测量大气平均风速风向的图像漂移速度法的制作方法

专利名称：测量大气平均风速风向的图像漂移速度法的制作方法
技术领域：
本发明涉及大气光学领域，具体是利用图像漂移速度差分法测量传输光路上的横向平均风速和风向的方法。
背景技术：
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，光干涉中的条纹最大积分时间，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，而光传输路径上的横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很大的意义。目前，传输光路横向风速的测量方法有很多种。例如就水平传输而言，可以利用超声风速计测量多个布点上的风速、风向，然后求取平均风速；就斜程传输而言，可以利用多普勒测风雷达进行测量。另外，还有研究报道通过图像的抖动频谱等方法进行测量。亦有学者提出利用图像速度差分测量风速的概念，但它们的方法侧重于理论上的假定，比如只能假定到达角沿某一个固定的方向，而且需要事先假定风向，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，因此这种假定是不切实际的，在实际应用中该方法也是不可行的。总体而言，上述这些方法在测量上要么设备造价高、维护成本高，要么测量不够准确或者难以实现。

发明内容
本发明的目的是提供一种利用图像漂移速度差分测量传输光路上的横向平均风速和风向的方法。通过理论推导，将到达角方向推广到各个方向上，可得到图像运动速度的结构函数。因而，能够利用四孔差分图像运动大气相干长度测量仪提供多种基线配置方式，对两组正交方向上的到达角速度结构函数进行数学计算就可以得到传输光路上平均横向风速和风向。
本发明的技术方案如下
测量大气平均风速风向的图像漂移速度法，其特征在于包括以下步骤(1)、在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，只允许四子孔通光，四子孔的相邻孔的圆心连线构成正方形，同一目标入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后进入四棱锥光楔进行分光，在四棱锥光楔的后面置一个成像透镜，由于四棱锥光楔具有分光的功能，被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵CCD传感器上，这样得到同一目标的四个图像，CCD传感器接收到的四个图像经采集卡由计算机进行采集；(2)、推导出的包括到达角方向变量的图像运动速度结构函数Dc·(α,θ)=0.259λ2r0-5/3D-7/3[(2cos2(θ-α)+1)v-2+2Δv2]---(34)]]>在前述四孔差分图像运动大气相干长度测量仪得到的同一目标的四个分离的图像基础上，经图像采集卡采集一定连续时间序列的图像(一般要求200帧以上)，通过连续两帧图像中的目标图像的位置和两帧图像之间的采集时间间隔，计算出同一基线上的两个图像沿该基线上的差分到达角速度，一次采样过程便可以得到到达角起伏速度结构函数，按照(34)式分别进行四组基线方向上的到达角起伏速度结构函数计算，方法如下令α＝0°，α＝90°，α＝45°，α＝135°，
由(37)式、(40)式相除可以得到 至此，即可得出传输光路上横向平均风速v和风向θ。
所述的四子孔大小相同，和四棱锥光楔匹配。
本发明优点推导出包含到达角方向变量的图像抖动速度结构函数，利用工程上易于实现的四孔差分图像运动大气相干长度测量仪，对两组正交基线方向上的图像对进行速度差分计算，就可以求出传输光路上的横向平均风速和风向，而且一次计算过程可以测量出两组风速和风向以便进行自洽式验证。该方法技术上易于实现、理论较为完备，因此是一种可靠的测量方法。


图1是风速风向示意图。
图2是成像体示意图。
图3是本发明光路结构图。
图4是本发明四子孔光瞳板结构示意图。
具体实施例方式
参见附图3、4。首先在望远镜的入射口，安装一个四子孔光瞳板1，只允许四子孔通光进入望远镜物镜。同一目标的入射光被分为四束光由施密特-卡塞格林望远镜(简称为卡氏望远镜)物镜进入。卡氏望远镜的口径为356mm，焦距为3556mm。四个入射子孔直径可分别按需要改变为50mm、80mm和100mm，水平和铅直方向上两孔中心间距为200mm，相邻孔圆心连线构成正方形，边长为141.4mm。如图2所示。入射光束通过卡氏望远镜，与一个直径φ＝10mm，焦距f＝25mm的光学转换透镜2共焦，转换为平行光进入五角棱镜3。五角棱镜3的三边A＝B＝C＝18mm，五角棱镜90°直角边两相邻面镀银膜用于可见光全反，入射面和出射面镀可见光增透膜。将五角棱镜3固定安装在可调节的棱镜架上，旋转调节棱镜架使入射光束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°方向转向后，进入四棱锥光楔4分光。在四分光光楔4的后面置于一个直径φ＝10mm，焦距f＝100mm的成像透镜5，由于四棱锥光楔4具有分光的功能，因此被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵CCD传感器上，这样可以得到同一目标的四个像，而且整个系统的焦距被放大，使得目标抖动量增大，增加了测量的灵敏性。结合CCD靶面大小，两组水平和铅直方向的图像被分开一定的间距(本专利测量设备为90个像元)，被CCD接收到的四个图像经采集卡转入计算机适时采集。由大气综合参数测量软件处理后可获得光路的上的横向平均风速、风向等各种大气光学参数。
测量原理由于湍流的扰动，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漂移，这就是常说的光束到达角起伏的结果。假定在x-y坐标系内，研究的到达角方向与x坐标轴成α角，风向与x轴成θ角，如附图1所示，其中b轴与α轴垂直。
若cα(x，y)为某时刻，沿轴a方向的到达角图像重心测量值cα(x,y)=-λ2πP(r)⊗∂∂aφ(x,y),---(1)]]>其中φ(x，y)为某时刻位置(x，y)处波前的相差，代表二维卷积，P(r)为孔径圆域函数P(r)=1r≤D/20r>D/2---(2)]]>因此，待求的图像速度方差可以表示为σc·2=⟨|∂dtcα(x,y)|2⟩t---(3)]]>假定在泰勒假设(亦称冻结湍流假设)条件下，当前时刻波前仍旧处于演化过程中。到达角波前倾斜速度，即图像运动的到达角速度为c·α(x,y)=∂dtcα(x,y)=dadt∂∂acα(x,y)+dbdt∂∂bcα(x,y)+∂∂tcα(x,y)---(4)]]>假定平均风速由向量v=(v‾,θ)]]>表示，则
dadt=|v-|cos(θ-α)---(5)]]>dbdt=|v-|sin(θ-α)---(6)]]>对(3)式、(4)式进行展开可得到σc·2=⟨||v‾|cos(θ-α)∂∂acα(x,y)+|v‾|sin(θ-α)∂∂bcα(x,y)|2⟩t+⟨|∂∂tcα(x,y)|2⟩t---(7)]]>=σc·2(Taylor)+σc·2(boiling),]]>其中， 为波前平移速度方差， 为在波前经过透镜这一阶段时由于波前进化形成的速度方差。先取(4)式的前两项进行分析。
在泰勒假设下， 亦等于 的两维空间功率谱的积分，σc·2(Taylor)=∫∫fΦTaylor(f)d2f---(8)]]>根据 的空间功率谱与其空间相关函数的关系，有ΦTaylor(f)=FT{⟨(|v‾|cos(θ-α)∂∂acα(x,y)+|v‾|sin(θ-α)∂∂bcα(x,y))]]>×(|v‾|cos(θ-α)∂∂acα(x+μ,y+ξ)+|v‾|sin(θ-α)∂∂bcα(x+μ,y+ξ))⟩}---(9)]]>因为，FT{∂∂tg(t)}(v)=-i2πvFT{g(t)}(v),---(10)]]>则(9)式可以简化为ΦTaylor(f)=[cos2(θ-α)fa2+sin2(θ-α)fb2+2cos(θ-α)sin(θ-α)fafb]]]>×4πv-2FT{⟨cα(r)cα(r+ξ)⟩},---(11)]]>其中，fa和fb为分别平行a轴和b轴的频率分量。按照向量分解可得fa＝fxcos(α)+fysin(α)，fb＝-fxsin(α)+fycos(α)(12)结合相空间功率谱，可以得到
FT{⟨cα(x,y)cα(x+μ,y+ξ)⟩}]]>=(λ2π)2|FT{P(r)}|2FT{φ(x,y)φ(x+μ,y+ξ)}---(13)]]>=λ2fa2Φφ(f)·[2J1(πDf)πDf]2]]>D为光瞳板子孔直径。
对于Kolmogorov湍流，Φφ(f)=0.0229r0-5/3f-11/3]]>当1/L0≤f≤1/l0(14)式中r0为Fried参数，亦称为大气相干长度。
ΦTaylor(f)=4π2v-2λ2r0-5/3[2J1(πDf)πDf]2f-11/3---(15)]]>×[cos2(θ-α)fa4+sin2(θ-α)fb2fa2+2cos(θ-α)sin(θ-α)fa3fb]]]>结合(12)式，对(15)式进行数学处理，则有ΦTaylor(f)=4π2v-2λ20.0299r0-5/3[2J1(πDf)πDf]2f-11/3---(16)]]>×[c40fx4+c04fy4+c22fx2fy2+c13fxfy3+c31fx3fy]]]>其中，c40=14+14cos(2θ)+14cos(2α)+18cos(2(θ-α))+18cos(2(θ+α)),---(17)]]>c04=14-14cos(2θ)-14cos(2α)+18cos(2(θ-α))+18cos(2(θ+α)),]]>c22=12+14cos(2(θ-α))-34cos(2(θ+α)),]]>c13=12sin(2θ)+12sin(2α)+12sin(2(θ+α)),]]>c31=12sin(2θ)+12sin(2α)-12sin(2(θ+α)),]]>结合以上各式，则有σc.2(Taylor)=∫∫fΦTaylor(f)d2f]]>=16π2v-2λ20.0229r0-5/3(πD)-2---(18)]]>×[c40I40+c04I04+c22I22+c13I13+c31I31],]]>
式中，I40=∫∫fJ12(πDf)fx4f-17/3dfxdfy---(19)]]>I04=∫∫fJ12(πDf)fy4f-17/3dfxdfy]]>I22=∫∫fJ12(πDf)fx2fx2f-17/3dfxdfx]]>I31=∫∫fJ12(πDf)fx3fyf-17/3dfxdfy]]>I13∫∫fJ12(πDf)fxfy3f-17/3dfxdfy]]>对上述各式进行分析，积分函数I31和I13为奇函数，显然其积分为零。I40和I40积分相同。
σc.2(Taylor)=16π2v-2λ20.0229r0-5/3(πD)-2---(20)]]>×[(c40+c04)I40+c22I22],]]>重新对上式进行调整，有σc·2(Taylor)=16π2v-2λ20.0229r0-5/3(πD)-2---(21)]]>×k1[12cos(2(θ-α))+k2cos2((θ+α))+1],]]>其中，k1=12(I40+I22)---(22)]]>k2=12-2I22I40+I22]]>故现在需要求取的便是I40和I22的积分。
引入极坐标fx=ρcosγfy=ρsinγ---(23)]]>
I40=∫∫fJ12(πDf)fx4f-17/3dfxdfy]]>=∫∫J12(πDρ)ρ-2/3(cosγ)4dρdγ]]>=3π4∫J12(πDρ)ρ-2/3dρ---(24)]]>I22=∫∫fJ12(πDf)fx2fy2f-17/3dfxdfy]]>=∫∫J12(πDρ)ρ-2/3(sinγ)2(cosγ)2dρdγ---(25)]]>=π4∫J12(πDρ)ρ-2/3dρ]]>对∫J12(πDρ)-2/3dρ进行积分，并令u＝πdρ∫J12(πDρ)ρ-2/3dρ=(πD)-1/3∫J12(u)u-2/3du]]>=0.66(πD)-1/3---(26)]]>因此，则有k1＝0.33(πD)-1/3k2＝0这样(21)式可以简化为σc·2(Taylor)=16π2v-2λ20.0229r0-5/3(πD)-7/30.33π[12cos(2(θ-α))+1]---(27)]]>=0.259v-2λ2r0-5/3D-7/3[12cos(2(θ-α))+1]]]>对湍流演化过程图像速度方差的分析若湍流演化过程的两维空间功率谱为Φboiling(f)，那么有σc·2(boiling)=∫∫fΦboiling(f)d2f---(28)]]>采用(1)～(4)式的计算，将Φboiling(f)展开Φboiling(f)=(λ2π)2|FT{P(r)}|2(-2πfa)2Φboiling(f)---(29)]]>=λ2[J1(πDf)]2(πDf)-2fa2Φboiling(f)]]>按照fa＝fxcos(α)+fysin(α)展开，有
σc·2(boiling)=λ2cos2(α)∫∫f[J1(πDf)]2(πDf)-2fx2Φboiling(f)d2f]]>+λ2sin2(α)∫∫f[J1(πDf)]2(πDf)-2fy2Φboiling(f)d2f---(30)]]>+2λ2sin(α)cos(α)∫∫f[J1(πDf)]2(πDf)-2fxfyΦdoiling(f)d2f]]>上式第三项的积分函数为奇函数，故其积分为零。而第一项和第二项由于积分函数的对称性，可以合并，即有σc·2(boiling)=λ2∫∫f[J1(πDf)]2(πDf)-2fx2Φboiling(f)d2f---(31)]]>从(31)式可以看出，虽然未知Φboiling(f)的具体形式，但可以肯定是，由于湍流演化阶段产生的图像速度方差项不再是角度的函数，所以它在整体上来看，在湍流演化过程中该方差量是各向同性的。结合光在大气中传输理论有σc·2(boiling)=0.259λ2r0-5/3d-7/32Δ-v2---(32)]]>结构函数与方差和协方差函数间的关系Dα/t(μ，ξ)＝2(Bα/t(0，0)－Bα/t(μ，ξ))(33)通过计算可以发现，图像到达角运动速度的协方差值相对于图像到达角运动速度方差而言所占比例很小。在计算中，忽略此协方差值，可以得到图像到达角运动速度结构函数Dc·(α,θ)=0.259λ2r0-5/3D-7/3[(2cos2(θ-α)+1)v-2+2Δv2]---(34)]]>根据以上分析，可以利用前述实验装置来计算传输光路上的横向平均风速和风向。其示意图如附图2所示。
按照前述CCD传感器上得到的同一目标的四个分离开的图像，经图像采集卡可以得到一定时间序列的图像(一般要求200帧以上)。根据基线的配置方式，在某一基线方向上，对该基线上的图像在前后两帧图像中的位置在该方向上进行运动分解后的值进行差分运算，结合前后两帧图像间的采集时间间隔，就可以得到该基线方向上的图像速度差分，因此在一次统计过程就可以得到该方向上的速度结构函数。按照附图4上所标示的六组基线，可以分别组合成α＝0°，α＝90°，α＝45°，α＝135°的基线配置形式。采用(34)式对四组基线上的差分到达角起伏速度进行计算，方法如下令α＝0°，α＝90°，α＝45°，α＝135°分别进行计算 由(37)式和(40)式可以得出 至此，可以得出风速和风向。
在实际操作中，只需要得到两组正交方向上的图像运动速度结构函数就可以利用(41)式、(42)式求出风速和风向。由附图2可以看出，由1，2可以得到α＝0°的基线，由3，4可以组成α＝90°时基线。而1，3可以组成α＝45°时的基线配置，1，4可以组成α＝135°时基线配置。为了计算上进行自洽式验证，2，4和2，3可以组成α＝45°和α＝135°的基线配置，可以对1，3和1，4之间的组合进行比较。
按照以上的基线配置，代入利用差分像运动法所计算的大气相干长度值和子孔直径，就可以在工程实际中得到平均风速和风向。
权利要求
1.测量大气平均风速风向的图像漂移速度法，其特征在于包括以下步骤(1)、在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，只允许四子孔通光，四子孔的相邻孔的圆心连线构成正方形，同一目标入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后进入四棱锥光楔进行分光，在四棱锥光楔的后面置一个成像透镜，由于四棱锥光楔具有分光的功能，被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵CCD传感器上，这样得到同一目标的四个图像，CCD传感器接收到的四个图像经采集卡由计算机进行采集；(2)、推导出的包括到达角方向变量的图像运动速度结构函数Dc·(α,θ)=0.259λ2r0-5/3D-7/3[(2cos2(θ-α)+1)-2v+2Δv2]---(34)]]>在前述四孔差分图像运动大气相干长度测量仪得到的同一目标的四个分离的图像基础上，经图像采集卡采集一定连续时间序列的图像(一般要求200帧以上)，通过连续两帧图像中的目标图像的位置和两帧图像之间的采集时间间隔，计算出同一基线上的两个图像沿该基线上的差分到达角速度，一次采样过程便可以得到到达角起伏速度结构函数，按照(34)式分别进行四组基线方向上的到达角起伏速度结构函数计算，方法如下令α＝0°，α＝90°，α＝45°，α＝135°， Dα＝0°-Dα＝90°＝0.259λ2r0-5/3D-7/32v2cos(2θ)(37) Dα＝45°-Dα＝135°＝0.259λ2r0-5/3D-7/32v2sin(2θ)(40)由(37)式、(40)式相除可以得到 至此，即可得出传输光路上横向平均风速v和风向θ。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的四子孔大小相同，和四棱锥光楔匹配。
全文摘要
本发明公开了一种利用图像漂移速度法测量传输光路上横向平均风速和风向的方法。在施密特－卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，目标的入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后光束进入四棱锥光楔分光，再经成像透镜，成像于面阵CCD传感器上，这样可以得到同一目标的四个像；所得图像可以两两组合成六组不同基线的图像对。利用图像到达角运动速度结构函数(见右下式)，在得到四个方向上的图像到达角运动漂移速度结构函数后，根据它们间的数学关系就可以得到传输光路上横向平均风速和风向。
文档编号G01P13/02GK101017178SQ20061009768
公开日2007年8月15日 申请日期2006年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者黄宏华, 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