大气光学湍流廓线的测量拟合装置及方法与流程

1.本发明涉及星地激光通信领域，主要涉及一种大气光学湍流廓线的测量拟合装置及方法。


背景技术：

2.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。作为星地激光通信链路不可回避的部分，覆盖在地球外表面的大气层的光学湍流引起的光强闪烁会造成接收功率的抖动和激光通信误码率恶化，降低跟踪精度和光纤耦合效率，对激光信号的传输和通信造成影响，成为制约高速星地激光通信发展与应用的技术瓶颈，因此，需对大气光学湍流进行监测。
3.当前，大气光学湍流廓线的获取主要依赖于探空气球实现，由探空气球搭载气象检测仪器进行大气湍流廓线的拟合。该方法存在如下问题：探空气球飞行速度缓慢且不可控，无法保证不同高度的大气湍流数据的时间一致性；探空气球易受风力影响，无法保证测量轨迹为竖直方向；探空气球的放飞频率受限，无法保证获取数据的全面性。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明提供一种大气光学湍流廓线的测量拟合方法及装置，用于至少部分解决上述技术问题。
6.(二)技术方案
7.本发明第一方面提供一种大气光学湍流廓线的测量拟合装置，包括：无人机，用于采集气象数据和温度数据；测量模块，用于根据气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线；数据管理模块，用于对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储；计算模块，用于计算实时大气光学湍流廓线，计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。
8.可选地，无人机包括：第一采集单元，用于采集气象数据；第二采集单元，用于采集温度数据；所述温度数据为固定距离两端点的温度；在无人机作匀速垂直上升和下降运动的过程中，第一采集模块和第二采集模块实时采集气象数据和温度数据。
9.可选地，第二采集单元由支撑杆、钨丝传感器以及电路板组成，其中，钨丝传感器位于支撑杆的两端；第二采集单元基于电路板中电压的变化确定支撑杆两端的温度。
10.可选地，测量模块包括：第一测量单元，用于根据温度数据，实时测量温度结构常数；第二测量单元，用于根据温度结构常数和气象数据，实时测量大气光学湍流廓线。
11.可选地，第一测量单元中温度结构常数的计算公式为：
[0012][0013]
其中，是温度结构常数，t是温度，和是位置向量，dt是温度结构函数，r是位置向量的大小，《＞是均值运算符。
[0014]
可选地，第二测量单元中大气光学湍流廓线的计算公式为：
[0015][0016]
其中，是大气光学湍流廓线，t是温度，p是压强，h是高度，是温度结构常数。
[0017]
可选地，计算模块包括：第一计算模块，用于计算大气光学湍流平均廓线；修正模块，用于通过修正系数对当前温度结构常数进行修正；第二计算模块，用于通过修正后的温度结构常数以及气象数据计算实时大气湍流廓线。
[0018]
可选地，修正模块对当前温度结构常数进行修正的计算公式为：
[0019][0020]
其中，是修正后的温度结构常数，是温度结构常数均值，k(h)是修正系数，χ是位温梯度，《χ》m是位温梯度均值，s是风速剪切，《s》m是风速剪切均值。
[0021]
可选地，修正模块的修正系数k(h)由当前大气光学湍流廓线与大气光学湍流平均廓线的比值得出。
[0022]
本发明第二方面提供一种大气光学湍流廓线的测量拟合方法，包括：采集气象数据和温度数据；根据气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线；对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储；计算实时大气光学湍流廓线；计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。
[0023]
(三)有益效果
[0024]
本发明提供的大气光学湍流廓线的测量拟合方法及装置至少包括以下有益效果：
[0025]
本发明技术方案利用无人机实现大气光学湍流的精确采集，通过控制无人机匀速垂直飞行，实现对垂直方向的气象数据的精确采集。且无人机飞行速度较快，可以保证不同高度的大气湍流数据的时间一致性。无人机具有较强的环境适应能力，可在不同季节不同时段放飞，保证采集数据的全面性。无人机上搭载的采集模块具有较高的精度和采集频率，能够有效提高大气光学湍流的测量精度；
[0026]
本发明技术方案通过以往采集的气象数据以及大气光学湍流廓线，对实时大气光学湍流廓线进行修正，修正后的大气光学湍流廓线具有更高的精度，减小当前气象数据对实时大气光学湍流廓线精确度的影响。
附图说明
[0027]
图1示意性示出了本发明实施例中大气光学湍流廓线的测量拟合装置的框图；
[0028]
图2示意性示出了本发明实施例中无人机的框图；
[0029]
图3示意性示出了本发明实施例中第二采集单元的结构图；
[0030]
图4示意性示出了本发明实施例中测量模块的框图；
[0031]
图5示意性示出了本发明实施例中计算模块的框图；
[0032]
图6示意性示出了本发明实施例提供的大气光学湍流廓线的测量拟合方法的流程图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0035]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0037]
贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
[0038]
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0039]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0040]
本发明提供了一种大气光学湍流廓线的测量拟合装置，其特征在于，包括：无人机，用于采集气象数据和温度数据；测量模块，用于根据气象数据和温度数据，测量大气光
学湍流廓线；其中，大气光学湍流廓线的数量为两个及以上；数据管理模块，用于对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储；计算模块，用于计算实时大气光学湍流廓线，计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。
[0041]
下面结合具体实施例并参照附图对本发明进一步详细说明。
[0042]
图1示意性示出了本发明实施例中大气光学湍流廓线的测量拟合装置的框图。
[0043]
如图1所示，该大气光学湍流廓线的测量拟合装置100包括无人机110、测量模块120、数据管理模块130以及计算模块140。
[0044]
无人机110，用于采集气象数据和温度数据。
[0045]
测量模块120，用于根据气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线。
[0046]
数据管理模块130，用于对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储。
[0047]
计算模块140，用于计算实时大气光学湍流廓线，计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。
[0048]
图2示意性示出了本发明实施例中无人机的框图。
[0049]
如图2所示，无人机110包括：第一采集单元111以及第二采集单元112。
[0050]
第一采集单元111，用于采集气象数据。
[0051]
第二采集单元112，用于采集温度数据；温度数据为固定距离两端点的温度。
[0052]
在本发明实施例中，第一采集单元和第二采集单元通过与无人机飞行器匹配的工装搭载于无人机上。其中，使用的工装具有良好的刚性，不易因受到外力而变形。工装的一端固定在无人机上，第一采集单元于第二采集单元固定于工装的另一端，其中，工装两端的距离应大于2m，以避免无人机旋翼造成的空气搅动对第、第二采集单元采集到的数据的准确性造成影响。
[0053]
当无人机作匀速垂直上升和下降运动过程中，第一采集模块和第二采集模块实时采集气象数据和温度数据。通过控制无人机的飞行速度以及飞行方向，使得无人机沿垂直方向匀速上升至指定高度。实现不同高度的气象数据以及温度数据的测量，且由于无人机飞行速度较快，采集到的数据具有较好的时间一致性。
[0054]
图3示意性示出了本发明实施例中第二采集单元的结构图。
[0055]
如图3所示，第二采集单元112包括：支撑杆1121、传感器1122以及电路板1123。
[0056]
其中，传感器装配于支撑杆两端，电路板装配于支撑杆的中间位置。第二采集单元基于电路板中电压的变化确定支撑杆两端的温度。
[0057]
本发明实施例中的传感器为钨丝传感器，其中，钨丝可以为8μm的抛光合金白钨丝。该钨丝具有较好的反光性和柔韧性，对太阳辐射的吸收较少，可以有效避免由于太阳辐射入射传感器角度不同而造成的测量误差，降低了太阳辐射影响和空中断丝风险，有效提高测量数据的精度。且由于高空中温度较低，例如，在高空30km时气温可能会低至-60℃～-70℃。因此，为了满足无人机高空数据采集需求，本发明实施例在对电路板进行包装时，采用了具有较好保温、防水以及电磁屏蔽性能的材料，使得电路板始终处于-45℃以上的温度环境，保证电路板的正常工作，以满足极端恶劣天气情况下的数据采集需求。
[0058]
无人机具有更好的环境适应能力，放飞成本低飞行速度快，可以有效提高大气光学湍流的测量频次，可以得到更加精细化的大气光学湍流廓线。
[0059]
图4示意性示出了本发明实施例中测量模块的框图。
[0060]
如图4所示，测量模块120包括第一测量单元121和第二测量单元122。
[0061]
第一测量单元121，用于根据温度数据，实时测量温度结构常数；
[0062]
第一测量单元中温度结构常数的计算公式为：
[0063][0064]
其中，是温度结构常数，t是温度，和是位置向量，dt是温度结构函数，r是位置向量的大小，《》是均值运算符。
[0065]
第二测量单元122，用于根据温度结构常数和气象数据，实时测量大气光学湍流廓线。
[0066]
第二测量单元中大气光学湍流廓线的计算公式为：
[0067][0068]
其中，是大气光学湍流廓线，t是温度，p是压强，h是高度，是温度结构常数。
[0069]
数据管理模块，用于对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储。
[0070]
在本发明实施例中，数据管理模块包括气象数据管理单元和大气光学湍流数据管理单元。
[0071]
其中，气象数据管理单元接收由无人机采集到的风速、温度、气压等基本气象数据，并将这些基本气象数据格式化为计算模块所需的数据格式，例如，将温度数据格式化为温度梯度数据，风速数据格式化为风剪切数据。并将格式化后的气象数据按照时间排序进行存储，便于后续调用。
[0072]
大气光学湍流数据管理单元将测量到的大气光学湍流廓线数据格式化为具有统一量纲的大气光学湍流廓线数据。其中大气光学湍流廓线数据可以包括基于无人机采集数据测量出的大气光学湍流廓线数据以及基于地基支撑平台采集数据测量出的大气光学湍流廓线数据。其中，基于无人机采集数据测量出的大气光学湍流廓线数据精确度更高，优先保存该测量方法得出的大气光学湍流廓线，只有在无法使用无人机采集数据的情况下，才使用地基支撑平台采集数据并测量大气光学湍流廓线。格式化后的大气光学湍流廓线数据按照时间排序并存储于大气光学湍流数据管理单元，便于后续调用。
[0073]
图5示意性示出了本发明实施例中计算模块的框图。
[0074]
如图5所示，计算模块140包括第一计算单元141、修正模块142和第二计算单元143。
[0075]
第一计算单元141，用于计算大气光学湍流平均廓线；
[0076]
修正单元142，用于通过修正系数对当前温度结构常数进行修正；
[0077]
第二计算单元143，用于通过修正后的温度结构常数以及气象数据计算实时大气湍流廓线。其中，第一计算单元基于无人机采集数据测量出的大气光学湍流廓线数据拟合不同季节、不同时段的大气光学湍流平均廓线。
[0078]
大气光学湍流平均廓线的计算公式为：
[0079][0080]
其中，为大气光学湍流平均廓线，k为同一季节、同一时刻的大气湍流廓线数量，为大气光学湍流廓线。
[0081]
修正单元通过修正系数对当前温度结构常数进行修正。其中，修正系数的计算公式：
[0082][0083]
其中，为当前大气光学湍流廓线，为大气光学湍流平均廓线。需要明确的是，是与当前大气光学湍流廓线季节一致、时刻一致的大气光学湍流平均廓线。
[0084]
基于该修正系数，进行温度结构常数修正，其中，修正后的温度结构常数计算公式为：
[0085][0086]
其中，为修正后的温度结构常数，为温度结构常数均值，k(h)为修正系数，χ为位温梯度，《χ》m为位温梯度均值，s为风速剪切，《s》m为风速剪切均值。
[0087]
第二计算单元基于修正后的温度结构常数以及气象数据计算实时大气光学湍流廓线。
[0088]
实时大气光学湍流廓线的计算公式为：
[0089][0090]
其中，为实时大气光学湍流廓线，p为压强，t为温度，是修正后的温度结构常数。
[0091]
在地面测量的气象数据存在精确度低的问题，进而影响实时大气光学湍流廓线的精确度。本发明实施例利用之前采集的精度较高的大气光学湍流廓线计算修正系数，基于修正系数对温度结构常数进行修正，进而通过修正后的温度结构常数提高实时大气光学湍流廓线的精度。
[0092]
在本发明实施例中，技术人员选择每小时放飞一次无人机，使无人机匀速垂直上升至指定高度。其中，指定高度通常为1km，上升速度通常为1m/s。在无人机上升和下降的过程中，无人机上的第一采集单元和第二采集单元实时采集相关数据。测量模块基于实时采集到的相关数据，实时测量大气光学湍流，基于实时测量的大气光学湍流数据拟合大气光学湍流廓线。将采集到的相关数据与大气光学湍流格式化存储于数据管理模块。其中，上述过程重复数天。计算模块基于每一时段的数据拟合大气光学湍流平均廓线，通过将当前采
集的大气光学湍流廓线与存储的同一时段的大气光学湍流平均廓线比较后得到修正系数，利用修正系数和当前采集的气象数据计算实时大气光学湍流廓线。
[0093]
在本发明实施例中，该测量拟合装置中的计算模块还可以包括分析模型，该分析模型包含修正系数。技术人员可以通过不同季节、不同时刻的大气光学湍流平均廓线，优化分析模型中的修正系数，进而利用修正系数优化实时大气光学湍流廓线，有效提高实时大气光学湍流廓线的精度。
[0094]
本发明装置可以有效保证实时大气光学湍流廓线的精度，减少实时采集数据的精确度对实时大气光学湍流廓线的影响。在较为恶劣的气象数据采集环境下，依旧可以获得高精度的实时大气光学湍流廓线。通过实时精确估计星地激光通信地面站的大气光学湍流强度，为站内光学系统的配置优化和任务安排提供了支撑。
[0095]
图6示意性示出了本发明实施例提供的大气光学湍流廓线的测量拟合方法的流程图。
[0096]
如图6所示，该测量拟合方法例如可以包括操作s610～操作s640。
[0097]
操作s610，采集气象数据和温度数据。
[0098]
操作s620，根据气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线。
[0099]
操作s630，对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储。
[0100]
操作s640，计算实时大气光学湍流廓线；计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。
[0101]
以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大气光学湍流廓线的测量拟合装置，其特征在于，包括：无人机，用于采集气象数据和温度数据；测量模块，用于根据所述气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线；数据管理模块，用于对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储；计算模块，用于计算实时大气光学湍流廓线，所述计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。2.根据权利要求1所述的测量拟合装置，其特征在于，所述无人机包括：第一采集单元，用于采集气象数据；第二采集单元，用于采集温度数据；所述温度数据为固定距离两端点的温度；在无人机作匀速垂直上升和下降运动的过程中，所述第一采集模块和所述第二采集模块实时采集气象数据和温度数据。3.根据权利要求2所述的测量拟合装置，其特征在于，所述第二采集单元由支撑杆、钨丝传感器以及电路板组成，其中，钨丝传感器位于支撑杆的两端；所述第二采集单元基于电路板中电压的变化确定支撑杆两端的温度。4.根据权利要求1所述的测量拟合装置，其特征在于，所述测量模块包括：第一测量单元，用于根据所述温度数据，实时测量温度结构常数；第二测量单元，用于根据所述温度结构常数和气象数据，实时测量大气光学湍流廓线。5.根据权利要求4所述的测量拟合装置，其特征在于，所述第一测量单元中温度结构常数的计算公式为：其中，是温度结构常数，t是温度，和是位置向量，d
t
是温度结构函数，r是位置向量的大小，<>是均值运算符。6.根据权利要求4所述的测量拟合装置，其特征在于，所述第二测量单元中大气光学湍流廓线的计算公式为：其中，是大气光学湍流廓线，t是温度，p是压强，h是高度，是温度结构常数。7.根据权利要求1所述的测量拟合装置，其特征在于，所述计算模块包括：第一计算模块，用于计算大气光学湍流平均廓线；修正模块，用于通过修正系数对当前温度结构常数进行修正；第二计算模块，用于通过修正后的温度结构常数以及气象数据计算实时大气湍流廓线。8.根据权利要求7所述的测量拟合装置，其特征在于，所述修正模块对当前温度结构常数进行修正的计算公式为：
其中，是修正后的温度结构常数，是温度结构常数均值，k(h)是修正系数，χ是位温梯度，<χ>
m
是位温梯度均值，s是风速剪切，<s>
m
是风速剪切均值。9.根据权利要求8所述的测量拟合装置，其特征在于，所述修正模块的修正系数k(h)由当前大气光学湍流廓线与大气光学湍流平均廓线的比值得出。10.一种大气光学湍流廓线的测量拟合方法，其特征在于，包括：采集气象数据和温度数据；根据所述气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线；对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储；计算实时大气光学湍流廓线，所述计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。

技术总结
本发明提供一种大气光学湍流廓线的测量拟合装置及方法，其中，装置包括：无人机，用于采集气象数据和温度数据；测量模块，用于根据气象数据和温度数据，测量大气光学湍流廓线；数据管理模块，用于对气象数据和大气光学湍流廓线进行格式化存储；计算模块，用于计算实时大气光学湍流廓线，计算实时大气湍流廓线包括：基于气象数据以及大气光学湍流廓线对实时大气光学湍流廓线进行修正。大气光学湍流廓线进行修正。大气光学湍流廓线进行修正。


技术研发人员：李亚林 王红帅 张洪群 石璐 李安 韦宏卫 殷慈 黄艳
受保护的技术使用者：北京开阳空间科技有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/10/15