中国科学院安徽光学精密机械研究所梅海平课题组在《光学学报》发表“激光主动照明折返路径大气相干长度测量”一文，被选为《光学学报》空间、大气、海洋与环境光学（SAME）专题刊封面文章。
封面展示了利用激光主动照明放置在远端的合作目标反射膜，实现折返路径大气相干长度测量的原理。
封面左下角是相干长度测试仪，包括跟踪架、光学成像系统和共架激光器。从激光器发射的激光束照明复杂地形下位于远处的反射膜目标，而反射膜将光束以近原光路反射，位于发射端的成像系统接收返回光并计算出大气相干长度。
右下角表现的是激光远场光斑质心游走的路径，利用大口径望远镜系统对主动照明信标光斑进行成像，可以实现基于差分像运动和基于光束漂移的两种方法测量大气相干长度。文中结果对于在复杂地形下的长程单端光学湍流遥测和回波成像探究激光大气传输的远场光斑特性提供了一种新手段。
文章来源：张骏昕, 梅海平, 任益充, 饶瑞中. 激光主动照明折返路径大气相干长度测量[J]. 光学学报, 2023, 43(12): 1201003.
随着单端光学湍流测量研究的逐渐深入，差分像运动法(Differential Image Motion Monitor, DIMM)也扩展到了新领域——主动照明信标下的光学湍流遥测。本文归纳了折返路径大气相干长度的测量理论，构建了一套基于3M反光膜的激光主动照明信标大气相干长度测量系统，得到了激光主动照明信标与传统球面波信标条件下的大气相干长度测量结果。结果表明，主动照明3M反光膜信标的折返路径测量结果与传统信标测量结果间偏差很小。
大气光学湍流导致激光经大气传输后出现激光闪烁、光束漂移、光束扩展和到达角起伏等现象。学者们为衡量光学湍流提出了多种参数，其中Fried于1965年提出的大气相干长度r0是与波前相位结构函数相关的参量。在激光大气传输中，r0通常用于衡量路径积分的光学湍流强度。因此实时获取大气相干长度对于研究激光大气传输效应具有重要意义。
目前常用的大气相干长度测量方法(DIMM)从原理上避免了由于观测设备振动和跟踪不稳定引起的测量误差，适用于单端光学湍流遥测。近年来，研究人员证明了在激光主动照明漫反射目标、空气柱反射、角反射器反射等条件下利用DIMM探测大气湍流强度的可行性，但漫反射目标在测量距离上有限制，照明空气柱信标的稳定性受限于大气中气溶胶分子特性，角反射器目标较难实现长距离上的全光斑接收，反射介质的特性和大小限制了单端的光学湍流遥测的精度。
原理：聚焦光束从发射端到达反射目标，再从反射目标回射到接收端，主动信标光在大气湍流中往返传输了两次，故其通过楔镜在望远镜后端CCD焦面上成像的位移由两部分组成，即出射光束经大气湍流传输产生的波前倾斜造成的光束移动量和回波光束经大气湍流传输后产生的波前倾斜分别在两个接收子孔径上造成的光束移动量。
为了使回波信标的光学特性更稳定，中国科学院安徽光学精密机械研究所梅海平课题组采用大面积高反射率的微晶棱镜反射膜作为回波反射介质，构建了折返路径大气相干长度测量系统，该系统由跟踪架、光学成像系统和共架激光器构成，其测量场景如图1所示。
课题组使用同一套DIMM设备，在不同的信标间切换来测量大气相干长度r0，每种信标下的测量时间均约为5 min，通过时分复用获得折返路径r0和单程r0，在后期数据预处理中切换时刻前后1 min的光斑质心数据将被舍弃。
由于测量过程中路径上的r0是通过切换不同模式下DIMM来获取的，所以图2中当日的数据并未表现出很好的重叠性，但在r0数据变化的趋势和数值大小上，折返路径DIMM和单程DIMM展示出良好的一致性，具体表现为：两种方法获取的r0数据在时间上展示出一定的跟随性。
折返路径大气相干长度测量结果与单程测量结果的对比表明，两种方法有较好的一致性，并且测量结果能够反映出在晨昏转换时刻近地面大气湍流的强弱变化，但折返路径测量结果与传统的单程测量结果的相对偏差是否在允许的范围内，决定了折返路径测量能否成为有效的大气相干长度测量方法。
图3 折返路径DIMM和传统DIMM测量结果的比值图
图3为两种方法测量结果与同一时段5楼测量结果的比值，黄色表示4楼单程与5楼单程测量结果的比值，绿色为4楼折返路径与5楼单程测量结果的比值。从中可以看出：4楼的折返路径与5楼单程测量结果的平均比值为0.9681，4楼单程与5楼单程测量结果的平均比值为0.9931，都接近1，且与湍流强度随高度下降相对应；进一步比较位于4楼两种方法测量的均值，得到相对偏差为2.5%。
综上所述，本文基于折返路径回波到达角差分原理，构建了一套可用于远距离大气光学湍流单端遥测系统，结合光斑成像探测，验证了双程激光大气传输中回波到达角起伏的相关特性。
从本文实验结果看，在折返路径DIMM理论基础上，可以将3M反光膜视为具有一定相关长度和高度均方根特性的反射面来建模，折返路径下的光传输到达角起伏与单程光传输到达角起伏间的差异很小。进一步地，可以利用该系统中大口径望远镜和反射膜对回波光斑成像来探究激光大气传输的远场光斑能量分布，发挥折返路径成像系统在激光大气传输光斑特性研究中的单端监测优势。
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重点实验室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。二十多年来，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阵列测量技术、空气流场背景纹影成像探测技术和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，面向湍流科学问题，深入发展光学湍流场的数学物理模拟仿真技术；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、解决湍流相关光电工程应用问题提供先进的技术方案。
编辑 | 王晓琰
