一種基於多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法
2023-09-19 17:52:45 2
專利名稱：一種基於多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法
技術領域：
本發明涉及一種大氣等暈角測量方法，特別是一種適用於具有不同尺寸的圓形和方形子孔徑的多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法。
背景技術：
大氣湍流是一種非均勻的隨機介質,光在湍流大氣中傳輸,受大氣折射率起伏變化的影響，光波的相位和振幅同時發生隨機起伏，從而產生波前畸變，引起光強閃爍、質心漂移以及光斑破碎等一系列的湍流效應。等暈角是表徵大氣湍流的特徵參數之一，它描述在某一圓錐區域內大氣湍流相關的最大角度，即在等暈角範圍內大氣路徑上湍流造成的畸變基本相同，反映了通過大氣到達觀測點的光波波前的角度相關性。
G. C. Loos 和 C. B. Hogge 在 1979 年出版的 APPLIED OPTICS 第 18 卷第 2654-2661頁的論文「大氣瑞流和等暈角 」(G. C. Loos and C. B. Hogge, 「Turbulence of the upperatmosphere and isoplanatism」，AppI. Opt, Vol. 18, 2654-2661,1979)中給出了星光閃爍的強度和等暈角之間具有反向相關性，並通過推導得出當採用直徑為O. Ilm圓形接收孔徑時星光閃爍方差與等暈角具有相同的高度權重函數，可通過湍流大氣中光閃爍效應測量方法，即星光閃爍法測量等暈角。此時的直徑O. Ilm圓形孔徑也被稱為星光閃爍法的等暈角測量孔徑(isoplanometer)。F. D. Eaton 和 W. A. Peterson 等在 1985 年出版的 APP LIED OPTICS 卷 24 第3264-3273頁的論文「等暈角直接測量及相關的大氣條件」(F. D. Eaton and ff. A. Peterson,^Isoplanatic angle direct measu rements and associated atmosphericconditions」，AppI. Opt, Vol. 24，3264-3273，1985)中推導出在等暈角測量孔徑下，波長為O. 5μπι時，直接由星光信號閃爍方差計算等暈角的公式為θ = PC [丨og( ] + σ； / 2)]~'V5(I}式中，A2為星光信號方差，〈S〉為星光信號的平均值，PC為常數，通過實驗數據擬合出 PC=O. 9676。由於星光閃爍法方法簡便，可實現性強，目前成為工程中測量等暈角所廣泛採用的方法。例如中國科學院安徽光機所研製的等暈角測量儀，可參考1994年5月發表在《強雷射與粒子束》的一篇論文，題為《大氣相干長度與等暈角的測量》，楊高潮著。但是上述星光閃爍法測量等暈角要求在等暈角測量孔徑下進行，即僅適用於O. Ilm的圓形接收口徑光學系統，如果不能滿足測量要求，由於孔徑的平滑作用，測量得到的等暈角會有很大誤差。因此在採用大口徑望遠鏡測量時通常需要在前端安裝直徑為O. Ilm的圓孔形擋板。自適應光學系統主要用來克服大氣湍流對光波傳播造成的影響，因此與大氣湍流密切相關。由於大氣湍流隨時隨處不同，所以在自適應光學系統視場角範圍內實現同光路共光軸測量大氣等暈角能更好地反映系統的校正性能和工作狀況。目前哈特曼波前探測器被廣泛應用於自適應光學系統之中。這是一種多子孔徑成像探測器，通常由微透鏡陣列和CCD光電傳感器組成。微透鏡陣列對接收孔徑進行分割採樣，每個子透鏡作為一個子孔徑，將光束聚焦成一個光斑陣列，由CCD探測器探測到各個子孔徑內的光強變化數據。這樣每個探測子孔徑以及相應的CCD子區域就構成了一個有限接收孔徑的強度探測系統。在採用哈特曼波前傳感器時，大多數情況下波前傳感器探測子孔徑為方形，而不是圓形。且由於光學系統不同，採用的接收口徑和子孔徑數目和布局不同，子孔徑的尺寸也不同，通常不能滿足等暈角測量孔徑的要求。因此，在類似哈特曼波前傳感器的多子孔徑成像探測器中無法直接採用傳統的星光閃爍法測量等暈角。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種多子孔徑成像探測器測量大氣等暈角的方法，適用於具有不同尺寸的圓形或方形的測量孔徑的情形，且簡單，易實現，能直接應用於以多子孔徑成像系統作為探測器的光學系統，減小了其測量誤差。 本發明技術解決方案一種多子孔徑成像探測器測量大氣等暈角的方法，其特點在於基於方形孔徑的大氣等暈角星光閃爍測量方法，以及圓形和方形孔徑在不同孔徑尺寸下等暈角的計算修正因子，使湍流大氣中光閃爍效應測量等暈角方法能適用於具有不同尺寸的圓形和方形子孔徑的多子孔徑成像探測器，實現步驟如下(I)根據多子孔徑成像探測器子孔徑布局確定測量孔徑形狀及尺寸。子孔徑在全孔徑上可以規則排布，也可以任意排布，也可以方形和圓形同時排布。測量孔徑可以採用單個子孔徑或多個子孔徑組合；(2)若為直徑D的圓形測量孔徑，常數PC=O. 9676，並由公式y =-4D3+14. 6D2+7. 3D+0. I(I)求出孔徑尺寸等暈角修正因子Y ；(3)若為邊長A的方形測量孔徑，常數PC=O. 4，並由公式y=-0. 12A3+11A2+11. 2A-0. I(2)求出孔徑尺寸等暈角修正因子Y ；(4)探測器可以是(XD、CMOS等面成像器件，對多子孔徑同時測量，也可以用PMT、PSD、ro等單元探測器件，對多個子孔徑分別測量。假設採用CCD或其它類似光電測量器件對多子孔徑內聚焦的光成像測量，統計測量孔徑對應CCD子區域內對應的像素灰度值之和的起伏方差
Iframeσ] = --[ (S - f(3)
framex 1
^ j 一1其中frame為統計時間內的CXD總幀數，Sj為第j幀圖像的對應CXD子區域內像素的光強灰度值之和，〈S〉為統計時間內的對應CCD子區域內像素的平均光強值；(5)計算等暈角，帶入步驟(2)或(3)所確定的PC和Y值θ0 = PC[log( I + σ' 2 )Γ 5 j-(4)(6)對探測器上多個測量孔徑重複步驟(1)-(5)，在一個統計時間內得到多個θ 0,進行估計平均，得到此統計時間上的大氣等暈角測量值。對子孔徑在全孔徑上的排布方式沒有限制，子孔徑可以規則排布，也可以任意排布，也可以方形和圓形同時排布。對探測器件沒有限制，探測器是(XD、CMOS等面成像器件，對多子孔徑同時測量，或採用PMT、PSD、ro等單元探測器件，對多個子孔徑分別測量。本發明的原理及依據是光波在湍流大氣中的光強起伏一般稱為閃爍，閃爍強度隨探測面積的增大而減小，這種效應一般稱為孔徑平滑作用。因此當測量孔徑的形狀及尺寸不滿足等暈角測量孔徑條件時，所測量到的星光信號的閃爍方差會由於孔徑平滑作用而改變，從而影響等暈角的測量。因此本發明的核心一是在測量孔徑形狀為方形時的等暈角星光閃爍測量方法對於有限平面波，在弱湍流條件下，內尺度'〈〈(L/k)"2時忽略湍流內尺度影響，可以使用Kolmogorov譜
權利要求
1.一種基於多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法，其特徵在於實現步驟如下 (1)根據多子孔徑成像探測器子孔徑布局確定測量孔徑形狀及尺寸，測量孔徑採用單個子孔徑或多個子孔徑組合； (2)若為直徑D的圓形測量孔徑，常數PC=O.9676，並由圓形孔徑在不同尺寸下的等暈角修正因子計算公式，求出等暈角孔徑尺寸修正因子Y ; Y=-4D3+14. 6D2+7. 3D+0. I(I) (3)若為邊長A的方形測量孔徑，常數PC=O.4，並由方形孔徑在不同尺寸下的等暈角修正因子計算公式，求出等暈角孔徑尺寸修正因子Y ;Y=-0. 12A3+11A2+11. 2A-0. I(2) (4)統計測量孔徑對應C⑶子區域內的像素灰度值之和的起伏方差
2.根據權利要求I所述的一種基於多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法，其特徵在於對子孔徑在全孔徑上的排布方式沒有限制，子孔徑可以規則排布，也可以任意排布，也可以方形和圓形同時排布。
3.根據權利要求I所述的一種基於多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法，其特徵在於對探測器件沒有限制，探測器是CCD、CMOS面成像器件，對多子孔徑同時測量，也可以採用PMT、PSD、PD單元探測器件對多個子孔徑分別測量。
全文摘要
一種基於多子孔徑成像的大氣等暈角測量方法，利用多子孔徑成像原理，結合湍流大氣中光閃爍效應測量方法，來確定大氣等暈角。引入了方形孔徑的大氣等暈角星光閃爍測量方法，以及圓形和方形孔徑在不同孔徑尺寸下的等暈角計算修正因子，使該方法能適用於具有不同尺寸的圓形和方形子孔徑的多子孔徑成像系統。本發明的方法流程簡單，易實現，能直接應用於以多子孔徑成像系統作為探測器的光學系統，例如以哈特曼作為探測器的自適應光學系統中，實現與其同光路共光軸測量，拓展了現有的光閃爍效應測量等暈角的應用範圍，減小了其測量誤差。
文檔編號G01C1/00GK102901483SQ20121039565
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者鄭文佳, 李新陽, 鮮浩, 李梅 申請人:中國科學院光電技術研究所