CN104537180B - 天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法，设有配置参数模块、光波在大气中传播模块、光学仪器物理模块、探测器模块、数据处理模块和运行方案模块：在配置参数模块中配置模拟输入条件；光学仪器跟踪各自目标；在运行方案模块中编写命令流控制文件；启动运行，分别执行以下模块：大气光学模块、光学仪器模块、探测器模块、数据处理模块；对模块设计加速算法；在CPU上实现主要控制逻辑算法，在GPU上实现并行度高、数据吞吐量大的算法。本发明具有扩展性；可搭建虚拟实验平台，实现数值模拟天文选址大气光学湍流测量仪间的性能对比；设计加速算法，实现湍流监测仪器的实时仿真，主要控制逻辑算法在计算机CPU上实现。

Description

天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体涉及天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法。采用该方法可以搭建虚拟实验平台，一方面可以仿真天文选址大气光学参数测量仪的实际工作过程，另一方面可以数值模拟多种天文选址大气光学湍流测量仪间的性能对比，为其实际对比试验提供参考。

背景技术

天文选址是国际天文界发展的重要领域之一，其理论研究和实测技术在近十几年中得到快速发展。天文选址目的：利用小型望远镜获得天文观测成果，实际检验台址条件，避免直接投入大型天文设备的风险，同时提升国际显示度和社会影响力。

天文光学湍流是天文选址中需要评估、测量的重要参数之一。目前主要有两种方法直接测量天文光学湍流。一种利用光波波前相位起伏，包括波前法向光程差（piston）、波前倾斜(tip-tilt)和波前离焦(defocus)等起伏。另一种利用光波波前闪耀。两种方法的观测目标包括恒星、月亮和太阳。

目前天文选址光学参数测量仪主要有：差分图像运动测量仪（DifferentialImage Motion Monitor, DIMM，基于星光波前倾斜起伏）和广义视宁度测量仪（Generalized Seeing Monitor, GSM，基于星光波前倾斜起伏）、干涉视宁度测量仪（Interferential Seeing Monitor, ISM，基于星光波前法向光程差起伏）、快速离焦测量仪（Fast Defocus，FADE，基于星光波前离焦起伏）、多孔径闪耀传感器（Multi-ApertureScintillation Sensor, MASS, 基于星光波前闪耀）和单星闪耀仪（ScintillationDetection and Ranging, SCIDAR，基于星光波前闪耀）、外尺度廓线仪（Monitor of OuterScale profile，MOSP，基于月亮边缘的光波波前倾斜起伏）和月亮边缘廓线仪（Profilerof Moon Limb,PML，基于月亮边缘的光波波前倾斜起伏）等。

数值模拟技术是考察天文选址大气光学湍流测量仪性能的重要方法。国际天文选址工作组都用数值模拟技术仿真天文选址大气光学湍流测量仪。例如，托洛洛山美洲际天文台（Cerro Tololo Inter-American Observatory，CTIO）天文选址工作组利用数值模拟技术研究DIMM、MASS和FADE的性能。南极冰穹C（Dome C）天文选址工作组利用数值模拟技术研究MOSP和PML的性能。但国际和国内天文选址工作组都没有提供统一数值模拟平台，用于上述的天文选址大气光学湍流测量仪性能的模拟。本发明提供虚拟实验平台，可实现数值模拟多种天文选址大气光学湍流测量仪间的性能对比，为实际对比试验提供参考。

具体地说，现有技术存在下述问题：

（1）现有技术没有提供统一数值模拟平台用于多种天文选址大气光学湍流测量仪的性能模拟；

（2）现有技术无法实现数值模拟更多天文选址大气光学湍流测量仪间的性能对比；

（3）现有技术模拟速度一直是瓶颈。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法。该方法能够解决：（1）提供统一数值模拟平台用于多种天文选址大气光学湍流测量仪的性能模拟；（2）实现数值模拟更多天文选址大气光学湍流测量仪间的性能对比；（3）提高模拟速度，解决模拟速度的瓶颈问题。

本发明中所提及的一种天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法，该方法设有以下模块：配置参数模块、大气光学模块（光波在大气光学湍流中传播模块）、光学仪器模块（光学仪器物理模块）、探测器模块、数据处理模块和运行方案模块；其特征在于如下步骤：

⑴.在配置参数模块中，配置模拟输入条件；

⑵. 光学仪器跟踪各自目标, 其目标包括：恒星、太阳或月亮；每个目标具有对应的唯一标识号; 光学仪器除了自身属性外，附有目标和探测器属性，并具有对应的唯一标识号；

⑶. 配置大气光学湍流：配置大气光学湍流层高度分布，湍流权重高度分布，风速和风向高度分布，及相位屏；

⑷. 在运行方案模块中，编写命令流控制文件；

⑸. 启动运行，并顺序执行如下三个模块：

(a). 执行大气光学模块：依据光学仪器属性和大气光学湍流属性，采用相位屏技术和菲涅尔衍射方法，模拟目标光波在大气光学湍流中传播，并到达相应的光学仪器入瞳处；

(b). 执行光学仪器模块：依据光学仪器属性，采用夫琅和费衍射或菲涅尔衍射方法，模拟光学仪器功能；

(c). 执行探测器模块：依据光学仪器属性，采用光波能量粒子化方法，模拟探测器功能；

⑹. 执行数据处理模块：依据光学仪器属性，采用相应的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时也输出性能对比结果；

⑺. 对上述步骤调用的模块，设计加速算法；

⑻. 在计算机CPU上实现主要控制逻辑算法，在图形处理器(GraphicsProcessing Unit, GPU)上实现并行度高、数据吞吐量大的算法。

更优化和更具体地说，各步骤的操作方法是：

步骤⑴.在配置参数模块中，配置模拟输入条件：所述的多台光学仪器可以重复，但其位置或高度必需不同；

步骤⑵.软件为各光学仪器指定对应的唯一标识号。光学仪器跟踪各自目标，其目标可以相同。光学仪器配有探测器。即光学仪器除了自身属性外，附有目标和探测器属性，并具有对应的唯一标识号。另一方面，可以配置大气光学湍流层高度分布，湍流权重高度分布，风速和风向高度分布，其中湍流权重高度分布可以人工配置或由大气光学湍流分布模型自动生成。软件为大气光学湍流指定对应的唯一标识号。大气光学湍流配有相位屏模拟方法，即附有相位屏属性。

步骤⑶.在运行方案模块中，编写命令流控制文件。检查配置参数的一致性，检查整个流程，初始化观测目标、大气湍流和监测仪器。

步骤⑷. 启动运行，并顺序执行如下三个模块：

(a). 执行大气光学模块。依据光学仪器属性和大气光学湍流属性，采用相位屏技术和菲涅尔衍射方法，模拟目标光波在大气光学湍流中传播，并到达相应的光学仪器入瞳处。

b). 执行光学仪器模块。依据光学仪器属性，采用夫琅和费衍射或菲涅尔衍射方法，模拟光学仪器功能。

c). 执行探测器模块。依据光学仪器属性，采用光波能量粒子化方法，模拟探测器功能。

步骤⑸. 执行数据处理模块。依据光学仪器属性，采用相应的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时也输出性能对比结果。

步骤⑹. 对上述步骤调用的模块，设计加速算法；

步骤⑺. 在计算机CPU上实现主要控制逻辑算法，在GPU上实现并行度高、数据吞吐量大的算法。

以上方案中，对所述的各模块的进一步说明是：

(1) 配置参数模块：提供数字模拟方法的输入参数，包括目标天体信息、大气光学湍流信息、光学仪器信息、探测器信息、相位屏信息、以及其它必需的参数信息。

(2) 光波在大气中传播模块：提供相位屏模拟方法、相位屏到光波波前投影的模拟方法，光波在湍流层间传播的模拟方法。

(3) 光学仪器物理模块：提供天文选址大气光学参数测量仪的光学仪器物理模型，包括模拟薄透镜成像的夫琅和费衍射方法、模拟光场在自由空间传播的菲涅尔衍射方法、模拟瞳孔配置的瞳孔分割和瞳孔函数的方法、像平面插值配比CCD的方法。

(4) 探测器模块：提供能量粒子化方法、依据探测器类型添加噪声。

(5) 数据处理模块：提供天文选址大气光学参数测量仪的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时输出性能对比结果。

(6) 运行方案模块：编写命令流控制上述步骤的执行，检查配置参数的一致性，实现不同仪器在不同条件下监测的实时仿真。

本发明的方法是针对天文选址大气光学参数测量仪。这些测量仪包括DIMM、GSM、ISM、FADE、MASS、SCIDAR、MOSP和PML等，并且其光学参数也模拟输入条件之一。

本发明的优点：（1）具有扩展性，以上各模块均可增加新的内容；（2）可以搭建虚拟实验平台，实现数值模拟天文选址大气光学湍流测量仪间的性能对比；（3）设计加速算法，实现湍流监测仪器的实时仿真，主要控制逻辑算法在计算机CPU上实现，而并行度高、数据吞吐量大的算法在GPU上实现，例如快速变化的大范围大气湍流相位屏模拟等。

附图说明

图1是本发明的实施结构框图。

图2是本发明的实施结构框图中各模块的具体组成。

图3是本发明的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明主要由配置参数模块、运行方案模块、大气光学湍流遥感模块和数据处理模块的功能实现，其中所述的大气光学湍流遥感模块包括大气光学模块、光学仪器模块和探测器模块。上述功能模块的具体组成，如图2所示如下：配置参数模块包括目标表、大气光学湍流信息、光学仪器表、探测器表、相位屏表、以及其他参数；其中目标表包括恒星的亮度和光谱类型、月亮和太阳的角直径、亮度和光谱；其中大气光学湍流信息包括模拟使用的湍流模型（例如Hufnagel模型）、湍流层高度分布和权重、风速和风向高度分布；其中光学仪器表包括DIMM、GSM、ISM、FADE、MASS、SCIDAR、MOSP和PML的光学参数和光谱响应、位置和高度；其中探测器表包括光电倍增管(PMT)、雪崩光二极管(APD)和电荷耦合器(CCD)的几何参数和光谱响应；相位屏表为随机相位屏的数值模拟方法列表，包括快速傅立叶方法(Fast Fourier Transform, FFT)、子谐波-快速傅立叶方法(Sub-Harmonic Fast Fourier Transform, SH-FFT)、半正则方法(Semi-regular)、多尺度方法(Multi-scale)、协方差矩阵方法(Covariance)、快速傅立叶-协方差矩阵方法(FFT-Covariance)和稀疏谱方法(Sparse spectrum)等；其中其他参数包括入瞳面采样网格、参考光波波长、参考归一化系统光谱响应、参考目标、参考目标天顶角、曝光时间和天体边缘模型。大气光学模块包括相位屏的数值模拟方法、相位屏到光波波前几何投影的方法，光波在湍流层间传播的菲涅尔衍射方法。光学仪器模型包括薄透镜成像的夫琅和费衍射方法、光场在自由空间传播的菲涅尔衍射方法、瞳孔配置的瞳孔分割和瞳孔函数（包含光学仪器像差）的方法、像平面的插值配比CCD网格的方法。探测器模块包括光波能量粒子化方法、依据探测器类型添加噪声的方法（例如添加光子计数型PMT的噪声主要为光子噪声，其服从泊松分布，因此可以添加泊松噪声模拟其实际噪声；CCD的噪声主要为读出噪声，其服从高斯分布，因此可以添加高斯噪声模拟其实际噪声）。数据处理模块包括DIMM、GSM、ISM、FADE、MASS、SCIDAR、MOSP和PML的数据处理方法，采用友好的数据格式，输出模拟结果，同时也输出性能对比结果。运行方案模块包括检查配置参数的一致性、控制上述功能模块的执行。对上述模块，设计加速算法，实现湍流监测仪器的实时仿真。主要控制逻辑算法在计算机CPU上实现，而并行度高、数据吞吐量大的算法在GPU上实现，从而提高模拟速度。

如图1、图2和图3，本发明步骤如下：

在配置参数模块中，配置模拟输入条件。一方面，可以选择多台光学仪器（光学仪器可以重复，但其位置或高度必需不同），软件为各光学仪器指定对应的唯一标识号。光学仪器跟踪各自目标，其目标可以相同。光学仪器配有探测器。即光学仪器除了自身属性外，附有目标和探测器属性，并具有对应的唯一标识号。另一方面，可以配置大气光学湍流层高度分布，湍流权重高度分布，风速和风向高度分布，其中湍流权重高度分布可以人工配置或由大气光学湍流分布模型自动生成。软件为大气光学湍流指定对应的唯一标识号。大气光学湍流配有相位屏模拟方法，即附有相位屏属性。

在运行方案模块中，编写命令流控制文件。检查配置参数的一致性，检查整个流程，初始化观测目标、大气湍流和监测仪器。启动运行，并顺序执行如下三个模块

(a). 执行大气光学模块。依据光学仪器属性和大气光学湍流属性，采用相位屏技术和菲涅尔衍射方法，模拟目标光波在大气光学湍流中传播，并到达相应的光学仪器入瞳处。

(b).执行光学仪器模块。依据光学仪器属性，采用夫琅和费衍射或菲涅尔衍射方法，模拟光学仪器功能。

(c).执行探测器模块。依据光学仪器属性，采用光波能量粒子化方法，模拟探测器功能。

执行数据处理模块。依据光学仪器属性，采用相应的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时也输出性能对比结果。

对上述步骤调用的模块，设计加速算法，在计算机CPU上实现主要控制逻辑算法，在GPU上实现并行度高、数据吞吐量大的算法。

Claims (4)

1.一种天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法，该方法设有以下模块：配置参数模块、大气光学模块、光学仪器模块、探测器模块、数据处理模块和运行方案模块；其特征在于，步骤如下：

⑴. 在配置参数模块中，配置模拟输入条件；

⑵. 光学仪器跟踪各自目标，其目标包括：恒星或月亮，光学仪器除了自身属性外，附有目标和探测器属性，并具有对应的唯一标识号；

⑶. 配置大气光学湍流：大气光学湍流层高度分布、湍流权重高度分布、风速和风向高度分布；

⑷. 在运行方案模块中，编写命令流控制文件；

⑸. 启动运行，并顺序执行如下三个模块：

(a). 执行大气光学模块：依据光学仪器属性和大气光学湍流属性，采用相位屏技术和菲涅尔衍射方法，模拟目标光波在大气光学湍流中传播，并到达相应的光学仪器入瞳处；

(b). 执行光学仪器模块：依据光学仪器属性，采用夫琅和费衍射或菲涅尔衍射方法，模拟光学仪器功能；

(c). 执行探测器模块：依据光学仪器属性，采用光波能量粒子化方法，模拟探测器功能；

⑹. 执行数据处理模块：依据光学仪器属性，采用相应的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时也输出性能对比结果；

⑺. 对上述步骤调用的模块，设计加速算法；

⑻. 在计算机CPU上实现主要控制逻辑算法，在GPU上实现并行度高、数据吞吐量大的算法。

2.根据权利要求1所述的天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法，其特征在于，各步骤的具体操作方法是：

⑴. 在配置参数模块中，配置模拟输入条件：选择多台光学仪器，所述的多台光学仪器可以重复，但其位置或高度必需不同；

⑵. 软件为各光学仪器指定对应的唯一标识号：光学仪器跟踪各自目标；光学仪器配有探测器；光学仪器除了自身属性外，附有目标和探测器属性，并具有对应的唯一标识号；

⑶. 软件为大气光学湍流指定对应的唯一标识号：配置大气光学湍流层高度分布，湍流权重高度分布，风速和风向高度分布，其中湍流权重高度分布可以人工配置或由大气光学湍流分布模型自动生成；大气光学湍流配有相位屏模拟方法；

⑷. 在运行方案模块中，编写命令流控制文件：检查配置参数的一致性，检查整个流程，初始化观测目标、大气湍流和监测仪器；

⑸. 启动运行，并顺序执行如下三个模块：

(a). 执行大气光学模块：依据光学仪器属性和大气光学湍流属性，采用相位屏技术和菲涅尔衍射方法，模拟目标光波在大气光学湍流中传播，并到达相应的光学仪器入瞳处；

(b). 执行光学仪器模块：依据光学仪器属性，采用夫琅和费衍射或菲涅尔衍射方法，模拟光学仪器功能；

(c). 执行探测器模块：依据光学仪器属性，采用光波能量粒子化方法，模拟探测器功能；

⑹. 执行数据处理模块：依据光学仪器属性，采用相应的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时也输出性能对比结果；

⑺. 对上述步骤调用的模块，设计加速算法；

⑻. 在计算机CPU上实现主要控制逻辑算法，在GPU上实现并行度高、数据吞吐量大的算法。

3.根据权利要求1所述的天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法，其特征在于，所述的各模块的进一步说明是：

配置参数模块：提供数字模拟方法的输入参数，包括目标天体信息、大气光学湍流信息、光学仪器信息、探测器信息、相位屏信息、以及其它必需的参数信息；

执行大气光学模块：提供相位屏模拟方法、相位屏到光波波前投影的模拟方法，光波在湍流层间传播的模拟方法；

光学仪器模块：提供天文选址大气光学参数测量仪的光学仪器物理模型，包括模拟薄透镜成像的夫琅和费衍射方法、模拟光场在自由空间传播的菲涅尔衍射方法、模拟瞳孔配置的瞳孔分割和瞳孔函数的方法、像平面插值配比CCD的方法；

探测器模块：提供能量粒子化方法、依据探测器类型添加噪声；

数据处理模块：提供天文选址大气光学参数测量仪的数据处理方法，以友好的数据格式，输出模拟结果，同时输出性能对比结果；

运行方案模块：编写命令流控制上述步骤的执行，检查配置参数的一致性，实现不同仪器在不同条件下监测的实时仿真。

4.根据权利要求1-3之一所述的天文选址大气光学参数测量仪的数值模拟方法，其特征在于，所述的天文选址大气光学参数测量仪包括：DIMM、GSM、ISM、FADE、MASS、SCIDAR、MOSP和PML。