安徽光学精密机械研究所梅海平团队：大气湍流模拟舱内激光传输效应的测量与分析 (特邀)

舱内湍流特性测量原理及光路布局

 

论文题目：大气湍流模拟舱内激光传输效应的测量与分析 (特邀)

作者：岳喜福，黄印博，梅海平，蒋森，叶舒然，马晓萱，饶瑞中

完成单位：中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所

      现有针对大气湍流模拟舱内湍流特性的测试研究工作中，测试系统受制于测量方式与设备发展的限制最多只覆盖其中的一两种效应，是不完善的；最高只实现了几百Hz的采样频率，不足以覆盖所有的湍流成分；光斑位置类探测器的测量精度只有几十至几百微米；通过到达角起伏获取大气相干长度时只使用单一孔径忽略了振动对测量结果的影响。针对以上问题，文中设计研制了一台专用测试系统。该系统配置了两路光电倍增管和三路位置敏感传感器，实现对闪烁、漂移等湍流光传播效应的同步探测，进而获得模拟舱内积分路径上大气相干长度和湍流功率谱等信息。该系统基于原理，通过对传统大气相干长度仪光路结构的改动，实现了在模拟舱的米级范围使用差分像运动法测量相干长度，解决了以往各测量方法单一光路测量相干长度会引入振动等误差的问题；使用PSD替代CCD相机，PSD在确保分辨率的同时具备更高的采样频率能够反映舱内湍流谱的高频信息；使用共光源光路，实现了闪烁、漂移和到达角的同步测量。

      本文针对新型对流-热风混合式大气湍流模拟舱的特性测试需求，研制了一套专用测量系统，实现对激光传输过程中的光斑漂移、到达角起伏和光强闪烁三类关键效应参数的同步采集，进而获取模拟舱内湍流强度及功率谱密度分布。

技术亮点：

      整合两路光电倍增管（PMT）和三路位置敏感传感器（PSD），首次实现光强闪烁、光束漂移、到达角起伏及大气相干长度的同步探测，解决了传统系统仅能覆盖1~2种效应的局限。

      采用PSD替代CCD相机，光斑位置测量精度达1µm，大气相干长度测量不确定度在2~45 cm动态范围内优于5%，远超常规仪器10%的精度水平，且覆盖范围超出真实大气湍流强度一个量级。

      系统采样频率最高达200 kHz，常规设置2 kHz，成功捕捉到1000 Hz内的湍流频谱信息，热风模式下可满足数百Hz至千Hz高频湍流测试需求。

      基于差分像运动法（DIMM），采用共光源分光设计和双PSD差分探测技术，有效抑制振动干扰，增强对弱湍流的探测能力。

      通过功率谱分析，明确了对流式与热风式湍流的谱幂律差异，为理解湍流演化物理机制提供了新证据，也为模拟舱在光电系统测试中的应用提供了关键支撑。

      文中基于闪烁、漂移、到达角起伏及 DIMM 方法，研制了一款适配于室内大气湍流模拟舱特征参数测试的精密测量系统，该系统适用于在室内数米内，同步获取激光经过模拟舱后的光强闪烁、细光束漂移和平行光的到达角起伏量，其对大气相干长度的测量不确定度在动态范围内小于5%。用其对新型大气湍流模拟舱进行测试，发现模拟舱内路径积分的大气相干长度与极板温差有较为严格的对数线性变化关系。使用采集到的光斑质心及光强时间序列，分析了模拟舱内湍流变化的频率特性，证实了模拟舱内湍流谱的变化趋势与室外真实大气中的情况相似。使用风扇驱动后，湍流场的截止频率会显著增加，进而满足高频测试的需求。发现对流式或热风式机理产生的湍流，其到达角起伏谱高频段幂律分别在-11/3 与-8/3 周围波动，漂移谱也有相同的变化规律。该测量系统可以满足1 kHz以内的湍流测试需求，可作为一种为模拟舱内湍流进行测试、建模、标定及特性分析的可靠手段来使用。

中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气光学研究中心梅海平课题组一直致力于大气湍流的光学特性及其测量方法研究。二十五年来，围绕大气光学湍流的时空结构及其对光波传输的影响问题，陆续发展了高精度光纤湍流测量技术、透明空气流场背景纹影成像探测技术、折返路径光学湍流单端激光成像探测技术等，并在内陆、高原、高空、远海等区域对大气光学湍流的时空结构特性进行了持续探究。同时，面向湍流基础科学问题，深入发展光学湍流场的数学物理模拟仿真技术，陆续研制了技术先进的高空大气湍流模拟舱和大口径湍流模拟舱；面向湍流相关工程应用，开发了三维主被动光学成像大气校正软件、星地链路激光大气传输计算软件和折返路径激光传输仿真软件。课题组将继续努力，为发现湍流规律、解决湍流中的相关激光光电工程应用问题提供先进的解决方案。