四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀的製作方法
2023-06-12 17:13:16
專利名稱：四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及大氣光學領域，具體是一種進行大氣光學參數測量的測量設備。
背景技術：
大氣湍流介質對光波傳輸最本質的影響是相干性的破壞。大氣相干長度定義為光波在大氣傳輸過程中，光傳播方向上兩個不同點的光波場具有橫向相干性的最大空間間隔。在雷射大氣傳輸和自適應光學相位校正技術中，描述湍流效應的影響、評價雷射傳輸及其相位校正的效果時，廣泛採用的一個物理量即是大氣相干長度，該參量與大氣湍流強度、雷射波長和傳輸距離等因素相關，是一個非常重要的定標參量。在天文觀測中，通常也把大氣相干長度當作視寧度的度量，而其大小常被作為天文選址的重要依據之一。
在大氣光學及其應用研究中，湍流的特徵尺度起著重要的作用。特徵尺度大小直接影響著湍流譜的形式，而湍流譜又是進行湍流效益評估、大氣光學參數測量等研究的基礎。由於大尺度湍流對光波的相位起伏起主要作用，以相位補償為目的的自適應光學技術及在天文觀測的應用對大氣湍流外尺度的準確測量十分關注。研究結果表明有限的大氣外尺度對大氣湍流統計特徵的測量有很大的影響，尤其對大尺寸的望遠鏡和子孔徑更是如此。因此對大氣中湍流外尺度的變化規律進行仔細研究顯得十分必要，而在研究中尋找精確而又方便的觀測方法和儀器就顯得更為重要。
現代天文高分辨光學成像技術均涉及經過大氣傳輸後光波波前的時間相干性，如斑點成像技術中的斑點壽命，光幹涉中的條紋最大積分時間，自適應光學系統中的響應時間，這些時間的物理本質均為大氣相干時間，而光傳輸路徑上的橫向平均風速在光波傳輸中是確定相干時間的一個重要參量，因此對於傳輸光路上的橫向平均風速和風向的測量顯得非常重要，特別是在光波傳輸和天文成像應用中具有很大的意義。
目前現有的大氣相干長度儀(或稱為視寧度監視儀)結構複雜。同屬一個光軸上所有光學元器件為「一」字型排列安裝，由兩個安裝點支撐儀器。儀器的穩定性較差，會帶來不可避免的彎沉和抖動影響。由於湍流的擾動，光波經過大氣傳輸後，在接收望遠鏡焦平面處光學圖像作隨機的抖動，這就是常說的光束到達角起伏的結果。目前相干長度的測量多為採用兩孔差分運動法，通過測量同一波前上兩個點的到達角的相對起伏來得到大氣相干長度。在工程應用中，有時僅關心較短時間內的大氣湍流狀態。由於實際大氣只能滿足局地各向均勻同性，在較短的時間內才能維持平穩性，對其參數測量的統計時間尺度也是有限的，而且通常也較難以滿足各態歷經定理。另外，從聚焦光束傳輸光斑漂移的實驗中發現，光斑的抖動量在不同的方向上有明顯的差別。例如在內陸某地的實驗中發現鉛直方向的漂移量大於水平方向的漂移量；而在沿海實驗中發現鉛直方向的漂移量反而小於水平方向的漂移量。因此傳統採用兩孔或三孔的相干長度測量設備其信息量獲取量較少，測量結果存在較大地不確定性，不能滿足某些應用背景下的高精度需求。
外尺度的測量方法，目前有採用光束抖動頻譜遙感大氣湍流外尺度的方法，或者藉助於同一目標天體經兩不同直徑的子孔後所成像的抖動方差之間關係進行測量。亦有運用四臺獨立的小型望遠鏡通過一定的位置配置，通過同一目標天體成像之間的到達角協方差，然後通過插值的方法來得到的外尺度。這些方法要麼測量精度有限，另外工程實現費用較高。
目前傳輸光路上橫向平均風速和風向的測量有多種方法。水平傳輸而言，可以利用超聲風速計在光路上測量多個點上的風速、風向，然後求取平均風速。斜程傳輸而言，可以利用都卜勒測風雷達進行測量，亦有學者通過圖像的抖動頻譜等方法進行測量。有學者提出利用圖像速度差分測量風速的概念，該方法是基於研究一個到達角方向，事先假定風向，然後再計算風速，實際上速度差分公式中風速與風向密切相關，而且測量過程風向不斷發生變化，工程應用有些困難。這些測風方法要麼設備造價高、維護成本高，要麼測量不夠準確。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠同時測量大氣相干長度、大氣湍流外尺度和傳輸光路上的橫向平均風速和風向的四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀，這種四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀可以有效減少望遠鏡後續光學系統的長度，減輕了系統抖動和彎沉的影響，而且信息獲取量顯著增加，測量結果的準確度和可靠性大大提高。
本發明專利的技術方案如下四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀，主要由施密特--卡塞格林望遠鏡、光學成像透鏡、五角稜鏡、四稜錐光楔、面陣CCD傳感器、圖像採集卡和計算機組成，其特徵在於望遠鏡鏡筒前端安裝有四子孔光瞳板，四子孔光瞳板後的光路中依次設置有光學成像透鏡、五角稜鏡，五角稜鏡的出射光路中安裝有四稜錐光楔、成像透鏡和面陣CCD傳感器，CCD傳感器位於成像透鏡的焦平面上。
所述的五角稜鏡其中三邊A＝B＝C＝18mm，五角稜鏡直角邊的兩相鄰面鍍銀膜用於可見光的全反射，入射面和出射面鍍可見光增透膜，入射光束經五角稜鏡後與出射光束成90°角。
所述的四子孔光瞳板中的四個孔為圓孔，其相鄰孔圓心連線後構成一個正方形。
所述的四稜錐光楔將進入四個子孔後的圖像在水平方向和垂直方向根據CCD靶面的大小分開一定的距離，以便進行圖像位置差分的計算。
本發明具有以下四個創新點(1)、結構上採用了五角稜鏡倒光，使儀器長度縮短，剛度增加，降低機械振動，穩定性明顯改善。(2)、由於縮短了儀器長度，望遠鏡可轉動的仰角明顯增大，由原來的有限仰角增大到現在的90°，使測量和跟蹤天體更加便利。(3)、本發明技術的四孔光瞳板結合四稜錐光楔分光法至今尚未見公開報導。本技術可在同一焦平面獲取同一目標的四個圖像，這四個圖像在結構上構成了正四方形。其基線有六種配置方式，可以在四個方向上測量大氣相干長度，一次統計過程能夠獲取12個數值，信息獲取量顯著增加(請見附圖4)。在大氣湍流的特徵相關時間內能夠測量大量子樣，那麼它們的均值相對單次測量或者某一個方向上測量而言，是最能接近系綜值的最佳估計。因此採用本專利設備不但能較為準確地測量大氣相干長度，也可為研究大氣湍流的方向性提供更有價值的信息。(4)、根據本發明技術的四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀的四孔配置方法，可以計算出湍流外尺度、傳輸光路上的橫向平均風速和風向等大氣參數。一般而言，這些在進行光傳輸應用背景中，這些參數需要同時測量，因此對它們在一臺設備上進行測量就顯得非常有意義。該專利技術的測量設備能夠同時測量多個光學參數的功能尚未見公開報導。
圖1是本發明光路結構圖。
圖2是本發明四子孔光瞳板結構示意圖。
具體實施例方式
請參見附圖1。首先同一目標入射光波被四子孔光瞳板分為四束光，並由施密特-卡塞格林望遠鏡(簡稱為卡氏望遠鏡)物鏡處進入。卡氏望遠鏡的口徑為356mm，焦距為3556 mm。四個入射子孔直徑可分別按需要改變為50mm、80mm和100mm，水平和垂直方向上兩孔中心間距為200mm，相鄰孔圓心連線構成正方形，邊長為141.4mm，如附圖2所示。入射光束通過卡氏望遠鏡，與一個直徑φ＝10mm，焦距f＝25mm的光學轉換透鏡2共焦，轉換為平行光進入五角稜鏡3。五角稜鏡3其中三邊A＝B＝C＝18mm，五角稜鏡直角邊的相鄰面鍍銀膜用於可見光的全反射，入射面和出射面鍍可見光增透膜，入射光束經五角稜鏡後與出射光束成90°轉向，在獲得與成像透鏡5同光軸時稜鏡架鎖定五角稜鏡3。光經五角稜鏡成90°轉向後，進入四稜錐光楔4分光。在四稜錐光楔4的後面置於一個直徑φ＝10mm，焦距f＝100mm的成像透鏡5，目標成像於透鏡5的焦平面上的CCD傳感器上，由於四稜錐光楔4的分光功能，在CCD上可以得到同一目標的四個像。而且，整個系統的焦距被放大，這樣目標圖像由於湍流的影響而產生的抖動量被放大，增加了測量的靈敏性。由於四稜錐光楔的分光作用，所成的圖像中水平和鉛直方向的兩組圖像間距被分開約90個像元，被CCD接收到的四個圖像由圖像採集卡進行適時採集。經大氣綜合參數測量分析軟體計算後可獲得大氣相干長度、平均風速、風向和湍流外尺度等各種大氣光學參數。
權利要求
1.四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀，主要由施密特-卡塞格林望遠鏡、光學成像透鏡、五角稜鏡、四稜錐光楔、面陣CCD傳感器、圖像採集卡和計算機組成，其特徵在於望遠鏡鏡筒前端安裝有四子孔光瞳板，四子孔光瞳板後的光路中依次設置有光學成像透鏡、五角稜鏡，五角稜鏡的出射光路中安裝有四稜錐光楔、成像透鏡和面陣CCD傳感器，CCD傳感器位於成像透鏡的焦平面上。
2.根據權利要求1所述的四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀，其特徵在於所述的五角稜鏡其中三邊A＝B＝C＝18mm，五角稜鏡直角邊的兩相鄰面鍍銀膜用於可見光的全反射，入射面和出射面鍍可見光增透膜，入射光束經五角稜鏡後與出射光束成90°角。
3.根據權利要求1所述的四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀，其特徵在於所述的四子孔光瞳板中的四個孔為圓孔，其相鄰孔圓心連線後構成一個正方形。
4.根據權利要求1所述的四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀，其特徵在於所述的四稜錐光楔將進入四個子孔後的圖像在水平方向和垂直方向根據CCD靶面的大小分開一定的距離，以便進行圖像位置差分的計算。
全文摘要
本發明公開了一種四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀。該測量儀由四子孔光瞳板、施密特－卡塞格林望遠鏡、光學成像透鏡、五角稜鏡、四稜錐光楔、面陣CCD傳感器、圖像採集卡和計算機組成，CCD傳感器位於成像透鏡的焦平面上。由於四稜錐光楔的分光作用，CCD傳感器可以獲取同一目標的四個圖像，這四個圖像在結構上構成了正四方形。其基線有六種配置方式，可以在四個方向上測量大氣相干長度，一次統計過程能夠獲取大氣相干長度的12個子樣。根據本發明技術四孔差分圖像運動大氣光學參數測量儀的四孔配置方法，可以同時計算出湍流外尺度、傳輸光路上的橫向平均風速和風向等大氣參數。本發明技術的多參數測量功能在大氣光學及其應用研究中有很重要的作用。
文檔編號G01N21/45GK101017207SQ20061009768
公開日2007年8月15日 申請日期2006年11月15日 優先權日2006年11月15日
發明者黃宏華, 姚永幫, 朱文越, 黃印博, 饒瑞中 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所