CN108152218B - 一种测量蒙气色差的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量蒙气色差的方法，包括以下几个步骤：步骤1：使用水平方向上有一定间距d的两个点光源作为信标，所述间距d满足成像系统视场要求，两个点光源的波长λ1、λ2处于可见光到近红外波段且两个波长的差距λ2－λ1不小于100nm；步骤2：两个点光源所发出的两束信标光经近地面千米级水平大气传输后，使用消色差成像系统探测两束信标光的远场光斑质心位置；步骤3：通过两束信标光的远场光斑质心位置计算λ1、λ2之间的蒙气色差。同时还公开了测量蒙气色差的装置，具有能够消除大气湍流、环境振动等因素带来光束抖动对蒙气色差高精度测量的影响的优点。

Description

一种测量蒙气色差的方法及装置
技术领域
本发明属于大气光学测量领域，尤其涉及一种测量蒙气色差的方法及装置。
背景技术
激光雷达、卫星激光测距及定向能武器等大口径激光系统需要利用千米级的水平靶点进行跟踪光轴和发射光轴的高精度标定。受太阳辐照、大地辐射、地形地貌以及天气过程等因素的影响，近地面水平传输路径上在局部可能存在较大的垂直折射率梯度，导致显著的大气折射效应。
光线在地球大气中传播时，受近地面大气折射率垂直分布的影响，激光沿水平路径传输时会产生弯曲，传输前后造成的光线仰角改变即蒙气差。由于波长的不同，跟踪光轴和发射光轴的弯曲程度不同，不同波长的蒙气差之差称为蒙气色差。
在开展高精度光轴标定试验时，受近地面水平大气传输蒙气色差的影响，可能会给跟踪光轴和发射光轴的高精度标定带来一定的误差，该误差较大时可达几个微弧度。当大口径激光系统对光轴标定误差的要求达到微弧度量级时，就需要实时监测千米级距离上的近地面水平大气蒙气色差，选择在蒙气色差较小时对大口径激光系统跟踪光轴和发射光轴进行标定，以减小光轴标定误差。目前，当大口径激光系统对光轴标定误差的要求达到微弧度量级时，利用光学方法实时监测水平大气蒙气色差，须达到亚微弧度的测量精度。经千米级水平大气传输后，受大气湍流、环境振动等因素的影响，光束会较大幅度随机抖动。因此，利用光学方法实时监测水平大气蒙气色差须消除光束抖动的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可高精度实时监测近地面水平大气蒙气色差，且测量不受光束抖动影响的测量蒙气色差的方法及装置。
为实现上述问题，本发明所采用的技术方案是：
一种测量蒙气色差的方法：包括以下几个步骤：
步骤1：使用水平方向上有一定间距d的两个点光源作为信标，所述间距d满足成像系统视场要求，两个点光源的波长λ1、λ2处于可见光到近红外波段且两个波长的差距λ2－λ1不小于100nm；
步骤2：两个点光源所发出的两束信标光经近地面千米级水平传输一定距离后，使用消色差成像系统探测两束信标光的远场光斑质心位置；
步骤3：通过两束信标光的远场光斑质心位置计算λ1、λ2之间的蒙气色差。
作为本发明的进一步改进：
进一步地，步骤3中两束信标光的蒙气色差的计算方法为：
步骤3.1：步骤2中探测出的两束信标光的远场光斑质心位置为(x1，y1)、(x2，y2)，则水平和垂直两个方向的蒙气色差可由公式(1)计算得到
Figure BDA0001505650770000021
其中，f为成像测量望远镜等效焦距，p为光电探测器单个像素的尺寸,(x10，y10)、(x20，y20)作为系统测量零点，所述系统测量零点是指将两个点光源信标设置为同一波长的两套光源，相同波长的两束信标光经过水平大气传输后进入成像系统成像，此时两束信标光在成像系统光电探测器上所成两个远场光斑的坐标位置(x10，y10)、(x20，y20)作为系统测量零点；
步骤3.2：水平和垂直两个方向的合成后总的蒙气色差为：
Figure BDA0001505650770000022
进一步地，波长λ的光束产生的蒙气差φ可以由波长λ1、λ2的蒙气色差Δφ表示：
Figure BDA0001505650770000023
进一步地，对处于红外波段的两个波长λ3、λ4的蒙气色差可通过λ1、λ2之间的蒙气色差换算为：
Figure BDA0001505650770000031
其中，
Figure BDA0001505650770000032
为波长λ1、λ2之间的蒙气色差，
Figure BDA0001505650770000033
为波长λ3、λ4之间的蒙气色差。
进一步地，两束信标光的远场光斑为单帧所测光斑或短时间内多帧长曝光光斑。
一种测量蒙气色差方法的装置，包括双点光源信标和成像测量望远镜系统，所述双点光源信标和成像测量望远镜系统分别置于千米级水平大气传输路径的两端。
进一步地，所述双点光源信标包括：两个不同波长的点光源、遮光板、设置于所述遮光板内的两个通光小孔，两个所述通光小孔位于同一条水平线上且间距为d，两个点光源分别放置在所述两个通光小孔后，两个所述通光小孔的直径在千米级传输距离上满足成像系统对点光源的要求，两个所述通光小孔之间的间距d满足成像系统视场要求，且处于倾斜等晕角范围内。
进一步地，所述成像测量望远镜系统包括一种量子效率和信噪比较高、每秒数十帧帧频的光电探测器和一种可消色差、消像差的成像测量望远镜。
进一步地，所述成像测量望远镜的主次镜、中继光学镜的镜面镀制有在可见光、近红外波段的反射膜系。
进一步地，所述成像测量望远镜的光束方向测量角分辨率不低于0.1μrad，所述成像测量望远镜口径D不超过200mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明一种测量蒙气色差的方法，使用光束水平大气传输的方法直接测量水平大气蒙气色差，比个别点测量气象参数的方法更直接更准确，使用双点光源信标测量能够消除大气湍流、环境振动等因素带来光束抖动对蒙气色差高精度测量的影响。
本发明一种测量蒙气色差的装置，通过分别置于千米级水平大气传输路径的两端的双点光源信标和成像测量望远镜系统，成像测量望远镜系统可以降低色差和像差对光斑形态、质心的影响，提高光斑质心测量精度，通过双点光源信标所发出的两束信标光在成像测量望远镜系统上的光斑质心位置，由测量方法给出的计算蒙气色差的公式即可计算蒙气色差，不但可以高精度实时监测近地面水平大气蒙气色差，还可以在测量时不受光束抖动的影响。
附图说明
图1为本发明的测量蒙气色差的装置系统布局图。
图2为本发明的双点光源信标示意图。
图3为本发明的成像测量望远镜示意图。
图例说明
1-双点光源信标；2-成像测量望远镜系统；11-点光源；12-遮光板；121-通光小孔；13-衰减片；21-光电探测器；22-成像测量望远镜。
具体实施方式
图1至图3示出了本发明一种测量蒙气色差的方法及装置的一种实施例。
本发明一种测量蒙气色差的方法，包括以下几个步骤：
步骤1：使用水平方向上有一定间距d的两个点光源作为信标，间距d满足成像系统视场要求，两个点光源的波长λ1、λ2处于可见光到近红外波段且两个波长的差距λ2－λ1足够大，且能够被成像测量望远镜光电探测器高效探测；
步骤2：两个点光源所发出的两束信标光经近地面千米级水平传输后，使用消色差成像系统探测两束信标光的远场光斑质心位置；
步骤3：通过两束信标光的远场光斑质心位置计算目标波长光束蒙气色差。
本发明使用折射率差异较大的可见光到近红外波段的两条信标光束水平大气传输的方法直接测量水平路径积分的大气蒙气色差，提高了蒙气色差的测量精度，使用双点光源信标测量能够消除大气湍流、环境振动等因素带来光束抖动对蒙气色差高精度测量的影响。
本实施例中，步骤1中，在双点光源信标端使用两个不同波长的点光源作为信标。两个信标光源分别使用十毫瓦级450nm LD激光器和850nm LD激光器。450nm信标为蓝光波段，850nm信标为近红外波段，波长相差400nm，且常用的可见光CCD在这两个波段具有较高的量子效率。使用双点光源信标测量能够消除大气湍流、环境振动等因素带来光束抖动对蒙气色差高精度测量的影响；
步骤2中，两个点光源所发出的两束信标光经近地面千米级水平传输后，使用消色差成像系统探测两束信标光的远场光斑质心位置。在需测量水平大气蒙气色差的时段进行长时间监测，使用光电探测器实时采集光斑、处理光斑质心。本实施例中，消色差成像系统使用的是成像测量望远镜系统2，包括成像测量望远镜22和光电探测器21。
在使用光电探测器实时采集光斑、处理光斑质心时，需要对测量装置进行系统零点标定，系统零点的标定方法为：系统零点标定时，两个点光源信标设置为同一波长的两套光源，如均为λ1。让两束波长均为λ1的信标光经过水平大气传输后进入成像系统成像，此时两束信标光在成像系统光电探测器上所成两个光斑的坐标位置x10，y10、x20，y20作为系统测量零点。这两个光斑可以是光电探测器单帧所测光斑，为提高测量精度也可以是短时间内多帧长曝光光斑。装置标定时使用两个同一波长的光源，如均为λ1的光源，因此波长λ1的光源需两套。不能用一台激光器分成两束使用，防止产生干涉现象。
步骤3：通过两束信标光的远场光斑质心位置计算目标波长光束的蒙气色差。具体步骤如下：
步骤3.1：步骤2中探测出的两束信标光的远场光斑质心位置为(x1，y1)、(x2，y2)，则水平和垂直两个方向的蒙气色差可由公式1计算得到
Figure BDA0001505650770000051
其中，f为成像测量望远镜等效焦距，p为光电探测器单个像素的尺寸,x10，y10、x20，y20作为系统测量零点，系统测量零点是指将两个点光源信标设置为同一波长的两套光源，相同波长的两束信标光经过水平大气传输后进入成像系统成像，此时两束信标光在成像系统光电探测器上所成两个光斑的坐标位置x10，y10、x20，y20作为系统测量零点；通过调整望远镜和光电探测器的相对旋转角度，使光电探测器像素阵列的x方向代表真实空间中的水平方位角方向，y方向代表真实空间中的垂直俯仰角方向。
步骤3.2：水平和垂直两个方向的合成后总的蒙气色差为：
Figure BDA0001505650770000061
在获得波长λ1、λ2的蒙气色差Δφ后，在标定大口径激光系统跟踪光轴和发射光轴时，近地面水平大气蒙气色差引起的光轴标定误差Δθ为蒙气色差Δφ的一半，即
Figure BDA0001505650770000062
波长λ的光束产生的蒙气差φ可以由波长λ1、λ2的蒙气色差Δφ表示：
Figure BDA0001505650770000063
本实施例中，两个点光源的波长λ1、λ2为可见光到近红外波段光束，对于红外波段波长为λ3、λ4的蒙气色差可通过λ1、λ2之间的蒙气色差换算为：
Figure BDA0001505650770000064
其中，
Figure BDA0001505650770000065
为波长λ1、λ2之间的蒙气色差，即式(2)中的Δφ，
Figure BDA0001505650770000066
为波长λ3、λ4之间的蒙气色差。
使用折射率差异较大的两束可见光到近红外波段λ1、λ2光源测量蒙气色差，根据式(4)蒙气色差和波长之间的关系换算出折射率差异较小的两个红外波段λ3、λ4的蒙气色差，可提高3～5倍测量精度，即在红外波段可实现优于0.1μrad的蒙气色差测量精度。此外，使用折射率差异较大的两束可见光到近红外波段光源测量蒙气色差，还有利于选择型号更多、成本更低、性能更好的Si光电探测器，能够同时对两个波长的信标光成像。
本发明一种测量蒙气色差方法的装置，包括双点光源信标1和成像测量望远镜系统2，双点光源信标1和成像测量望远镜系统2分别置于千米级水平大气传输路径的两端。该装置通过分别置于千米级水平大气传输路径两端的双点光源信标1和成像测量望远镜系统2，成像测量望远镜系统2可以降低色差和像差对光斑形态、质心的影响，提高光斑质心测量精度，通过双点光源信标所发出的两束信标光在成像测量望远镜系统上的远场光斑质心位置，由测量方法给出的计算蒙气色差的公式即可计算蒙气色差，不但可以高精度实时监测近地面水平大气蒙气色差，还可以在测量时不受光束抖动的影响。
本实施例中，双点光源信标1包括：两个不同波长的点光源11、遮光板12、遮光板12内设置有两个通光小孔121，两个通光小孔121位于同一条水平线上且间距为d，两个点光源11分别放置在两个通光小孔121后，两个通光小孔121的直径在千米级传输距离上满足成像系统对点光源的要求，两个通光小孔121之间的间距d满足成像系统视场要求，且处于倾斜等晕角范围内。两个通光小孔121后放置不同波长的光源，光源的波长λ1、λ2处于可见光到近红外波段，两个波长的差距λ2－λ1不小于100nm，且能够被成像测量望远镜光电探测器高效探测。双点光源信标可以使用不同波长的两台激光器，也可以使用卤素灯、白炽灯、超连续谱激光器等光源加不同中心波长的窄带滤光片。两台激光器前加装衰减片13以调整信标亮度。两个信标光源亮度接近，且经水平大气传输后能够满足成像测量望远镜高信噪比探测要求。
本实施例中，成像测量望远镜系统2包括一种量子效率和信噪比较高、每秒数十帧帧频的光电探测器21和一种可消色差、消像差的成像测量望远镜22。选择量子效率和信噪比较高的光电探测器，可以消除图像噪声引起的质心探测误差。选择每秒数十帧帧频的光电探测器，可以消除湍流抖动引起的图像模糊。本实施例中采用高空间分辨率的光电探测器，以提高光束方向测量角分辨率。使用消色差、消像差的成像测量望远镜，以降低色差和像差对光斑形态、质心的影响，提高光斑质心测量精度。本实施例中使用反射式卡塞格林望远镜。使用长焦距、消色差、高分辨率成像望远镜能够高精度测量微弧度级的水平大气蒙气色差。
本实施例中，成像测量望远镜22的主次镜、中继光学镜的镜面镀制有在可见光、近红外波段的反射膜系，以提高两个波长的系统透过率。
本实施例中，成像测量望远镜22的光束方向测量角分辨率不低于0.1μrad，成像测量望远镜22的口径D不超过200mm。
本实施例中，成像测量望远镜22使用长焦距、消色差、高分辨率的卡塞格林成像望远镜，受大气湍流的影响，望远镜口径D不宜过大，最大不超过200mm，本实施例中选用的望远镜口径是200mm，等效焦距3750mm，主镜、次镜均为反射方式。光电探测器21选用高空间分辨率可见光CCD，如可选用Applied Vision Technologies Canada Inc.公司生产的GC1290型CCD相机。该CCD相机单个像素大小为3.75μm×3.75μm，分辨率为1290×960，全帧帧频32fps。该CCD相机在450nm处对应的量子效率约35％，在850nm处对应的量子效率约15％。考虑水平大气湍流相干长度，两个光斑在CCD上均覆盖约10个像素，利用质心提取算法可实现约0.1μrad角分辨率测量精度，满足0.1μrad的光束方向测量角分辨率要求。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量蒙气色差的方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
步骤1：使用水平方向上有一定间距d的两个点光源作为信标，所述间距d满足成像系统视场要求，两个点光源的波长λ1、λ2处于可见光到近红外波段且两个波长的差距λ2－λ1不小于100nm；
步骤2：两个点光源所发出的两束信标光经近地面千米级水平大气传输后，使用消色差成像系统探测两束信标光的远场光斑质心位置；
步骤3：通过两束信标光的远场光斑质心位置计算λ1、λ2之间的蒙气色差；
步骤3.1：步骤2中探测出的两束信标光的远场光斑质心位置为(x1，y1)、(x2，y2)，则水平和垂直两个方向的蒙气色差可由公式(1)计算得到
Figure FDA0002384651110000011
其中，f为成像测量望远镜等效焦距，p为光电探测器单个像素的尺寸,(x10，y10)、(x20，y20)作为系统测量零点，所述系统测量零点是指将两个点光源信标设置为同一波长的两套光源，相同波长的两束信标光经近地面千米级水平大气传输后进入成像系统成像，此时两束信标光在成像系统光电探测器上所成两个远场光斑的坐标位置(x10，y10)、(x20，y20)作为系统测量零点；
步骤3.2：水平和垂直两个方向的合成后总的蒙气色差为：
Figure FDA0002384651110000012
。
2.根据权利要求1所述的一种测量蒙气色差的方法，其特征在于：对处于红外波段的两个波长λ3、λ4的蒙气色差通过λ1、λ2之间的蒙气色差换算为：
Figure FDA0002384651110000013
其中，
Figure FDA0002384651110000014
为波长λ1、λ2之间的蒙气色差，
Figure FDA0002384651110000015
为波长λ3、λ4之间的蒙气色差。
3.根据权利要求1所述的一种测量蒙气色差的方法，其特征在于：波长λ的光束产生的蒙气差φ可以由波长λ1、λ2的蒙气色差Δφ表示：
Figure FDA0002384651110000021
。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种测量蒙气色差的方法，其特征在于：两束信标光的远场光斑为单帧所测光斑或短时间内多帧长曝光光斑。
5.一种使用如权利要求1至4中任一项所述方法的测量蒙气色差的装置，其特征在于：包括双点光源信标(1)和成像测量望远镜系统(2)，所述双点光源信标(1)和成像测量望远镜系统(2)分别置于千米级水平大气传输路径的两端。
6.根据权利要求5所述的一种测量蒙气色差的装置，其特征在于，所述双点光源信标(1)包括：两个不同波长的点光源(11)、遮光板(12)、设置于所述遮光板(12)内的两个通光小孔(121)，两个所述通光小孔(121)位于同一条水平线上且间距为d，两个点光源(11)分别放置在两个所述通光小孔(121)后，两个所述通光小孔(121)的直径在千米级传输距离上满足成像系统对点光源的要求，两个所述通光小孔(121)之间的间距d满足成像系统视场要求，且处于倾斜等晕角范围内。
7.根据权利要求5所述的一种测量蒙气色差的装置，其特征在于：所述成像测量望远镜系统(2)包括一种量子效率和信噪比高、每秒数十帧帧频的光电探测器(21)和一种可消色差、消像差的成像测量望远镜(22)。
8.根据权利要求7所述的一种测量蒙气色差的装置，其特征在于：所述成像测量望远镜(22)的主次镜、中继光学镜的镜面镀制有在可见光、近红外波段的反射膜系。
9.根据权利要求7所述的一种测量蒙气色差的装置，其特征在于，所述成像测量望远镜(22)的光束方向测量角分辨率不低于0.1μrad，所述成像测量望远镜(22)的口径D不超过200mm。
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