CN101813523B - 移动信标大气相干长度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动信标大气相干长度测量装置及方法，由信标光源、光源载体、接收望远镜、转动云台、后继成像系统、模拟或数字CCD相机和计算机组成；测量时，将信标光源固定于光源载体上运动，光源发出的光经过湍流大气通过接受光学望远镜与后继成像系统在模拟或数字CCD相机的靶面上形成两个上下排列的光斑，经过转换的数字图像送入计算机进行处理，计算机根据数据处理结果控制模拟或数字CCD相机改变参数自动调节图像质量并完成目标的识别与提取，完成大气相干长度的测量。本发明使大气相干长度仪的工作范围得到极大拓展，有效的减少了因操作人员的水平差异引入的误差，测量结果更加真实可靠，极大的提高了大气相干长度仪的性能。

Description

移动信标大气相干长度测量方法

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体涉及一种能够快速自动跟踪并实时测量移动信标的光波在其传播路径上大气相干长度值的仪器与测量方法。

背景技术

大气相干长度能够描述光波在大气传输路径上的综合湍流强度。因此，在天文台选址、激光大气传输、自适应光学研究等应用领域常被作为一个非常重要的标定参量。

在实际应用中，大气光学的某些领域不仅需要获取整层大气与斜程固定路径上的相干长度值，而且需要对移动目标与测量点之间随时间变化的光波传播路径上的大气相干长度值进行测量。

目前的大气相干长度测量装置皆以静止(固定的碘钨灯)或近似静止(系留气球上的碘钨灯、恒星太阳)目标为光源进行测量，并使用手动微调使望远镜对准目标，但在有些应用中，光源需要固定在车辆或无人机等运动速度较快的载体上进行测量，这类光源的特点是运动速度较快且背景变化复杂，现有的依靠人工调节的大气相干长度仪已无法满足需要，这也对大气相干长度测量仪器及测量方法提出了更高的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种移动信标大气相干长度测量装置及方法，利用可编程控制的转动云台以及新颖的计算机数据处理算法，来解决对运动光源的自动跟踪测量问题，对激光大气传输的研究与应用作出必要贡献。

本发明的技术方案如下：

一种移动信标大气相干长度测量装置，由信标光源、光源载体、接收望远镜、转动云台、后继成像系统、模拟或数字CCD相机和计算机组成，其特征在于：所述信标光源固定安装在漂流于湍流大气中的光源载体上，所述的转动云台上安装有有接收望远镜，所述接收望远镜的后续光路上设置有连接为一体的后继成像系统和模拟或数字CCD相机，CCD连接在后继成像系统末端，所述的接收望远镜、后继成像系统和模拟或数字CCD相机处于同一条光路上；所述计算机分别与所述的转动云台、模拟或数字CCD相机电连接。

2、一种移动信标大气相干长度测量方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

(1)、将信标光源固定在光源载体上，然后将光源载体放飞到大气中，信标光源随光源载体以速度v漂流于湍流大气中；

(2)、启动计算机软件自动跟踪功能，控制云台调整实时位置，使接收望远镜对准信标光源的实时位置；

(3)、随光源载体漂流于湍流大气中的信标光源发出的光线通过接收望远镜接收，再通过后继成像系统，在模拟或数字CCD相机的靶面上形成的图像上有两个相似的光斑和若干个亮点，通过转动CCD相机将上述两个相似的光斑在图像上调整为上下排列，然后将整幅图像的数字信息，即每帧图像各像素点所对应的灰度值传输给计算机；

(4)、计算机统计出整幅图像的灰度值，并以灰度值大小为横坐标，以每个灰度值在整幅图像上的所占像素个数为纵坐标，绘制出整幅图像的灰度直方图，再根据灰度直方图中反映的灰度分布调节模拟CCD相机的图像采集卡亮度和对比度或数字CCD相机的曝光时间和增益，来区分光斑、亮点与背景图像的灰度值，把背景图像从光斑、亮点中分割出来，获得目标图像，即灰度值较大的部分对应的图像就是目标图像，目标图像包括真实目标图像和干扰目标图像，即光斑和亮点；

(5)、在整幅图像的灰度直方图中，选定背景图像对应灰度值与目标图像对应灰度值之间占像素个数较小的灰度值作为阈值，计算机搜索出所有灰度值大于阈值的目标图像，并统计各目标图像所占的像素个数、质心坐标和大致形状；

(6)、计算机剔除条形形状的目标图像，保留其余形状的目标图像，并两两计算二个目标图像之间的像素数差ΔNum和质心y坐标差Δy；若计算机保留n个目标，则需要计算

组像素数差ΔNum₁～ΔNum_N以及质心y坐标差Δy₁～Δy_N，并计算目标差异度Δ_δ，计算公式如下：

     Δ_δ＝α·ΔNum_δ+β·Δy_δ(1≤δ≤N)

其中，α、β为差异项权值，且α+β＝1；

(7)、选择最小差异度Δ_λ＝Min(Δ₁…Δ_N)对应的第λ组目标图像作为真实目标图像，即为光斑；

(8)、计算机连续采集数幅图像，根据真实目标图像中的一个光斑的移动速度及后继成像系统的焦距、模拟或数字CCD相机像素物理尺寸计算出光源载体运动的角速度，并通过计算机控制云台转速与光源载体运动的速度相匹配，实现对信标光源的自动跟踪；

(9)、按照步骤(4)、(5)、(6)、(7)、(8)进行反复测量，在一定时间间隔内，计算机采集得到N帧图像，设第i帧图像的两个光斑的中心距为b_i，则光斑质心抖动方差为：

则大气相干长度值r₀按以下计算公式计算并保存：

$r_0={\left\{\frac{2f^2{\mathrm{\λ}}^2[0.358D^{-\frac{1}{3}}-0.242{\mathrm{\μ}}^{-\frac{1}{3}}]}{(\stackrel{\‾}{B_i^2}-{\stackrel{\‾}{B}}_i^2)}\right\}}^{\frac{5}{3}}$

式中，f为望远镜焦距，单位为mm；D为两子瞳光阑的直径，单位为mm；μ为两子瞳光阑的中心间距，单位为mm，且μ≥2D；λ为平均波长，取值0.550μm。

本发明的有益效果：

(1)本发明使用闭环控制系统控制望远镜自动跟踪移动目标，使大气相干长度仪的工作范围得到极大拓展，为激光大气传输的研究作出了重大贡献；

(2)本发明将像质调节方式由人工改为自动，这样可以有效减少因操作人员的水平差异引入的误差，测量结果更加真实可靠；

(3)本发明中的抗干扰快速识别目标技术，极大的提高了大气相干长度仪的性能，使之能够在复杂的环境下正常工作，完成现有大气相干长度仪无法实现的测量任务，这对大气光学的研究有着非常重要的意义；

(4)本发明应用程序集成了故障自动诊断功能，能够指导操作人员迅速准确的发现并排除故障。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2是本发明的配套应用软件的工作界面。

图3为噪声干扰下的目标识别效果截图。

具体实施方式

参见图1、3，一种移动信标大气相干长度测量装置，由信标光源、光源载体、接收望远镜、转动云台、后继成像系统、模拟或数字CCD相机和计算机组成，信标光源固定安装在漂流于湍流大气中的光源载体上，转动云台上安装有有接收望远镜，接收望远镜的后续光路上设置有连接为一体的后继成像系统和模拟或数字CCD相机，接收望远镜、后继成像系统和模拟或数字CCD相机处于同一条光路上；计算机分别与转动云台、模拟或数字CCD相机电连接。

一种移动信标大气相干长度测量方法，具体包括以下步骤：

(1)、将信标光源固定在光源载体上，然后将光源载体放飞到大气中，信标光源随光源载体以速度v漂流于湍流大气中；

(2)、启动计算机软件自动跟踪功能，控制云台调整实时位置，使接收望远镜对准信标光源的实时位置；

(3)、随光源载体漂流于湍流大气中的信标光源发出的光线通过接收望远镜接收，再通过后继成像系统，在模拟或数字CCD相机的靶面上形成的图像上有两个相似的光斑和若干个亮点，将上述两个相似的光斑在图像上调整为上下排列，然后将整幅图像的数字信息，即每帧图像各像素点所对应的灰度值传输给计算机；

(4)、计算机统计出整幅图像的灰度值，并以灰度值大小为横坐标，以每个灰度值在整幅图像上的所占像素个数为纵坐标，绘制出整幅图像的灰度直方图，再根据灰度直方图中反映的灰度分布调节模拟CCD相机的图像采集卡亮度和对比度或数字CCD相机的曝光时间和增益，来区分光斑、亮点与背景图像的灰度值，把背景图像从光斑、亮点中分割出来，获得目标图像，即灰度值较大的部分对应的图像就是目标图像，目标图像包括真实目标图像和干扰目标图像，即光斑和亮点；

(5)、在整幅图像的灰度直方图中，选定背景图像对应灰度值与目标图像对应灰度值之间占像素个数较小的灰度值作为阈值，计算机搜索出所有灰度值大于阈值的目标图像，并统计各目标图像所占的像素个数、质心坐标和大致形状；

(6)、计算机剔除条形形状的目标图像，保留其余形状的目标图像，并两两计算二个目标图像之间的像素数差ΔNum和质心y坐标差Δy；若计算机保留n个目标，则需要计算

组像素数差ΔNum₁～ΔNum_N以及质心y坐标差Δy₁～Δy_N，并计算目标差异度Δ_δ，计算公式如下：

Δ_δ＝α·ΔNum_δ+β·Δy_δ(1≤δ≤N)

其中，α、β为差异项权值，且α+β＝1；

(7)、选择最小差异度Δ_λ＝Min(Δ₁…Δ_N)对应的第λ组目标图像作为真实目标图像，即为光斑；

(8)、计算机连续采集数幅图像，根据真实目标图像中的一个光斑的移动速度及后继成像系统的焦距、模拟或数字CCD相机像素物理尺寸计算出光源载体运动的角速度，并通过计算机控制云台转速与光源载体运动的速度相匹配，实现对信标光源的自动跟踪；

(9)、按照步骤(4)、(5)、(6)、(7)、(8)进行反复测量，在一定时间间隔内，计算机采集得到N帧图像，设第i帧图像的两个光斑的中心距为b_i，则光斑质心抖动方差为：

则大气相干长度值r₀按以下计算公式计算并保存：

$r_0={\left\{\frac{2f^2{\mathrm{\λ}}^2[0.358D^{-\frac{1}{3}}-0.242{\mathrm{\μ}}^{-\frac{1}{3}}]}{(\stackrel{\‾}{B_i^2}-{\stackrel{\‾}{B}}_i^2)}\right\}}^{\frac{5}{3}}$

式中，f为望远镜焦距，单位为mm；D为两子瞳光阑的直径，单位为mm；μ为两子瞳光阑的中心间距，单位为mm，且μ≥2D；λ为平均波长，取值0.550μm。

参见图2，以下结合具体实施例对本发明作进一步说明：

程序启动窗口左边栏依次显示计算机串口状态、望远镜连接状态、系统工作状态与跟踪状态；窗口右边栏分为系统控制按钮与测量结果显示区；窗口下边栏用于实时绘制测量曲线；中间区域为开窗显示区；在开始测量前，先点击“开始显示”按钮，实时显示CCD采集的图像；调节目标至窗口后点击“开始测量”，软件自动调节像质，判断、识别目标并开始测量，若不需要跟踪目标，可点击“望远镜连接”使指示变为红色，若需要跟踪，则再次点击“望远镜连接”按钮，待指示灯变绿后自动跟踪功能启动；当连续点击“望远镜连接”按钮后指示灯仍然为红色，则需检查望远镜与计算机之间的物理连接；工作状态栏指示了大气相干长度仪当前工作状态，正常测量时“正在测量”灯变绿，无法测量时，“正在测量”灯变灰，同时，程序自动判断可能的故障原因并使相应的故障指示灯变红，提示操作人员排除故障；测量结束后，点击“退出程序”按钮关闭测量软件，测量结果将自动以文本文档的形式保存在当前目录下。

Claims (1)

1.一种移动信标大气相干长度测量方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

(1)、将信标光源固定在光源载体上，然后将光源载体放飞到大气中，信标光源随光源载体以速度v漂流于湍流大气中；

(2)、启动计算机软件自动跟踪功能，控制云台调整实时位置，使接收望远镜对准信标光源的实时位置；

(3)、随光源载体漂流于湍流大气中的信标光源发出的光线通过接收望远镜接收，再通过后继成像系统，在模拟或数字CCD相机的靶面上形成的图像上有两个相似的光斑和若干个亮点，通过转动CCD相机将上述两个相似的光斑在图像上调整为上下排列，然后将整幅图像的数字信息，即每帧图像各像素点所对应的灰度值传输给计算机；

(4)、计算机统计出整幅图像的灰度值分布，并以灰度值大小为横坐标，以每个灰度值在整幅图像上的所占像素个数为纵坐标，绘制出整幅图像的灰度直方图，再根据灰度直方图中反映的灰度分布调节模拟CCD相机的图像采集卡亮度和对比度或数字CCD相机的曝光时间和增益，来区分光斑、亮点与背景图像的灰度值，把背景图像从光斑、亮点中分割出来，获得目标图像，即灰度值较大的部分对应的图像就是目标图像，目标图像包括真实目标图像和干扰目标图像，即光斑和亮点；

(5)、在整幅图像的灰度直方图中，选定背景图像对应灰度值与目标图像对应灰度值之间占像素个数较小的灰度值作为阈值，计算机搜索出所有灰度值大于阈值的目标图像，并统计各目标图像所占的像素个数、质心坐标和大致形状；

(6)、计算机剔除条形形状的目标图像，保留其余形状的目标图像，并两两计算二个目标图像之间的像素数差ΔNum和质心y坐标差Δy；若计算机保留n个目标，则需要计算

组像素数差ΔNum₁～ΔNum_N以及质心y坐标差Δy₁～Δy_N，并计算目标差异度Δδ，计算公式如下：

Δ_δ＝α·ΔNum_δ+β·Δy_δ

其中，1≤δ≤N，α、β为差异项权值，且α+β＝1；

(7)、选择最小差异度Δ_λ＝Min(Δ₁，...，Δ_N)对应的第λ组目标图像作为真实目标图像，即为光斑；

(8)、计算机连续采集数幅图像，根据真实目标图像中的一个光斑的移动速度及后继成像系统的焦距、模拟或数字CCD相机像素物理尺寸计算出光源载体运动的角速度，并通过计算机控制云台转速与光源载体运动的速度相匹配，实现对信标光源的自动跟踪；

(9)、按照步骤(4)、(5)、(6)、(7)、(8)进行反复测量，在一定时间间隔内，计算机采集得到N帧图像，设第i帧图像的两个光斑的中心距为b_i，则光斑质心抖动方差为：

则大气相干长度值r₀按以下计算公式计算并保存：

$r_0={\left\{\frac{2f^2{\mathrm{\λ}}^2[0.358D^{\frac{1}{3}}-0.242{\mathrm{\μ}}^{\frac{1}{3}}]}{(\stackrel{\‾}{B_i^2}-{\stackrel{\‾}{B}}_i^2)}\right\}}^{\frac{5}{3}}$

式中，f为望远镜焦距，单位为mm；D为两子瞳光阑的直径，单位为mm；μ为两子瞳光阑的中心间距，单位为mm，且μ≥2D；λ为平均波长，取值0.550μm。