一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，该方法以大视场夏克‑哈特曼波前传感器得到的多个目标的子孔径斜率为输入，以大气总相干长度测量设备测量的大气总相干长度作为约束，获取分层大气湍流强度参数。本方法可以弥补传统太阳差分图像运动监测仪加(S‑DIMM+)方法导致的高层大气湍流强度被低估的不足，提高分层大气湍流强度参数测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法
本专利技术属于大气光学
，具体涉及一种基于大气总相干长度约束的分层大气湍流强度参数测量方法。
技术介绍
大气光学湍流随大气垂直高度的分布用大气折射率结构常数表征，也是多层共轭自适应光学(Multi-ConjugateAdaptiveOptics,MCAO)的核心知识，同时也是评价望远镜站址好坏的关键参数，测量结果可以用于优化系统参数，包括伺服闭环带宽、波前重构算法以及MCAO系统反射镜的共轭高度等。大气相干长度r0，是评价大气湍流特性的一个重要参数，大气折射率结构常数与大气相干长度r0之间的函数关系为：因此可以通过将大气湍流离散为有限数量的均匀薄层，并测量每层大气湍流层的局部大气相干长度r0(h)，从而得到大气折射率结构常数目前较为主流的用于夜间大气折射率结构常数的测量的方法为闪烁探测测距仪(ScintillationDetectionandRanging，SCIDAR，基于星光波前闪耀，ShepherdHW,OsbornJ,WilsonRW,etal.Stereo-SCIDAR:opticalturbulenceprofilingwithhighsensitivityusingamodifiedSCIDARinstrument[J].MonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSociety,2013,437(4):3568-3577.)和斜率探测测距仪(SLOpeDetectionAndRanging，SLODAR，基于波前斜率，ButterleyT,WilsonRW,SarazinM.DeterminationoftheprofileofatmosphericopticalturbulencestrengthfromSLODARdata[J].MonthlyNoticesoftheRoyalAstronomicalSociety,2006,369(2):835-845.)，但是这两种方法都不适用于白天大气湍流分层测量，因为太阳目标图像具有二维扩展结构。为了实现白天大气湍流分层测量，Scharmer&vanWerkhoven提出了太阳差分图像运动监测仪加(S-DIMM+，ScharmerGB,VanWerkhovenTIM.S-DIMM+heightcharacterizationofday-timeseeingusingsolargranulation[J].Astronomy&Astrophysics,2010,513:A25.)方法，该方法通过对太阳米粒结构的相对位移进行计算，从而在空间域内对白天大气折射率结构常数进行测量，该方法的优点是不受望远镜运动和跟踪误差的影响，同时该方法同时适用于夜间大气湍流参数测量。另外，Kellerer等人(2012)对部分系数进行了完善和改进。但这种S-DIMM+方法存在信噪比不足，会显著低估高层湍流层的湍流，表现为高层湍流层的局部大气相干长度r0(hn)会显著大于理论值，甚至变成无穷大，即该方法甚至可能无法测量出高层湍流层。这种缺陷会导致该方法得到一个不符合实际情况的大气湍流廓线，进一步地影响系统参数，包括：多层共轭自适应光学系统反射镜的共轭高度、系统伺服带宽和波前重构算法等，这将制约MCAO系统功能的发挥。根据以上背景可知，为了获得一种普遍应用的且对高层大气湍流层局部大气相干长度r0(hn)测量更为准确的测量方法，本专利技术方法提出一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，通过引入大气总相干长度r0作为约束条件，提高系统信噪比，改善高层大气层的局部大气相干长度r0(hn)的测量结果，从而改善大气折射率结构常数测量结果。本专利技术创新性和实用性明显。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决上述现有技术的不足，提出一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法。本专利技术采用的技术方案为：一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，该方法包括如下步骤：步骤(1)、记录连续M帧大视场夏克-哈特曼波前传感器图像，波前传感器子孔径排布，横跨望远镜瞳面直径的波前传感器子孔径数N，波前传感器子孔径直径D；步骤(2)、将单个子孔径图像分割出为多个目标，根据子孔径排布分别计算各个目标在各个子孔径斜率，并选择两个目标和两个子孔径，获取斜率差分协方差；步骤(3)、根据横跨望远镜瞳面直径的波前传感器子孔径数N，波前传感器子孔径直径D，两个目标的角度间隔，确定波前传感器可以探测的大气湍流层高度和层数，并获取空间结构函数；步骤(4)、大气总相干长度测量设备获取大气总相干长度r0，其中测量设备包括但不限于差分图像运动监测仪(DIMM)，太阳差分图像运动监测仪(S-DIMM)，将(大视场)夏克-哈特曼波前传感器等效于DIMM(或S-DIMM)；进一步，可以获取特定方向的大气总相干长度；步骤(5)、传统太阳差分图像运动监测仪加(S-DIMM+)方法只需获取步骤(2)的斜率差分协方差和步骤(3)的空间结构函数，本专利技术方法通过步骤(4)额外获取大气总相干长度r0，并通过这三个参数，采用拟合方法，获取每层大气湍流层的局部大气相干长度或含有局部大气相干长度的新参数；其中大气总相干长度r0与局部大气相干长度r0(hn)的关系为：通过引入该约束条件，可以提高系统信噪比，提高高层大气湍流强度测量精度，弥补传统S-DIMM+方法的不足；步骤(6)、由步骤(5)获取的局部大气相干长度或含有局部大气相干长度的新参数得到其它大气湍流参数，包括但不限于：大气折射率结构常数等晕角θ0。其中，步骤(2)的斜率差分协方差计算过程如下：(a)选择的两个目标：目标1和目标2，目标间的角度间隔为α。根据子孔径排布，选择两个子孔径：子孔径1和子孔径2，子孔径间的距离为s。子孔径中心点连线方向定义为x方向，垂直连线的方向定义为y方向，子孔径1的目标1定义为坐标原点0，子孔径1的目标2定义为坐标α，子孔径2的目标1定义为坐标s，子孔径2的目标2定义为坐标s+α；(b)获取目标1在子孔径1和子孔径2的x方向的斜率：x[1](0),x[1](s)，其中上标[1]表示目标1。获取目标2在子孔径1和子孔径2的x方向的斜率：x[2](α)，x[2](s+α)，其中上标[2]表示目标2。同理，y方向的斜率依次为：y[1](0),y[1](s),y[2](α)，y[2](s+α)；(c)获取目标1和目标2在x方向的斜率差分协方差：<δx[1](s,0)δx[2](s,α)>＝<(x[1](s)-x[1](0))(x[2](s+α)-x[2](α))>(12)获取目标1和目标2在y方向的斜率差分协方差：<δy[1](s,0)δy[2](s,α)>＝<(y[1](s)-y[1](0))(y[2](s+α)-y[2](α))>(13)其中，步骤(3)的波前传感器可以探测的大气湍流层高度hn依次为：0，D/α，…，(N-1)D/α，层数为N；步骤(3)的空间结构函数由参数s,α，D，hn确定，其中x方向的空间结构函数为cnF本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤(1)、记录连续M帧大视场夏克‑哈特曼波前传感器图像，波前传感器子孔径排布，横跨望远镜瞳面直径的波前传感器子孔径数N，波前传感器子孔径直径D；步骤(2)、将单个子孔径图像分割出多个目标，根据子孔径排布分别计算各个目标在各个子孔径斜率，并选择两个目标和两个子孔径，获取斜率差分协方差；步骤(3)、根据横跨望远镜瞳面直径的波前传感器子孔径数N，波前传感器子孔径直径D，两个目标的角度间隔，确定波前传感器可以探测的大气湍流层高度和层数，并获取空间结构函数；步骤(4)、大气总相干长度测量设备获取大气总相干长度r0，其中测量设备包括但不限于差分图像运动监测仪DIMM，太阳差分图像运动监测仪S‑DIMM，将夏克‑哈特曼波前传感器等效于DIMM或S‑DIMM；进一步，可以获取特定方向的大气总相干长度；步骤(5)、传统太阳差分图像运动监测仪加S‑DIMM+方法只需获取步骤(2)的斜率差分协方差和步骤(3)的空间结构函数，通过步骤(4)额外获取大气总相干长度r0，并通过这三个参数，采用拟合方法，获取每层大气湍流层的局部大气相干长度或含有局部大气相干长度的新参数；其中大气总相干长度r0与局部大气相干长度r0(hn)的关系为：...

【技术特征摘要】
1.一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤(1)、记录连续M帧大视场夏克-哈特曼波前传感器图像，波前传感器子孔径排布，横跨望远镜瞳面直径的波前传感器子孔径数N，波前传感器子孔径直径D；步骤(2)、将单个子孔径图像分割出多个目标，根据子孔径排布分别计算各个目标在各个子孔径斜率，并选择两个目标和两个子孔径，获取斜率差分协方差；步骤(3)、根据横跨望远镜瞳面直径的波前传感器子孔径数N，波前传感器子孔径直径D，两个目标的角度间隔，确定波前传感器可以探测的大气湍流层高度和层数，并获取空间结构函数；步骤(4)、大气总相干长度测量设备获取大气总相干长度r0，其中测量设备包括但不限于差分图像运动监测仪DIMM，太阳差分图像运动监测仪S-DIMM，将夏克-哈特曼波前传感器等效于DIMM或S-DIMM；进一步，可以获取特定方向的大气总相干长度；步骤(5)、传统太阳差分图像运动监测仪加S-DIMM+方法只需获取步骤(2)的斜率差分协方差和步骤(3)的空间结构函数，通过步骤(4)额外获取大气总相干长度r0，并通过这三个参数，采用拟合方法，获取每层大气湍流层的局部大气相干长度或含有局部大气相干长度的新参数；其中大气总相干长度r0与局部大气相干长度r0(hn)的关系为：通过引入该约束条件，可以提高系统信噪比，提高高层大气湍流强度测量精度，弥补传统S-DIMM+方法的不足；步骤(6)、由步骤(5)获取的局部大气相干长度或含有局部大气相干长度的新参数得到其它大气湍流参数，包括但不限于：大气折射率结构常数等晕角θ0。2.根据权利要求1所述的一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，其特征在于，步骤(2)的斜率差分协方差计算过程如下：(a)选择的两个目标：目标1和目标2，目标间的角度间隔为α；根据子孔径排布，选择两个子孔径：子孔径1和子孔径2，子孔径间的距离为s；子孔径中心点连线方向定义为x方向，垂直连线的方向定义为y方向，子孔径1的目标1定义为坐标原点0，子孔径1的目标2定义为坐标α，子孔径2的目标1定义为坐标s，子孔径2的目标2定义为坐标s+α；(b)获取目标1在子孔径1和子孔径2的x方向的斜率：x[1](0),x[1](s)，其中上标[1]表示目标1；获取目标2在子孔径1和子孔径2的x方向的斜率：x[2](α)，x[2](s+α)，其中上标[2]表示目标2；同理，y方向的斜率依次为：y[1](0),y[1](s),y[2](α)，y[2](s+α)；(c)获取目标1和目标2在x方向的斜率差分协方差：<δx[1](s,0)δx[2](s,α)>＝<(x[1](s)-x[1](0))(x[2](s+α)-x[2](α))>(1)获取目标1和目标2在y方向的斜率差分协方差：<δy[1](s,0)δy[2](s,α)>＝<(y[1](s)-y[1](0))(y[2](s+α)-y[2](α))>(2)。3.根据权利要求1或2所述的一种基于总大气相干长度约束的分层大气湍流强度测量方法，其特征在于，步骤(3)的波前传感器可以探测的大气湍流层高度hn依次为：0，D/α，…，(N-1)D/α，层数为N；步骤(3)的空间结构函数由参数s,α，D，hn确定，其中x方向的空间结构函数为cnFx(s,α,hn)，y方向的空间结构函数为cnFy(s,α,hn)，其中：cn＝0.32λ2r0(hn)-5/3Deff(hn)(3)Fx(s,α,hn)＝I((...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志勇，饶长辉，张兰强，孔林，鲍华，郭有明，饶学军，钟立波，朱磊，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51