CN106596065A - 一种最劣镜面视宁度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种最劣镜面视宁度的测量方法，包括：步骤（1）、测量一年周期内望远镜运行期间的镜面、镜体附属结构和空气的温度数据，获取镜面与空气温差绝对值最大时的镜面温度分布、镜体附属结构表面温度和空气温度；测量一年周期内望远镜运行期间的风速和风向数据，获取风速最小值及对应的风向；步骤（2）、测量望远镜所处站址的大气压强参数，测量镜体及镜体附属结构的尺寸参数；步骤（3）、计算镜体周围空气温度场：步骤（4）、计算最劣镜面视宁度；本发明利用Fluent计算结果的节点温度值，直接获取镜面视宁度，大幅度降低了镜面视宁度的计算难度。

Description

一种最劣镜面视宁度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种视宁度的测量方法，特别涉及一种最劣镜面视宁度的测量方法，属于天文望远镜参数测量领域。

背景技术

天文望远镜是用于天文实测研究的主要光学观测仪器。由于各种因素的限制，目前国内大部分天文望远镜都是地基式天文望远镜。地基式天文望远镜运行时，望远镜镜面与空气有温差并在镜面前方的光路中产生的空气湍流，空气湍流的存在引起空气密度和折射率变化使得光波波前改变，地基式天文望远镜受镜面空气湍流影响而产生的像质衰减程度称之为镜面视宁度。目前地基式天文望远镜对口径和分辨率的追求已经发展到一个新的阶段，望远镜自身引起的空气湍流对像质的影响变得更为突出。天文学家通过较差视宁度仪等设备测量望远镜光路上整个大气层的视宁度，通过地表空气的高度方向上布置多套微温脉动仪测量近地面视宁度。为了获取镜面附近空气的实时视宁度参数需要在镜面前方搭建多套微温脉动仪，该方法成本高，搭建难度大且微温脉动仪本身对镜面视宁度有较大干扰。

基于计算流体动力学的镜面视宁度测量法具有成本低，难度小等优势。2016年中国科学院光电技术研究所基于计算流体动力学，采用传统的透射型光学元件计算热致像差的方法，计算镜面空气的热致像差，利用热致像差间接反应镜面空气湍流对像质的影响。空气是流体，与透射型光学元件有本质差异，该方法有局限性。

Konstantinos Vogiatzis给出一种镜面视宁度计算方法：将待计算的空气区域分成若干层六面体子块，利用计算流体动力学给出各子块的温度场，获其折射率和光路光程函数，基于光程函数得出各子块的折射率。各子块折射率做系统平均得出折射率结构函数，对折射率结构系数进行积分获取镜面视宁度。该方法需要将空气严格划分成六面体子块且以各子块单元为计算折射率结构函数，六面体划分难度大，且计算方法繁琐、复杂。Konstantinos Vogiatzis没有考虑最劣镜面视宁度和镜面的温度空间分布对镜面视宁度的影响。

发明内容

为了克服现有技术在测量镜面视宁度方面的不足以及不能测量最劣镜面视宁度，本发明提供了一种最劣镜面视宁度的测量方法，包括以下步骤：

步骤(1)、测量一年周期内望远镜运行期间的镜面、镜体附属结构和空气的温度数据，获取镜面与空气温差绝对值最大时的镜面温度分布、镜体附属结构表面温度和空气温度；测量一年周期内望远镜运行期间的风速和风向数据，获取风速最小值及对应的风向；

步骤(2)、测量望远镜所处站址的大气压强参数，测量镜体及镜体附属结构的尺寸参数；

步骤(3)、根据镜体和附属结构的材质与尺寸参数，借助Fluent软件建立镜体、周边附属结构和周围空气模型，基于步骤(1)和(2)的测量数据，计算镜体周围空气的温度场；

步骤(4)、计算最劣镜面视宁度：

以镜面中心为初始高度，沿镜面法线方向，划分n₀个分层面S_i(i＝1,2,3....n₀)，对镜面前方空气进行分层，每层空气厚度为Δ_Z；分层面S_i中的节点总数设为n₁，依次读取每一分层面S_i的每一个节点N_ij(j＝1,2,3...n₁)，以节点N_ij为圆心，分别以R±Δ_r为内、外半径做圆，环带内的节点总数设为n₂，分别称为N_k(k＝1,2,3...n₂)。依次读取节点N_ij和N_k的温度值，并赋值给T_ij和T_k；利用公式(1)-(3)，

计算每个分层面S_i的温度结构系数D_i、折射率结构系数C_i和镜面最劣视宁度r_m，其中λ为望远镜工作波段的中间值，单位为米；R小于镜面半径、大于镜面半径的四分之一，Δ_r小于R的二分之一，大于镜面半径的百分之一；P为望远镜站址的大气压强，单位为帕。

进一步地，所述步骤(1)中，镜面温度分布测量是将测温装置的温度探头置入方体导热硅胶内，靠近导热硅胶方体下表面，方体导热硅胶下表面粘附在镜面上。一套测温装置与一个方体导热硅胶构成一个测温单元，每个测温单元的导热硅胶方体具有相同的形状和大小。

进一步地，沿镜面径向布置33个测温单元，同时获取33个温度值。

进一步地，所述步骤(1)中，所述空气温度为望远镜站址附近的气温，所述镜体附属结构为用于镜体定位的支撑机械结构。

进一步地，所述步骤(3)中，计算镜体周围空气的温度场包括：设置测量的风速最小值作为速度入口的边界参数、设置温差最大值时的镜面和镜体附属结构表面的实测温度作为温度边界参数、设置空气温度作为有限元计算的初始温度、设置实测气温数据对应的空气密度为计算时的操作密度、设置测量的大气压强作为计算时的操作压强、选择符合镜体周边实际环境的Fluent计算模式，进行流固耦合计算。

进一步地，所述步骤(3)中，把操作温度设置为气温值；操作压强为望远镜站址的大气压强；操作密度为气温等于所测温度时的空气密度；计算模式为开启能量方程模式；采用自然对流的boussinesq模型；湍流模型采用standard k-ε模型；计算方法的压力速度耦合采用压力基耦合求解器(PBCS)；计算方法空间离散化的变量梯度差值采用Green-GaussNode-Based方法；压力梯度差值采用标准模式；动量梯度差值采用second order upwind；湍动能和湍动能耗散率采用First order upwind模式；初始化设置采用混合初始化HybridInitialization方法。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)、与Konstantinos Vogiatzis镜面视宁度计算方法相比，本发明不需要对空气域进行严格的六面体子块划分，且不需要在空气子块折射率计算的基础上计算折射率结构系数。本发明利用Fluent计算出的空气温度场直接获取镜面视宁度，大幅度降低了镜面视宁度的计算难度；

(2)、基于一年周期内望远镜运行期间的环境参数实测，通过测量镜面与空气温差最大值时的镜面热环境边界参数获取最劣镜面视宁度，本发明获取的最劣镜面视宁度参数对镜面热控设计具有指导作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为测温单元的结构示意图；

图2为本发明的测温单元在镜面的分布示意图；

图3为温差绝对值最大时的镜面温度分布图；

图4为镜体、镜体附属结构和周围空气域模型图；

图5为Fluent计算获得的温度场图；

图6为镜面前方空气各个分层面的温度结构系数的曲线图；

图7为镜面前方空气各个分层面的折射率结构系数的曲线图；

图中，1-测温探头、2-方体导热硅胶、3-镜面、4-测温单元、5-镜体附属结构、6-长方体状空气域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的方法包括如下步骤：

步骤(1)、测量一年周期内云南天文台一台天文望远镜运行期间的镜面、镜体附属结构和空气的温度数据，获取镜面与空气温差绝对值最大时的镜面温度分布、镜体附属结构表面温度和空气温度，如表1所示。所述镜体附属结构5指用于镜体定位支撑功能的镜筒。镜体附属结构表面温度由红外热像仪测温给出，由于该镜面的附属结构为金属铝，导热系数较大，附属结构的表面温度分布起伏很小，选用附属结构表面的温度均值作为后续Fluent流固耦合计算时的附属结构表面的整体温度值。所述空气温度指望远镜站址附近的气温。测量一年周期内望远镜运行期间的风速和风向数据，获取风速最小值及对应的风向；

表1

镜面温度分布测量的具体实施方式：如图1所示，测温探头1放入方体导热硅胶2内，靠近导热硅胶2下表面，导热硅胶方体下表面粘附在镜面3上，一套测温装置与一个方体导热硅胶构成一个测温单元4，如图1所示，每个测温单元的导热硅胶方体具有相同的形状和大小。如图2所示，沿镜面径向布置33个测温单元，同时获取33个温度值，根据镜面与空气温差绝对值最大时获取的33个镜面温度离散值，采用泽尼克多项式对镜面温度进行拟合，给出温差绝对值最大时的镜面温度分布，如图3所示。

步骤(2)、测量望远镜所处站址的大气压强参数，测量镜体及镜体附属结构的尺寸参数，如表2所示。

表2

镜体直径

镜体厚度

镜筒直径

镜筒长度

镜筒壁厚

镜体材质

镜筒材质

1米

0.075米

1.29米

2.865米

0.02米

K9玻璃

铝

步骤(3)、根据镜体和附属结构的材质参数和尺寸参数，借助Fluent软件建立镜体、周边附属结构和周围空气模型，如图4所示。

该模型中，空气域6外形为长方体结构，尺寸为7.38m×7.38m×8.865m，镜面至空气域上表面的距离为4米，镜筒底部至下表面的距离为2米。

基于步骤(1)和(2)的测量数据，用Fluent计算镜体周围空气的温度场，其中测量的风速最小值作为速度入口的边界参数；温差最大值时的镜面和镜体附属结构表面的实测温度作为温度边界参数；空气温度作为Fluent计算的初始温度，实测气温数据对应的空气密度为计算时的操作密度；测量的大气压强作为计算时的操作压强；选择符合镜体周边实际环境的Fluent计算模式，进行流固耦合计算。

Fluent计算具体实施方式如下：流体入口的初始表压为0Pa；入口湍流强度为5％，湍流粘度比为10％；设置出口为压力出口边界，表压为0Pa，回流湍流强度为5％；回流湍流粘度比为10％；空气模式为不可压缩空气；操作温度为自由空气温度；操作压强为望远镜站址的大气压强；操作密度为气温等于所测温度时的空气密度；计算模式为开启能量方程模式；采用自然对流的boussinesq模型；湍流模型采用standard k-ε模型；计算方法的压力速度耦合采用压力基耦合求解器(PBCS)；空间离散化的变量梯度差值采用Green-GaussNode-Based方法；压力梯度差值采用standard模式；动量梯度差值采用second orderupwind；湍动能和湍动能耗散率采用First order upwind模式；初始化设置采用混合初始化Hybrid Initialization方法，Fluent流固耦合给出的镜面周围空气的温度场，如图5所示。

步骤(4)、计算最劣镜面视宁度

以镜面中心为初始高度，沿镜面法线方向，划分120个分层面S_i(i＝1,2,3....120)，对镜面前方1.2米内的空气进行分层，每层空气厚度Δ_Z为1厘米；分层面S_i中的节点总数设为n₁，依次读取每一个分层面S_i的每一个节点N_ij(j＝1,2,3...n₁)，以节点N_ij为圆心，分别以39、41厘米为内、外半径做圆，环带内的节点总数设为n₂，分别称为N_k(k＝1,2,3...n₂)。依次读取节点N_ij和N_k的温度值，并赋值给T_ij和T_k；根据公式(1)-(3)，

可以计算每个分层面S_i的温度结构系数D_i、折射率结构系数C_i和镜面最劣视宁度r_m，其中λ为望远镜工作波段的中间值，单位为米；P为望远镜站址的大气压强，单位为帕。图6为镜面前方空气不同分层面的温度结构系数的曲线图，其中横轴为高度轴，纵轴为温度结构系数值，高度为各个分层面S_i至镜面的距离。图7为镜面前方空气不同分层面的折射率结构系数的曲线图，其中横轴为高度轴，纵轴为折射率结构系数值，高度为各个分层面S_i至镜面的距离。

计算显示，该镜面和空气温差绝对值最大时，镜面引起的空气湍流主要集中在镜面上方0.5米范围内，该区域也是影响像质的核心区域。镜面上方0.5米以上的空气层折射率结构系数值约为镜面前方0.3米处的万分之一，对镜面视宁度的贡献也只有万分之一。根据公式(3)计算镜面视宁度时，镜面前方0.5米以外的空气可以忽略，通过对每一个空气分层面的折射率结构系数的积分，测量出该望远镜镜面引起的最劣镜面视宁度参数r_m为1.7747米。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种最劣镜面视宁度的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)、测量一年周期内望远镜运行期间的镜面、镜体附属结构和空气的温度数据，获取镜面与空气温差绝对值最大时的镜面温度分布、镜体附属结构表面温度和空气温度；测量一年周期内望远镜运行期间的风速和风向数据，获取风速最小值及对应的风向；

步骤(2)、测量望远镜所处站址的大气压强参数，测量镜体及镜体附属结构的尺寸参数；

步骤(3)、计算镜体周围空气温度场：

根据镜体和附属结构的材质和尺寸参数，借助Fluent软件建立镜体、周边附属结构和周围空气模型，根据步骤(1)和(2)的测量数据，计算镜体周围空气的温度场；

步骤(4)、计算最劣镜面视宁度：

以镜面中心为初始高度，沿镜面法线方向，划分n₀个分层面S_i，其中，i＝1,2,3….n₀，对镜面前方的空气进行分层，每层空气厚度为Δ_Z；分层面S_i中的节点总数设为n₁，依次读取每一个分层面S_i中的每一个节点N_ij，其中，j＝1,2,3…n₁，分别以节点N_ij为圆心，分别以R±Δ_r为内、外半径做圆，环带内的节点总数设为n₂，分别称为N_k，其中，k＝1,2,3…n₂，依次读取节点N_ij和N_k的温度值，并赋值给T_ij和T_k；利用公式，

$r_m=0.185*{\mathrm{\λ}}^{1.2}*{({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{n_0}{\left(79.2*{10}^{-6}*\left(\frac{P}{100}\right)*\frac{1}{{\left(\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n_1}{T}_{ij}}{n_1}\right)}^2}\right)}^2*\frac{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{n_1}\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{n_2}{(T_{ij}-T_k)}^2}{n_2}}{R^{2/3}}*{\mathrm{\Δ}}_z)}^{-0.6},$

计算镜面最劣视宁度r_m，其中R小于镜面的半径，Δ_r小于R的二分之一；λ为望远镜工作波段的中间值，单位为米；P为望远镜站址的大气压强，单位为帕。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，镜面温度分布测量是将测温装置的温度探头置入方体导热硅胶内，靠近导热硅胶下表面，方体导热硅胶下表面粘附在镜面上，一套测温装置与一个方体导热硅胶构成一个测温单元。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：沿镜面径向布置33个测温单元，同时获取33个温度值。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述空气温度为望远镜站址附近的气温，所述镜体附属结构为用于镜体定位的支撑机械结构。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，计算镜体周围空气的温度场包括：设置测量的风速最小值作为速度入口的边界参数、设置温差最大值时的镜面、镜体附属结构表面的实测温度和空气温度作为相对应模型的温度边界参数、设置空气温度作为Fluent计算的初始温度、设置实测气温数据对应的空气密度为计算时的操作密度、设置测量的大气压强作为计算时的操作压强、选择符合镜体周边实际环境的Fluent计算模式，进行流固耦合计算。