一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法与流程

本发明属于光波大气传输技术领域，具体涉及一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法。

背景技术：

m阶湍流矩(μm)定义为折射率结构常数在湍流路径上的积分，其中路径权重函数为路径位置变量z的m次方，即l为光在湍流路径上的传播距离。目前在湍流效应评估中运用最多的两个湍流矩是0阶矩μ0和5/3阶矩μ5/3，分别对应于天文选址中测量的大气相干长度r0和等晕角θ0。实际上还有一个重要的湍流矩没被利用，即湍流二阶矩μ2，其对应于整层大气的倾斜等晕角θτa，与湍流非等晕性误差有关。非等晕性误差的相位zernike模式各阶项可以近似用二阶矩μ2来表示，μ2可以用来评估实际有效的角度非等晕性误差、聚焦非等晕性误差、以及转换成倾斜等晕角。

鉴于湍流二阶矩的重要性，申请人认为在湍流效应评估中，除了监测r0、θ0外，还应该监测二阶矩μ2(或者说倾斜等晕角θτa)。现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪(本文中简称两参数测量仪)采用口径300mm以上望远镜(折反式，中间有次镜遮拦)，在其前端开设两个通光子孔，利用dimm原理测量r0，恒星闪烁法测量θ0；但能同时测量r0、θ0以及θτa三参数的仪器未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，包括以下步骤：

步骤1：选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；

步骤2：在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积(为叙述方便，该部分面积简称r)上的全部光强；

步骤3：结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。

优选的，对第三个参数倾斜等晕角的测量流程如下：

步骤1：设现有两参数测量仪两个子孔接收到的恒星光强值分别为i1和i2，光瞳面积上的光强为i3，则整个望远镜通光孔径(由于折反式望远镜光瞳中心存在次镜，该通光孔径是一个圆环)上的总光强为i0＝i1+i2+i3，计算圆环孔径上的相对光强起伏方差(简称孔径闪烁)：

其中括号<>代表统计平均，统计样本不低于200；

步骤2：将孔径闪烁转换为对数振幅起伏方差σ²χa：

步骤3：根据选定望远镜的口径d和di(分别为通光圆环的外径和内径，对于商业折反式望远镜，di/d一般约为1/3)，计算σ²χa的湍流路径权重w(u)及其最大值a：

其中，u＝z/l为归一化路径，jn为第一类n阶贝塞尔函数；fn为菲涅尔数d²/λ0l，λ0为探测波长，l＝h0secφ，其中h0为所取湍流大气层高度，一般取20km，φ为天顶角，通常要求天顶角φ小于45度；

步骤4：将以上计算所得的σ²χa、a代入下式计算倾斜等晕角θτa

其中，λc、dc为与倾斜等晕角对应的波长、孔径直径。

优选的，所述用于接收望远镜未被利用光瞳面积上全部光强的探测器可以是现有两参数测量仪中的探测器，或另辟光路增加一个光强探测器。

优选的，在所述望远镜未被利用光瞳面积上的光的光路上，加入中性衰减片，使得探测器接收到的该光光强与所述两参数测量仪子孔中的光强相当。

有益效果：

(1)本发明的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，能够实时连续测量大气相干长度、等晕角和倾斜等晕角三参数，首次实现一个仪器同时测量湍流三参数。

(2)本发明的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，在现有两参数测量仪基础上测量第三参数，且仪器改动较少、易于实现，物尽其用、性价比高。

附图说明

图1为本发明所涉一种实施例的接收光瞳结构示意图。

图2为本发明所涉不同菲涅尔数下闪烁路径权重匹配均方根误差rmse曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-2所示，一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，包括以下步骤：

步骤1：选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；

步骤2：在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积(为叙述方便，该部分面积简称r)上的全部光强；

步骤3：结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。

优选的，对第三个参数倾斜等晕角的测量流程如下：

步骤1：设现有两参数测量仪两个子孔接收到的恒星光强值分别为i1和i2，光瞳面积上的光强为i3，则整个望远镜通光孔径(由于折反式望远镜光瞳中心存在次镜，该通光孔径是一个圆环)上的总光强为i0＝i1+i2+i3，计算圆环孔径上的相对光强起伏方差(简称孔径闪烁)：

其中括号<>代表统计平均，统计样本不低于200；

步骤2：将孔径闪烁转换为对数振幅起伏方差σ²χa：

步骤3：根据选定望远镜的口径d和di(分别为通光圆环的外径和内径，对于商业折反式望远镜，di/d一般约为1/3)，计算σ²χa的湍流路径权重w(u)及其最大值a：

其中，u＝z/l为归一化路径，jn为第一类n阶贝塞尔函数；fn为菲涅尔数d²/λ0l，λ0为探测波长，l＝h0secφ，其中h0为所取湍流大气层高度，一般取20km，φ为天顶角，通常要求天顶角φ小于45度；

步骤4：将以上计算所得的σ²χa、a代入下式计算倾斜等晕角θτa

其中，λc、dc为与倾斜等晕角对应的波长、孔径直径。

优选的，所述用于接收望远镜未被利用光瞳面积上全部光强的探测器可以是现有两参数测量仪中的探测器，或另辟光路增加一个光强探测器。

优选的，在所述望远镜未被利用光瞳面积上的光的光路上，加入中性衰减片，使得探测器接收到的该光光强与所述两参数测量仪子孔中的光强相当。

本发明的原理及依据是：大孔径接收的平面波相对光强起伏方差的归一化路径权重w(u)/a能近似匹配倾斜等晕角的路径权重u²，从而可以通过测量相对光强起伏方差来间接测量倾斜等晕角。即：

w(u)/a≈u²(13)

其中，a＝max[wc(u)]。

对于平面波在弱起伏条件下传输，根据经典湍流理论，孔径上对数振幅起伏协方差σ²χa可表示为

其中，w(u)为σ²χa的湍流积分路径权重，见公式(3)。已知倾斜等晕角θτa的表达式如下：

联立公式(5)-(7)可得θτa的测量公式(4)。

所述望远镜口径d和di的选定决定菲涅尔数fn，进而决定归一化湍流路径权重w(u)/a，从而影响w(u)/a与倾斜等晕角θτa的路径权重u²的匹配精度。数值计算表明，菲涅尔数fn越大，孔径闪烁路径权重w(u)/a与u²越匹配；fn小于8时，匹配精度很差，当fn大于8时，匹配精度显著提高，因而要求fn≥8。为满足该要求，d一般需≥300，即仪器主体需选取口径300及以上的望远镜。

在这里以匹配均方根误差rmse来评价匹配效果，rmse的计算方式为：

其中，n为数值计算中选取的路径等分段数，本次计算中取n＝1000。

望远镜口径d和di的选定决定菲涅尔数fn，进而影响孔径闪烁路径权重与湍流二阶矩路径权重的匹配精度。为此，我们计算了不同菲涅尔数下的匹配精度(用rmse描述)，如图2所示。从图中可看出，菲涅尔数fn越大，孔径闪烁路径权重w(u)/a与u²越匹配；fn小于8时，匹配精度很差，当fn大于8时，匹配精度显著提高，因而要求fn≥8。从匹配精度上来说，仪器主体望远镜口径d越大(fn与d²成正比)越好，但是考虑到仪器的便携性与性价比，口径d不能太大，市面上折反式望远镜口径一般不超过400mm。

本发明选用口径356mm的schmidt-cassegrain望远镜(型号：meada14"f/10lx200gps)作为接收主体，具体方法步骤如下：

按照已有成熟方法、搭建大气相干长度和等晕角测量仪，即在望远镜的前端上开两个118mm的子孔、子孔上装有楔镜，用ccd探测器在焦点处接收来自两子孔的光斑。两参数测量仪属于大气光学领域成熟设备，此处不详述。

如图1所示，1、2为两参数测量仪的子孔，中心黑色孔为次镜遮挡部分，灰色部分为两参数测量仪中未被利用的光瞳面积r。在r上放置透光介质(如玻璃、光学塑料等)，由于子孔1、2上有楔角相反的楔镜，通过1、2、r的光的偏折方向不同，最终在焦点处形成三个分开的光斑。因为面积r约是子孔1面积的六倍，为了充分利用探测器的响应范围，应该在合适的r光的光路上，加入中性衰减片，使得接收到的r光光强与子孔1、2的光强相当。

利用探测器得到三个区域的光强值后，再按发明内容中的倾斜等晕角测量流程即可得出倾斜等晕角。

本发明的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，能够实时连续测量大气相干长度、等晕角和倾斜等晕角三参数，首次实现一个仪器同时测量湍流三参数。

本发明的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，在现有两参数测量仪基础上测量第三参数，且仪器改动较少、易于实现，物尽其用、性价比高。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。