CN102032950A - 一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，在滤光片和CCD接收面之间的中心光轴处安装有遮拦以实现全天通过观测恒星不间断测量整层大气相干长度，在图像处理时CCD成像关心区域上任意一个像素点的天空背景亮度值用其选定的上、下相邻像素区域天空背景亮度值的平均值来代替，可以实现实现天空的图像背景实时重构。

Description

一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法
技术领域
本发明涉及机械及光学设计领域，具体为一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法。
背景技术
大气相干长度仪是一种常用的光学仪器，目前大气相干长度仪在整层大气相干长度测量中应用很普遍，但是现有技术中的大气相干长度仪仅仅在夜晚可以直接测量整层大气相干长度，具有直接观测恒星全天不间断测量整层大气相干长度的仪器尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种白日观测恒星测量整层大气相干长度及其图像背景实时重构的方法，以解决现有技术的大气相干长度仪无法实现全天通过直接观测恒星测量整层大气相干长度的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，采用大气相干长度仪，所述大气相干长度仪包括望远镜、CCD，所述望远镜和CCD共系统光轴，所述望远镜前端为遮拦与楔镜，望远镜后端出光口与CCD接收面共光轴，在所述望远镜后端的出光口与CCD之间光轴处安装有滤光片，信号光经遮拦及楔镜后通过望远镜而后经过滤光片入射至CCD接收面，其特征在于：在所述滤光片和CCD接收面之间的中心光轴处安装有遮拦，所述遮拦靠近滤光片一端端头超出滤光片出射光在CCD接收面上的有效成像区域的最边缘光线与中心光轴的交点。
所述的一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，其特征在于：所述遮拦包括两部分，其中靠近滤光片的遮拦为圆柱形，靠近CCD接收面的遮拦为板形。
所述的一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，其特征在于：所述遮拦表面经过染黑处理、粗糙处理。
所述的一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，其特征在于：所述遮拦靠近CCD接收面一端端头与CCD接收面中心点的距离保证天空背景光在CCD接收面光轴附近图像背景亮度与两侧背景亮度差别在允许的范围内。
一种白日观测恒星图像背景实时重构方法，其特征在于：信号光依次经过大气相干长度仪的望远镜、滤光片后在CCD接收面上成像，在CCD接收面关心成像区域上任意一个像素点的天空背景亮度值可以用其上、下相邻有一定间距区域天空背景亮度值的平均值来代替。通过选取关心成像区域任意一个像素点的上、下相邻区域，用所述上、下相邻区域天空背景亮度值的平均值代替所述像素点的天空背景亮度值进行天空的图像背景实时重构。
所述的一种白日观测恒星图像背景实时重构方法，其特征在于：所述CCD接收面关心成像区域上任意一个像素点与其选取的上、下相邻区域的中心点间距与小区域的半径之和均大于信号光在CCD接收面上的成像光斑的直径。
本发明方法在滤光片和CCD接收面之间的中心光轴上设置有遮拦，通过在中心光轴处安装遮拦，可阻止中心光轴一侧入射的天空背景光照射到从中心光轴另一侧入射的星光成像处，同时在图像处理时通过某一像素点上、下相邻区域的天空背景亮度值的均值作为该像素点的天空背景亮度值，可以实现天空的图像背景实时重构。通过本发明方法，大气相干长度仪在夜晚直接观测恒星测量，白天采用光谱滤波技术以及通过光阑抑制天空背景后观测恒星测量，可实现全天通过观测恒星不间断测量整层大气相干长度。
附图说明
图1为大气相干长度仪结构示意图。
图2为遮拦安装原理图。
图3为遮拦安装示意图。
图4为实时重构图像背景示意图。
具体实施方式
如图1所示。全天通过观测恒星测量整层大气相干长度的装置，包括有成像系统和数据采集、处理系统。成像系统主要有滤光片1、遮拦2。采集系统包括CCD 5和计算机6，处理系统为计算机6，数据经CCD5采集后在计算机6进行处理获取实验结果。星光经过望远镜主镜前两楔镜4、光阑3后形成具有一定夹角的两束光；两光束经过望远镜系统7后于CCD5接收面聚集成两点。为抑制白天观测恒星时天空背景光的影响在CCD5与望远镜7之间安置有短波前截止滤波片1，为防止从光轴一侧入射的天空背景光照射到从光轴另一侧入射星光的成像区，在滤波片1与CCD5之间系统光轴线位置安装有与光轴线垂直的遮拦2；通过在系统中增加短波前截止滤波片1与遮拦2可明显减弱系统焦平面星光成像区域的天空背景光亮度，提高成像信噪比。针对白天观测恒星成像区域的背景亮度呈现小区域均匀的现象和增加遮拦后在成像区域光轴线附近对背景光有一定的影响，实际一像素点的天空背景值为Y方向该点两侧有一定间距的小区域亮度值的平均。通过该处理方式可实时重构天空背景，本发明实现了白天观测恒星测量整层大气相干长度。
星光经过望远镜7前两楔镜4及遮拦2后分成具有一定夹角的两束光，两束光在望远镜7焦点前经过短波前截止滤光片1在CCD5的接收面聚焦成两点。滤光片1将天空背景光短波部分大部分滤除；遮拦2安装在系统光路中心轴线处，可阻止光轴一侧入射的天空背景光照射到从光轴另一侧入射的星光成像处。
如图2、图3所示。抑制天空背景的遮拦安装原理为：
点X1、X4所在直线表示滤光片所在平面，点C1、C2所在直线表示系统焦平面。虚线MN表示系统中心光轴，M、N点分别为中心光轴与滤光片和系统焦平面的交点。点X1、X2和点X3、X4为滤光片所在平面被入射光束照射的范围，经过区域X1X2、X3X4的星光分别成像于区域C1N和NC2，点C1、C2表示系统最大视场，即恒星在系统焦平面成像区域的最大范围。B1、B2为CCD最大空间探测范围。天空背景光经过望远镜7后以较大的视场角照射到成像系统焦平面，其中从区域X1X2入射的天空背景光不仅可以照射从该区域入射的星光成像区域C1N处也可以照射到从区域X3X4入射星光的成像区域NC2处；即两束星光成像区域处的背景光为通过X1X2和X3X4的天空背景光叠加，这样对白天观测恒星不利。可通过在系统中心光轴处安置遮拦来避免从中心光轴一侧入射的天空背景光照射到中心光轴另一侧入射星光的成像区域，这样星光成像区域的天空背景光可明显减弱。
中心光轴处遮拦要求弯曲要小，遮拦表面需经过染黑处理以增加对天空背景光的吸收；遮拦表面需经过粗糙处理以减少天空背景光照射到遮拦后对成像区域的反射。
抑制天空背景的遮拦安装方式：
实际实验过程中采用开窗口技术，星光成像区域C1C2小于CCD5靶面区域B1B2。要阻止经过区域X1X2的天空背景光照射到经过区域X3X4星光成像区域NC2处，需要从N处开始沿着中心光轴向点M方向延伸来安置遮拦。要使遮拦能够实现点C2处不受从区域X1X2入射的天空背景光影响，遮拦需要超过点Y1，其中Y1为光线X2C2与中心光轴的交点。在接近CCD5靶面端，由于两光束在焦平面的间距为2-3毫米并且由于湍流影响造成光束扩展使光束具有一定的直径，而遮拦具有一定的厚度，因此实际安装时遮拦靠近CCD5靶面的一端(点Y2)不能无限接近CCD5靶面。如果距离CCD5靶面较近，由于遮拦厚度的原因遮光，会在CCD探测面形成以中心光轴为中心的暗带。如果距离CCD5靶面较远，则会有一部分天空背景光可以越过中轴线照射到另一侧，在CCD5探测面形成以中心光轴为中心的亮带。实际安装过程中可通过调整光阑与CCD探测面间距实现天空背景光在CCD接收面光轴附近图像背景亮度与两侧背景亮度差别在允许的范围内。
如图4所示。背景的实时重构：
观测恒星测量整层大气相干长度需要实时重构单帧数据的背景以获取两星像在CCD5成像面的位置。由于天空背景的亮度在整个成像区域具有一定的空间不均匀性，而在较小的范围内可以认为是亮度均匀，因此一点的天空背景亮度值可以用其邻域点亮度的平均来代替。两星像位于中心光轴的两侧，以两星像连线方向为X方向，与连线垂直的方向为Y方向，中心光轴为Z方向；由于在X方向由于遮拦的影响造成光轴附近呈现Y方向背景均匀而X方向不均匀，虽然中心轴线两侧小区域作为系统盲区不处理但背景在X方向背景亮度不满足小范围均匀，因此实际一像素点的天空背景值为Y方向该点两侧有一定间距的小区域亮度值的平均。如图四所示，圆D表示大小为星像成像区域直径的范围，点B处的背景值为点A、C两处小区域天空背景值的平均，其中AB或BC两点间距与A区域或B区域半径之和要大于星光成像光斑的直径。该重构方式具有快速的优点，可实现天空背景的实时重构。

Claims (6)

1.一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，采用大气相干长度仪，所述大气相干长度仪包括望远镜、CCD，所述望远镜和CCD共系统光轴，所述望远镜前端为遮拦与楔镜，望远镜后端出光口与CCD接收面共光轴，在所述望远镜后端的出光口与CCD之间光轴处安装有滤光片，信号光经遮拦及楔镜后通过望远镜而后经过滤光片入射至CCD接收面，其特征在于：在所述滤光片和CCD接收面之间的中心光轴处安装有遮拦，所述遮拦靠近滤光片一端端头超出滤光片出射光在CCD接收面上的有效成像区域的最边缘光线与中心光轴的交点。
2.根据权利要求1所述的一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，其特征在于：所述遮拦包括两部分，其中靠近滤光片的遮拦为圆柱形，靠近CCD接收面的遮拦为板形。
3.根据权利要求1所述的一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，其特征在于：所述遮拦表面经过染黑处理、粗糙处理。
4.根据权利要求1所述的一种通过白日观测恒星测量整层大气相干长度的方法，其特征在于：所述遮拦靠近CCD接收面一端端头与CCD接收面中心点的距离保证天空背景光在CCD接收面光轴附近图像背景亮度与两侧背景亮度差别在允许的范围内。
5.一种白日观测恒星图像背景实时重构方法，其特征在于：信号光依次经过大气相干长度仪的望远镜、滤光片后在CCD接收面上成像，在CCD接收面关心成像区域上任意一个像素点的天空背景亮度值可以用其上、下相邻有一定间距区域天空背景亮度值的平均值来代替。通过选取关心成像区域任意一个像素点的上、下相邻区域，用所述上、下相邻区域天空背景亮度值的平均值代替所述像素点的天空背景亮度值进行天空的图像背景实时重构。
6.根据权利要求5所述的一种白日观测恒星图像背景实时重构方法，其特征在于：所述CCD接收面关心成像区域上任意一个像素点与其选取的上、下相邻区域的中心点间距与小区域的半径之和均大于信号光在CCD接收面上的成像光斑的直径。
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