局部莫尔条纹的平均位置：e[i]为第i帧局部莫尔条纹的位置，n为总帧数；
[0064]
计算第i帧局部莫尔条纹在时间上的位移值：
[0065]
计算第i帧局部莫尔条纹对应出射光线的偏折角：
[0066]
z表示两个光栅的间距，d表示光栅周期，dm表示莫尔条纹间距。
[0067]
步骤四中，所述通过出射光线的偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏具体包括以下步骤：
[0068]
步骤1：通过出射光线的偏折角计算出表征大气折射率随机不均匀性的剧烈程度
的结构常数：
[0069]
其中:d是准直光束在第一个光栅上的直径，e为准直光束在大气中的传输距离，是偏折角的方差，是偏折角的方差，
[0070]
折射率结构函数dn(t)描述了大气折射率的起伏，折射率结构函数dn(t)与折射率结构常数的关系，可表示为：
[0071][0072]
其中：n(t)代表第t时的大气折射率，n(t-δt)代表第(t-δt)时的大气折射率，
[0073]
步骤2：计算大气折射率起伏项：
[0074][0075][0076]
1≤i≤n
[0077]
1≤i≤n
[0078]
其中，δt表示相邻两帧莫尔条纹的时间间隔，v是测量时间内的平均风速， 《》表示对里面参数求时间平均；
[0079]
步骤3：计算出温度起伏项：
[0080][0081]
1≤i≤n
[0082]
其中：l表示的是洛希密脱常数，l＝2.687
×
10
19
cm-3
，κ为玻尔兹曼常数，λ是探测光的波长，a和b是与大气流场中中性粒子种类有关的常数， a和b取空气的相关参数，a＝2.871
×
10-4
，b＝1.628
×
10-6
，是被测地区的平均压强，是被测地区的平均温度。
[0083]
本实施例选取了第900帧、1800帧、2700帧、3600帧、4500帧、5400帧、 6300帧和7200帧的偏折角结果如图6(对应的总时间为2小时)所示；图上空心点标出了第900帧、1800帧、2700帧、3600帧、4500帧、5400帧、6300 帧和7200帧的偏折角数据。
[0084]
本实施例压强为一个大气压，风速仪同步测量风速，莫尔层析装置同步测量温度，同样也记录了7200组数据；测量时间段内的平均温度和平均风速分别是和《v》＝0.29m/s，光束在第一个光栅上的直径为 d＝0.05m。基于我们最终推导出来的理论依据公式1≤i≤n，即可计算出上述时间内温度的起伏分布，
[0085]
如图7所示，同样，第900帧、1800帧、2700帧、3600帧、4500帧、5400 帧、6300帧和7200帧对应的温度起伏在图中用空心点标出，实心点标出相应时间下风速仪测量出的温度起伏的结果。
[0086]
从图7给出了2小时(h)内的温度起伏情况，能够看出莫尔层析测量出的温度起伏与风速仪测量出的结果比较吻合。相关理论和实验结果表明，将莫尔层析技术引入到大气温度起伏测量中来是可行的。
[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。
技术特征：1.一种大气温度起伏测量方法，其特征在于，包括以下步骤：利用莫尔层析装置的激光器发射准直光束，获得莫尔条纹；在测量时间内，按帧连续采集莫尔条纹，并截取每帧相同位置的局部莫尔条纹；根据局部莫尔条纹在时间上的位移值以及莫尔条纹的间距，计算准直光束进入大气后的出射光线偏折角；通过出射光线偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏。2.一种根据权利要求1所述的温度起伏的测量方法，其特征在于，步骤一中，所述莫尔层析装置包括：沿激光入射方向自左至右依次设置的激光器、扩束准直系统、两个光栅、第一成像透镜、滤波器、第二成像透镜和光屏，所述扩束准直系统包括沿激光入射方向依次设置的第一透镜和第二透镜；利用激光器发射准直光束，在光屏上获得莫尔条纹。3.一种根据权利要求2所述的温度起伏的测量方法，其特征在于，步骤三中，出射光线偏折角计算包括以下步骤：对截取的每帧局部莫尔条纹进行坐标系处理，记录局部莫尔条纹坐标位置；计算全部帧局部莫尔条纹的平均位置：e[i]为第i帧局部莫尔条纹的平均位置，n为总帧数；计算第i帧局部莫尔条纹在时间上的位移值：计算第i帧局部莫尔条纹对应出射光线的偏折角：z表示两个光栅的间距，d表示光栅周期，d
m
表示莫尔条纹间距。4.一种根据权利要求3所述的温度起伏的测量方法，其特征在于，步骤四中，所述通过出射光线的偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏具体包括以下步骤：步骤1：通过出射光线的偏折角计算出表征大气折射率随机不均匀性的剧烈程度的结构常数：其中:d是准直光束在第一个光栅上的直径，e为准直光束在大气中的传输距离，是偏折角的方差，折角的方差，步骤2：计算大气折射率起伏项：其中，δt表示相邻两帧莫尔条纹的时间间隔，v是测量时间内的平均风速；步骤3：计算出温度起伏项：
其中：l表示的是洛希密脱常数，l＝2.687
×
10
19
cm-3
，κ为玻尔兹曼常数，λ是准直光束的波长，a＝2.871
×
10-4
，b＝1.628
×
10-6
，是被测地区的平均压强，是被测地区的平均温度。5.一种根据权利要求3所述的温度起伏的测量方法，其特征在于，步骤一中，截取每帧相同位置的局部莫尔条纹，截取区域的像素大小为q*q，q为正整数。6.一种根据权利要求3所述的温度起伏的测量方法，其特征在于，所述的坐标系处理包括：对截取的莫尔条纹进行二值化与细化处理，每隔一个像素就记录亮条纹上点的横坐标位置，并对记录的所有横坐标位置取平均值，用e[i]表示。
技术总结本发明公开了一种大气温度起伏测量方法，利用莫尔层析装置的激光器发射准直光束，获得莫尔条纹；在测量时间内，按帧连续采集莫尔条纹，并截取每帧相同位置的局部莫尔条纹；根据局部莫尔条纹在时间上的位移值以及莫尔条纹的间距，计算准直光束进入大气后的出射光线偏折角；最终通过出射光线偏折角计算出大气折射率起伏，根据大气折射率起伏计算出大气温度起伏。本发明将莫尔层析技术引入到大气温度起伏测量中来，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。通讯等方面的影响提供一定的参考。通讯等方面的影响提供一定的参考。
技术研发人员：陈云云 徐梦 陈雅宜
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/7/4
