四孔差分图像运动大气光学参数测量仪转让专利
申请号 : CN200610097682.8
文献号 : CN100590457C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 黄宏华 , 姚永帮 , 朱文越 , 黄印博 , 饶瑞中
申请人 : 中国科学院安徽光学精密机械研究所
摘要 :
本发明公开了一种四孔差分图像运动大气光学参数测量仪。该测量仪由四子孔光瞳板、施密特-卡塞格林望远镜、光学成像透镜、五角棱镜、四棱锥光楔、面阵CCD传感器、图像采集卡和计算机组成，CCD传感器位于成像透镜的焦平面上。由于四棱锥光楔的分光作用，CCD传感器可以获取同一目标的四个图像，这四个图像在结构上构成了正四方形。其基线有六种配置方式，可以在四个方向上测量大气相干长度，一次统计过程能够获取大气相干长度的12个子样。根据本发明技术四孔差分图像运动大气光学参数测量仪的四孔配置方法，可以同时计算出湍流外尺度、传输光路上的横向平均风速和风向等大气参数。本专利技术的多参数测量功能在大气光学及其应用研究中有很重要的作用。
权利要求 :
1、四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，主要由施密特-卡塞格林望远镜、光学成像透镜、五角棱镜、四棱锥光楔、面阵CCD传感器、图像采集卡和计算机组成，其特征在于望远镜镜筒前端安装有四子孔光瞳板，四子孔光瞳板后的光路中依次设置有光学成像透镜、五角棱镜，五角棱镜的出射光路中安装有四棱锥光楔、成像透镜和面阵CCD传感器，CCD传感器位于成像透镜的焦平面上。
2、 根据权利要求1所述的四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，其特征在 于所述的五角棱镜其中三边A-B吒-18，五角棱镜两直角边的两相邻反射面 镀银膜用于可见光的全反射，入射面和出射面镀可见光增透膜，入射光束 经五角棱镜后与出射光束成90°角。
3、 根据权利要求1所述的四孔差分图^象运动大气光学参数测量仪，其特征在 于所述的四子孔光瞳板中的四个孔为圆孔，其相邻孔圆心连线后构成一个 正方形。
4、 根据权利要求1所述的四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，其特征在 于所述的四棱锥光楔将进入四个子孔后的图像在水平方向和垂直方向根 据CCD靶面的大小分开一定的距离，以便进行图像位置差分的计算。
说明书 :
四孔差分图像运动大气光学^:测量仪
技术领域
本发明涉及大气光学领域，具体是一种进行大气光学参数测量的测量设备。 背景技术
大气湍流介质对光波传输最本质的影响是相干性的破坏。大气相干长度定义 为光波在大气传输过程中，光传播方向上两个不同点的光波场具有横向相干性的 最大空间间隔。在激光大气传输和自适应光学相位校正技术中，描述湍流效应的 影响、评价激光传输及其相位校正的效果时，广泛采用的一个物理量即是大气相 干长度，该参量与大气湍流强度、激光波长和传输距离等因素相关，是一个非常 重要的定标参量。在天文观测中，通常也把大气相干长度当作视宁度的度量，而 其大小常被作为天文选址的重M据之一 。
在大气光学及其应用研究中，湍流的特征尺度起着重要的作用。特征尺度大 小直接影响着湍流谱的形式，而湍流谱又是进行湍流效益评估、大气光学参数测 量等研究的基础。由于大尺度湍流对光波的相位起伏起主要作用，以相位补偿为 目的的自适应光学技术及在天文观测的应用对大气湍流外尺度的准确测量十分 关注。研究结果表明有限的大气外尺度对大气湍流统计特征的测量有很大的影 响，尤其对大尺寸的望远镜和子孔径更是如此。因此对大气中湍流外尺度的变化 规律进行仔细研究显得十分必要，而在研究中寻找精确而又方便的观测方法和仪 器就显得更为重要。
现代天文高分辨光学成像技术均涉及经过大气传输后光波波前的时间相干 性，如斑点成像技术中的斑点寿命，光干涉中的条紋最大积分时间，自适应光学 系统中的响应时间，这些时间的物理本质均为大气相干时间，而光传输路径上的 橫向平均风速在光波传输中是确定相干时间的 一个重要参量，因此对于传输光路 上的横向平均风速和风向的测量显得非常重要，特别是在光波传输和天文成像应 用中具有4艮大的意义。
目前现有的大气相干长度仪（或称为视宁M视仪）结构复杂。同属一个光 轴上所有光学元器件为"一"字型排列安装，由两个安装点支撑仪器。仪器的稳
3定性较差，会带来不可避免的弯沉和抖动影响。由于湍流的扰动，光波经过大气 传输后，在接收望远镜焦平面处光学图像作随机的抖动，这就是常说的光束到达 角起伏的结果。目前相干长度的测量多为采用两孔差分运动法，通过测量同一波 前上两个点的到达角的相对起伏来得到大气相干长度。在工程应用中，有时仅关 心较短时间内的大气瑞流状态。由于实际大气只能满足局地各向均匀同性，在较 短的时间内才能维持平稳性，对其l^fc测量的统计时间尺度也是有限的，而且通 常也较难以满足各态历经定理。另外，从聚焦光束传输光斑漂移的实验中发现， 光斑的抖动量在不同的方向上有明显的差别。例如：在内陆某地的实验中发现铅 直方向的漂移量大于水平方向的漂移量；而在沿海实验中发现铅直方向的漂移量 反而小于水平方向的漂移量。因此传统采用两孔或三孔的相干长度测量设备其信 息量获取量较少，测量结果存在较大地不确定性，不能满足某些应用背景下的高 精度需求。
外尺度的测量方法，目前有采用光束抖动频谱遥感大气湍流外尺度的方法， 或者借助于同 一 目标天体经两不同直径的子孔后所成像的抖动方差之间关系进 行测量。亦有运用四台独立的小型望远镜通过一定的位置配置，通过同一目标天 体成像之间的到达角协方差，然后通过插值的方法来得到的外尺度。这些方法要 么测量精度有限，另外工程实现费用较高。
目前传输光路上横向平均风速和风向的测量有多种方法。水平传输而言，可 以利用超声风速计在光路上测量多个点上的风速、风向，然后求取平均风速。斜 程传输而言，可以利用多普勒测风雷达进行测量，亦有学者通过图像的抖动频谱 等方法进行测量。有学者提出利用图像速度差分测量风速的概念，该方法是基于 研究一个到达角方向，事先4叚定风向，然后再计算风速，实际上速度差分公式中 风速与风向密切相关，而且测量过程风向不断发生变化，工程应用有些困难。这 些测风方法要么设备造价高、维护成本高，要么测量不够准确。 发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时测量大气相干长度、大气湍流外尺度和传 输光路上的横向平均风速和风向的四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，这种 四孔差分图像运动大气光学参数测量仪可以有效減少望远镜后续光学系统的长 度，减轻了系统抖动和弯沉的影响，而且信息获取量显著增加，测量结果的准确度和可靠性大大提高。
本发明专利的"^支术方案如下：
四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，主要由施密特-卡塞格林望远镜、
光学成像透镜、五角棱镜、四棱锥光楔、面阵CCD传感器、图像采集卡和计算机 组成，其特征在于望远镜镜筒前端安装有四子孔光瞳板，四子孔光瞳板后的光路 中依次设置有光学成像透镜、五角棱镜，五角棱镜的出射光路中安装有四棱锥光 楔、成像透镜和面阵CCD传感器，CCD传感器位于成像透镜的焦平面上。
所述的五角棱镜其中三边爿=B = C = 18mw,五角棱镜直角边的两相邻面镀 银膜用于可见光的全反射，入射面和出射面镀可见光增透膜，入射光束经五角棱 #^与出射光束成90°角。
所述的四子孔光瞳板中的四个孔为圓孔，其相邻孔圆心连线后构成一个正方形。
所述的四棱锥光楔将进入四个子孔后的图像在水平方向和垂直方向根据 CCD靶面的大小分开一定的距离，以便进行图像位置差分的计算。
本发明具有以下四个创新点：（1)、结构上采用了五角棱镜倒光，使仪器长 度缩短，刚度增加，降^iM^振动，稳定性明显改善。（2)、由于缩短了仪器长 度，望远镜可转动的仰角明显增大，由原来的有限仰角增大到现在的90°,使测 量和跟踪天体更加便利。（3)、本发明技术的四孔光瞳板结合四棱锥光楔分光法 至今尚未见公开报道。本技术可在同一焦平面获取同一目标的四个图像，这四个 图像在结构上构成了正四方形。其基线有六种配置方式，可以在四个方向上测量 大气相干长度， 一次统计过程能够获取12个数值，信息获取量显著增加（请见 附图4)。在大气湍流的特征相关时间内能够测量大量子样，那么它们的均值相 对单次测量或者某一个方向上测量而言，是最能接近系综值的最佳估计。因此采 用本专利设备不但能较为准确地测量大气相千长度，也可为研究大气湍流的方向 性提供更有价值的信息。（4)、根据本发明技术的四孔差分图像运动大气光学参 数测量仪的四孔配置方法，可以计算出湍流外尺度、传输光路上的横向平均风速 和风向等大气参数。 一般而言，这些在进行光传输应用背景中，这些参数需要同 时测量，因此对它们在一台设备上进行测量就显得非常有意义。该专利技术的测 量设备能够同时测量多个光学参数的功能尚未见公开报道。附图说明
图l是本发明光路结构图。
图2是本发明四子孔光瞳板结构示意图。 具体实施方式
请参见附图1。首先同一目标入射光波被四子孔光瞳板分为四束光，并由施 密特-卡塞格林望远镜（简称为卡氏望远4竟）1物镜处进入。卡氏望远镜的口径为 356 mm,焦距为3556咖。四个入射子孔直径可分别按需要改变为50mm、 80, 和100mm,水平和垂直方向上两孔中心间距为200mra,相邻孔圆心连线构成正方 形，边长为141.4mm,如附图2所示。入射光束通过卡式望远镜1,与一个直径 0 = lO附w ，焦距/ = 25ww的光学转换透镜2共焦，转换为平行光ii7v五角棱镜
3。五角棱镜3其中三边爿-5-C-18/ww，五牟棱镜直角边的相邻面镀银膜用 于可见光的全反射，入射面和出射面镀可见光增透膜，入射光束经五角棱镜后与 出射光束成90°转向，在获得与成像透镜5同光轴时棱镜架锁定五角棱镜3。光 经五角棱镜成90。转向后，进入四棱锥光楔4分光。在四棱锥光楔4的后面置于
一个直径^-10/ww,焦距/^100mm的成像透镜5，目标成像于透镜5的焦平面
上的CCD传感器上，由于四棱锥光楔4的分光功能，在CCD上可以得到同一 目标 的四个像。而且，整个系统的焦距被放大，这样目标图像由于漓流的影响而产生 的抖动量被放大，增加了测量的灵敏性。由于四棱锥光楔的分光作用，所成的图 像中水平和铅直方向的两组图像间距被分开约90个像元，被CCD接收到的四个 图像由图{象采集卡进行适时采集。经大气综合参数测量分析软件计算后可获得大 气相干长度、平均风速、风向和湍流外尺度等各种大气光学参数。
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大气湍流介质对光波传输最本质的影响是相干性的破坏。大气相干长度定义 为光波在大气传输过程中，光传播方向上两个不同点的光波场具有横向相干性的 最大空间间隔。在激光大气传输和自适应光学相位校正技术中，描述湍流效应的 影响、评价激光传输及其相位校正的效果时，广泛采用的一个物理量即是大气相 干长度，该参量与大气湍流强度、激光波长和传输距离等因素相关，是一个非常 重要的定标参量。在天文观测中，通常也把大气相干长度当作视宁度的度量，而 其大小常被作为天文选址的重M据之一 。
在大气光学及其应用研究中，湍流的特征尺度起着重要的作用。特征尺度大 小直接影响着湍流谱的形式，而湍流谱又是进行湍流效益评估、大气光学参数测 量等研究的基础。由于大尺度湍流对光波的相位起伏起主要作用，以相位补偿为 目的的自适应光学技术及在天文观测的应用对大气湍流外尺度的准确测量十分 关注。研究结果表明有限的大气外尺度对大气湍流统计特征的测量有很大的影 响，尤其对大尺寸的望远镜和子孔径更是如此。因此对大气中湍流外尺度的变化 规律进行仔细研究显得十分必要，而在研究中寻找精确而又方便的观测方法和仪 器就显得更为重要。
现代天文高分辨光学成像技术均涉及经过大气传输后光波波前的时间相干 性，如斑点成像技术中的斑点寿命，光干涉中的条紋最大积分时间，自适应光学 系统中的响应时间，这些时间的物理本质均为大气相干时间，而光传输路径上的 橫向平均风速在光波传输中是确定相干时间的 一个重要参量，因此对于传输光路 上的横向平均风速和风向的测量显得非常重要，特别是在光波传输和天文成像应 用中具有4艮大的意义。
目前现有的大气相干长度仪（或称为视宁M视仪）结构复杂。同属一个光 轴上所有光学元器件为"一"字型排列安装，由两个安装点支撑仪器。仪器的稳
3定性较差，会带来不可避免的弯沉和抖动影响。由于湍流的扰动，光波经过大气 传输后，在接收望远镜焦平面处光学图像作随机的抖动，这就是常说的光束到达 角起伏的结果。目前相干长度的测量多为采用两孔差分运动法，通过测量同一波 前上两个点的到达角的相对起伏来得到大气相干长度。在工程应用中，有时仅关 心较短时间内的大气瑞流状态。由于实际大气只能满足局地各向均匀同性，在较 短的时间内才能维持平稳性，对其l^fc测量的统计时间尺度也是有限的，而且通 常也较难以满足各态历经定理。另外，从聚焦光束传输光斑漂移的实验中发现， 光斑的抖动量在不同的方向上有明显的差别。例如：在内陆某地的实验中发现铅 直方向的漂移量大于水平方向的漂移量；而在沿海实验中发现铅直方向的漂移量 反而小于水平方向的漂移量。因此传统采用两孔或三孔的相干长度测量设备其信 息量获取量较少，测量结果存在较大地不确定性，不能满足某些应用背景下的高 精度需求。
外尺度的测量方法，目前有采用光束抖动频谱遥感大气湍流外尺度的方法， 或者借助于同 一 目标天体经两不同直径的子孔后所成像的抖动方差之间关系进 行测量。亦有运用四台独立的小型望远镜通过一定的位置配置，通过同一目标天 体成像之间的到达角协方差，然后通过插值的方法来得到的外尺度。这些方法要 么测量精度有限，另外工程实现费用较高。
目前传输光路上横向平均风速和风向的测量有多种方法。水平传输而言，可 以利用超声风速计在光路上测量多个点上的风速、风向，然后求取平均风速。斜 程传输而言，可以利用多普勒测风雷达进行测量，亦有学者通过图像的抖动频谱 等方法进行测量。有学者提出利用图像速度差分测量风速的概念，该方法是基于 研究一个到达角方向，事先4叚定风向，然后再计算风速，实际上速度差分公式中 风速与风向密切相关，而且测量过程风向不断发生变化，工程应用有些困难。这 些测风方法要么设备造价高、维护成本高，要么测量不够准确。 发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时测量大气相干长度、大气湍流外尺度和传 输光路上的横向平均风速和风向的四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，这种 四孔差分图像运动大气光学参数测量仪可以有效減少望远镜后续光学系统的长 度，减轻了系统抖动和弯沉的影响，而且信息获取量显著增加，测量结果的准确度和可靠性大大提高。
本发明专利的"^支术方案如下：
四孔差分图像运动大气光学参数测量仪，主要由施密特-卡塞格林望远镜、
光学成像透镜、五角棱镜、四棱锥光楔、面阵CCD传感器、图像采集卡和计算机 组成，其特征在于望远镜镜筒前端安装有四子孔光瞳板，四子孔光瞳板后的光路 中依次设置有光学成像透镜、五角棱镜，五角棱镜的出射光路中安装有四棱锥光 楔、成像透镜和面阵CCD传感器，CCD传感器位于成像透镜的焦平面上。
所述的五角棱镜其中三边爿=B = C = 18mw,五角棱镜直角边的两相邻面镀 银膜用于可见光的全反射，入射面和出射面镀可见光增透膜，入射光束经五角棱 #^与出射光束成90°角。
所述的四子孔光瞳板中的四个孔为圓孔，其相邻孔圆心连线后构成一个正方形。
所述的四棱锥光楔将进入四个子孔后的图像在水平方向和垂直方向根据 CCD靶面的大小分开一定的距离，以便进行图像位置差分的计算。
本发明具有以下四个创新点：（1)、结构上采用了五角棱镜倒光，使仪器长 度缩短，刚度增加，降^iM^振动，稳定性明显改善。（2)、由于缩短了仪器长 度，望远镜可转动的仰角明显增大，由原来的有限仰角增大到现在的90°,使测 量和跟踪天体更加便利。（3)、本发明技术的四孔光瞳板结合四棱锥光楔分光法 至今尚未见公开报道。本技术可在同一焦平面获取同一目标的四个图像，这四个 图像在结构上构成了正四方形。其基线有六种配置方式，可以在四个方向上测量 大气相干长度， 一次统计过程能够获取12个数值，信息获取量显著增加（请见 附图4)。在大气湍流的特征相关时间内能够测量大量子样，那么它们的均值相 对单次测量或者某一个方向上测量而言，是最能接近系综值的最佳估计。因此采 用本专利设备不但能较为准确地测量大气相千长度，也可为研究大气湍流的方向 性提供更有价值的信息。（4)、根据本发明技术的四孔差分图像运动大气光学参 数测量仪的四孔配置方法，可以计算出湍流外尺度、传输光路上的横向平均风速 和风向等大气参数。 一般而言，这些在进行光传输应用背景中，这些参数需要同 时测量，因此对它们在一台设备上进行测量就显得非常有意义。该专利技术的测 量设备能够同时测量多个光学参数的功能尚未见公开报道。附图说明
图l是本发明光路结构图。
图2是本发明四子孔光瞳板结构示意图。 具体实施方式
请参见附图1。首先同一目标入射光波被四子孔光瞳板分为四束光，并由施 密特-卡塞格林望远镜（简称为卡氏望远4竟）1物镜处进入。卡氏望远镜的口径为 356 mm,焦距为3556咖。四个入射子孔直径可分别按需要改变为50mm、 80, 和100mm,水平和垂直方向上两孔中心间距为200mra,相邻孔圆心连线构成正方 形，边长为141.4mm,如附图2所示。入射光束通过卡式望远镜1,与一个直径 0 = lO附w ，焦距/ = 25ww的光学转换透镜2共焦，转换为平行光ii7v五角棱镜
3。五角棱镜3其中三边爿-5-C-18/ww，五牟棱镜直角边的相邻面镀银膜用 于可见光的全反射，入射面和出射面镀可见光增透膜，入射光束经五角棱镜后与 出射光束成90°转向，在获得与成像透镜5同光轴时棱镜架锁定五角棱镜3。光 经五角棱镜成90。转向后，进入四棱锥光楔4分光。在四棱锥光楔4的后面置于
一个直径^-10/ww,焦距/^100mm的成像透镜5，目标成像于透镜5的焦平面
上的CCD传感器上，由于四棱锥光楔4的分光功能，在CCD上可以得到同一 目标 的四个像。而且，整个系统的焦距被放大，这样目标图像由于漓流的影响而产生 的抖动量被放大，增加了测量的灵敏性。由于四棱锥光楔的分光作用，所成的图 像中水平和铅直方向的两组图像间距被分开约90个像元，被CCD接收到的四个 图像由图{象采集卡进行适时采集。经大气综合参数测量分析软件计算后可获得大 气相干长度、平均风速、风向和湍流外尺度等各种大气光学参数。
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