技术领域
[0001] 本
发明属于自适应光学技术领域，涉及自适应光学技术领域的导星系统，更具体的涉及一种全新结构的激光钠导星系统。
背景技术
[0002] 自适应光学技术是为解决大气
湍流扰动问题而产生和发展的一
门技术，该技术能实时克服光学系统各种动静态误差因素影响、保持光学系统始终工作在良好状态的能
力，在激光自由通信、
光学望远镜高
分辨率成像、航天及军事等领域得到了广泛的应用。拥有一颗明亮的导引星是自适应光学系统工作的
基础，而自然星体
亮度较暗、空间
覆盖率较低限制了自适应校正技术在自然条件下的应用。为了克服这些限制因素，人造激光导引星技术应运而生。目前，激光导星主要包括利用低层大气的分子瑞利散射产生的瑞利导星(10-20km高度)和利用高层大气中钠
原子的共振
荧光产生的钠导星(90-95km高度)。
[0003] 瑞利导星依赖于大气中氮或
氧的后向瑞利散射，其优点是所需
激光器比较容易实现，缺点是严重的聚焦非等晕性，即瑞利导星高度的局限性使瑞利后向散射波明显不同于大气顶部理想参考源产生的波。早期的激光导引星以瑞利导星为主，但由于瑞利导星的固有
缺陷以及伴随着激光技术的发展，钠导星已逐渐占据主导地位。
[0004] 现有激光钠导星系统结构如
附图1所示，主要包括激
光源1、光学发射单元2、光学接收单元3、
信号处理单元4和系统控
制模块5，通过激光源1在地表发射一束589nm(对应钠D2线)的激光，照射高度处于90-95km处的钠层，并引起钠原子共振，产生后向的荧光，获得钠导星，并由地面的
信号处理单元4接收回波信号，整个光学系统的运行由系统
控制模块5控制。与瑞利导星相比，激光钠导星的聚焦非等晕性更小，而且可以探测大气全部范围内的湍流效应。虽然在聚焦非等晕性及探测范围上要好于瑞利导星，但是传统的激光钠导星仍然存在以下缺陷：首先，激光源1发出的
激光束在上行传输的过程中会受到大气湍流的影响而导致光斑被扩散，钠导星的体积增加，从而在一定的子孔径分辨率条件下，激光钠导星体积的增加将影响自适应系统的校正效果；其次，激光光束在上行传输过程中，由于大气湍流扰动的影响而会发生漂移，导致钠导星的
位置不固定，增加了系统误差；此外，由于589nm激光器在工程制造上难以实现高功率，同时地球近地面大气及
气溶胶对589nm激光的消光影响较为严重，使得
现有技术中的这种激光钠导星系统整体的钠导星亮度较低，这些缺陷对激光钠导星系统在自适应光学技术领域中的应用造成一定影响。
发明内容
[0005] 本发明基于上述现有技术问题，提出基于临近空间
飞行器平台的一种新型的激光钠导星系统，在现有激光源功率的基础上大大提高了激光钠导星的亮度，同时有效避免了大气湍流对光束传输的影响，获得的激光钠导星位置
稳定性更强且误差较小，并能提升自适应系统的校正效果和工作性能，具有广阔的市场推广价值。
[0006] 本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
[0007] 一种激光钠导星系统，包括激光发射模块、信号接收模块和系统控制模块5，还包括有临近空间飞行器平台6，所述临近空间飞行器平台6设置于离地高度20km以上、高层大气中钠层以下的
空域，所述激光发射模块设置于所述临近空间飞行器平台6上，所述激光发射模块发射的激光照射高层大气中的钠层后形成钠导星，然后被所述信号接收模块接收。
[0008] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述临近空间飞行器平台6设置于离地高度在30-60km的空域，并采用
平流层飞艇、浮空气球或高空长航无人机之一。
[0009] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述激光发射模块发射589nm附近的激光束。
[0010] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述激光发射模块包括激光源1和光学发射单元2，所述信号接收模块包括光学接收单元3和信号处理单元4，所述激光源
1固定于所述临近空间飞行器平台6上，所述光学发射单元2设置于所述激光源1上，用以对其发射的激光束进行光学调整，所述光学接收单元3设置于地面上，用于接收回波信号，所述信号处理单元4连接于所述光学接收单元3，用于对光学接收单元3接收的回波信号进行处理。
[0011] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述光学发射单元2采用直径在0.15-0.2m的发射望远镜，所述光学接收单元3采用直径在0.28-0.32m的接收望远镜，所述激光源1采用
波长为589nm、功率在10W左右的连续激光光源。
[0012] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述系统控制模块5连接于所述信号接收模块，同时所述系统控制模块与所述激光发射模块之间采用无线方式进行通讯连接。
[0013] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述激光钠导星系统所产生的钠导星的直径满足如下关系：
[0014]
[0015] 式中λ为激光波长，Hu为激光上行传输距离，r0为大气相干长度并满足关系： β为表征光束
质量的衍射极限倍数，D0为激光发射模块的出光直径， 为大气折射率结构常数垂直分布。
[0016] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述钠导星的直径为0.4m以下，优选的为0.36m。
[0017] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述信号接收模块所接收的
光子数为 λ为激光波长，Tu为激光上行传输透过率，Td为光束下行传输透过率，CS为钠丰度，σt为钠原子后向散射截面积，Hd为光束下行传输距离，P为激光功率，h为普朗克常数，c为光速。
[0018] 进一步的根据本发明所述的激光钠导星系统，其中所述信号接收模块所接收的光2 2
子数在800个/cm/s以上，优选的为828个/cm/s。
[0019] 通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
[0020] 1)、本发明基于临近空间飞行器平台的钠导星系统消除了近地面大气湍流扰动对激光源发出的589nm激光束上行传输过程的影响，并消除了近地面大气对589nm激光的消光作用，从而在现有激光源功率的基础上大大提高了激光钠导星的亮度，同时使得钠导星的体积更小且位置固定、误差甚小，大大提升了激光钠导星的性能，促进了自适应光学技术的发展；
[0021] 2)、本发明所述激光钠导星系统能够很好的应用于自适应光学技术领域，提升了自适应光学系统的校正效果和工作性能，具有很强的市场推广实用价值，在天文观测、激光自由通信、激光定向能武器、航天等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
[0022] 附图1为现有技术中的激光钠导星系统结构示意图；
[0023] 附图2为本发明所述的全新结构的激光钠导星系统结构示意图；
[0024] 附图3为激光上行传输透过率分布示意图；
[0025] 附图4(a)为传统激光钠导星系统中激光发射模块出光口处的大气湍流
相位屏分布模拟图；
[0026] 附图4(b)为本发明所述激光钠导星系统中激光发射模块出光口处的大气湍流相位屏分布模拟图；
[0027] 附图5(a)为基于传统激光钠导星系统得到的钠导星相对光强分布图；
[0028] 附图5(b)为基于本发明所述激光钠导星系统得到的钠导星相对光强分布图；
[0029] 图中各附图标记的含义如下：
[0030] 1-激光源、2-光学发射单元、3-光学接收单元、4-信号处理单元、5-系统控制模块、6-临近空间飞行器平台。
具体实施方式
[0031] 以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的方案，但并不因此限制本发明的保护范围。
[0032] 本发明所述激光钠导星系统创新地引入了临近空间飞行器平台，具体结构布局如附图2所示的，主要包括激光源1、光学发射单元2、光学接收单元3、信号处理单元4、系统控制模块5和临近空间飞行器平台6，所述激光源1和光学发射单元2组成激光发射模块，所述光学接收单元3和信号处理单元4组成信号接收模块，所述系统控制模块5与所述激光发射模块和信号接收模块连接，这种连接方式可基于有线和无线两种方式，与传统激光钠导星光学系统不同的是，本发明创新的引入了临近空间飞行器平台6，并将激光发射模块放置于临近空间飞行器平台6上，具体的将激光源1和光学发射单元2均放置在所述临近空间飞行器平台6上，且所述临近空间飞行器平台6位于大气湍流层上方，即设置于离地面高度20km以上的空间，优选的处于距地面20-90km的空域，更优选的处于距地面30-90km、30-60km的空域，所述激光源1固定于临近空间飞行器平台6上，且所述光学发射单元2设置于激光源1上方用以对其发射的激光束进行光学调整，所述信号接收模块设置于地面，即所述光学接收单元3设置于地面上，用于接收回波信号，所述信号处理单元4连接于所述光学接收单元3，用于对光学接收单元3接收的回波信号进行处理。所述系统控制模块连接于所述信号接收模块，同时所述系统控制模块与所述激光发射模块之间基于无线方式通讯，从而所述系统控制模块能够以无线通讯方式控制所述激光发射模块的工作。本发明所述激光钠导星在工作时，首先系统控制模块向激光发射模块发出启动
控制信号，然后激光发射模块中的激光源1从临近空间飞行器平台6上向高度大约处于离地90km高层大气中的钠层发射589nm的激光束，发射的对应钠D2线的589nm的激光束在照射到高度处于
90-95km处的钠 层后，引起钠原子共振，产生钠导星，然后由地面的信号接收模块接收，整个系统的运行由系统控制模块控制。由于本发明创新的将激光发射模块设置于离地高度在
20km以上的临近空间飞行器平台6上，从而激光发射模块发出的激光束在向上传输的过程中不会受到20km以下近地面稠密大气层的大气湍流及大气消光的影响，从而入射至钠层的激光强度更大，获得的激光钠导星亮度更高且其位置稳定性更好，解决了现有技术中的问题。
[0033] 本发明创新引入的临近空间飞行器平台6是指只在或能够在临近空间(距地20-90km的空域)作长期、持续飞行的飞行器，优选的所述临近空间飞行器平台6包括平流层飞艇、浮空气球或高空长航无人机，这些飞行器都属于低动态飞行器，
马赫数均小于1.0，具有悬空时间长、
载荷能力大、生存能力强等特点，可作为本发明所述的临近空间飞行器平台使用，优选的处于30km高度。本发明将临近空间飞行器平台作为用于产生钠导星的
589nm激光的发射平台，消除了近地面(20km以下)大气湍流对激光束上行传输的影响以及近地面大气对589nm激光的消光吸收，从而使得本发明所述系统提供的钠导星亮度更高、体积更小、位置稳定性更强。应用于本发明中光学发射单元2和光学接收单元3优选的采用光学望远镜系统，所述光学发射单元2优选采用直径在0.15-0.2m的发射望远镜，所述光学接收单元3优选采用直径在0.28-0.32m的接收望远镜。所述激光源1优选采用波长为
589nm、功率在10W左右的连续激光光源。
[0035] 以下给出实现本发明所述方案的优选实施例，并通过理论计算模型给出通过本发明所述系统具体实现的钠导星性能，更加突出本发明的技术创新效果。
[0036] 采用波长589nm、功率10W的激光源1，放置于离地30km高度处的平流层飞艇上，激光源1输出端设置出口直径为0.18m的发射望远镜，通过发射望远镜向钠层发射589nm激光光束，回波信号由放置在地面的直径为0.3m的接收望远镜聚焦输出给信号处理单元。
[0037] 由Huygens-Fresnel原理，激光光束在90km附近的钠层的光场分布为：
[0038]
[0039] 式中λ为激光波长，k＝2π/λ为
波数，Tu为激光上行传输透过率，Hu为上行传输距离，U0(ε，η)为发射望远镜出口出的光强分布，φ(ε，η)为发射器出口湍流相位屏。
[0040] 被钠层共振形成的钠导星的直径为：
[0041] 其中 式中r0为大气相干长度，β为表征光束质量的衍射极限倍数，D0为发射望远镜的出口直径， 为大气折射率结构常数垂直分布。
[0042] 地面接收光子数为 式中Td为光束下行传输透过率，Cs为钠丰度，σt为钠原子后向散射截面积，Hd为下行传输距离，P为激光功率，h为普朗克常数，c为光速。
[0043] 上述各公式中的初始参数设置如下：光源为波长589nm、功率10W的连续激光光13 -2
源，β＝1.5，激光发射望远镜出口直径D0＝0.18m，钠丰度CS＝5×10 m ，钠原子后向散-16 2
射截面积σt＝8.8×10 m，钠层高度为90km，临近空间飞行器高度为30km，大气条件为能见度23km的乡村大气环境，采用H-V5/7湍流模型，大气折射率结构常数垂直分布为：
[0044]
[0045] V(h)＝5+30exp{-[h-9400)/4800]2} (6)，式中h为高度，V(h)为
风速的垂直分布，地表折射率结构常数C0＝4.0×10-14m-2/3。
[0046] 基于上述初始参数和计算公式，做以下分析：
[0047] 首先计算了激光上行传输过程的透过率，透过率曲线如图3所示。结果表明，由于大气消光作用，激光光束在上行传输过程中功率逐渐降低，其中，0-30km高度大气对激光光束功率的削弱作用最强，而30km高度以上大气稀薄，对光束功率的削弱作用几乎可以忽略。对于 传统钠导星，589nm激光光束从地面上行传输至90km高度处，透过率仅为64.7％。而基于本发明的临近空间飞行器平台的钠导星，589nm的激光光束从30km处的临近空间飞行器上发射，避免了0-30km高度大气对光束功率的削弱，透过率可达99.8％，本发明也是据此优选的将临近空间飞行器平台设置于离地30km的高度。
[0048] 然后利用随机相位屏来模拟大气湍流的随机扰动，并采用
功率谱反演
算法产生大气湍流相位屏，结果如图4所示。结果表明，基于本发明所示临近空间飞行器平台的激光钠导星光学系统受到的大气湍流扰动的影响要远小于传统钠导星光学系统。
[0049] 最后通过上述公式计算，得到了90km高度上钠导星的相对光强分布如图5所示。结果表明，基于本发明所示临近空间飞行器平台获得的钠导星直径仅为0.36m，远小于传统钠导星的3.03m，而且光强分布更加集中。同时利用公式(4)，计算了本发明基于临近空间飞行器平台的激光钠导星系统中，信号接收模块的地面接收光子数为828个/cm2/s，远高于相同条件下传统钠导星的536个/cm2/s，从而本发明所示基于临近空间飞行器平台的激光钠导星亮度更高。
[0050] 因此通过上述实施例可以看到本发明所述基于临近空间飞行器平台的激光钠导星系统消除了近地面大气湍流扰动对589nm激光上行传输过程的影响，钠导星体积更小且位置固定，同时本发明所述基于临近空间飞行器平台的激光钠导星系统消除了近地面大气对589nm激光的消光作用，钠导星亮度更高，满足了自适应光学系统的发展需求。
[0051] 以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知
变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以
权利要求书的记载为准。
