CN111007481B - 大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，接收望远镜，还包括二维指向调节机构、光电探测器和示波器，接收望远镜安装在二维指向调节机构，光电探测器设置在接收望远镜的焦平面上，示波器与光电探测器连接。本发明还公开了大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量方法，本发明具有成本低、步骤简单、技术难度低、测量精度准确可靠等优点。

Description

大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，还涉及大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量方法。

背景技术

对于望远镜系统，特别是大气探测激光雷达接收望远镜系统来说，视场大小是一个非常重要的指标参数。视场也叫视场角，是衡量其接收系统视野范围大小的重要指标。在大气探测激光雷达接收望远镜系统中，需要精确地测定大气探测激光雷达接收望远镜系统视场大小，才能准确地确定系统所能探测的空域范围，以及确定接收望远镜与发射激光的重叠因子。

现有光学接收系统视场测量的方法有两种：平行光管法、目标成像法。

文献1(摄像机视场的测量方法，袁理，科技资讯，2011年第32期第38页)描述了一种光学系统视场测量的方法——平行光管法，该方法采用平行光管和旋转转动平台对光学系统进行视场测量。将待测视场的光学系统固定在旋转的转动平台上，并对准平行光管，平行光管焦点处放置的星点孔的光，经过平行光管物镜后成为平行光输出，经摄像机光学接收镜头后，在在成像探测器上获得图像。旋转转动平台，让星点孔成的像从感光器件一侧移动到另一侧，当成像探测器不再接收到来自星点孔的光信号，说明此时就是视场的边缘。在此过程中转动平台所旋转的角度就是所测的视场角。但是该方法很难应用于大气探测激光雷达接收望远镜系统，这是因为大气探测激光雷达接收系统的接收口径通常都非常大，口径达到1300mm，重量达到2吨，并且望远镜的光轴是指向天空的。若使用平行光管法测量接收其视场，所用的平行光管口径需要与大气探测激光雷达接收望远镜系统的口径相匹配，在旋转转动平台使待测光学系统转动的过程中，要保证整个待测光学系统的入瞳在平行光管出射的平行光束的口径里。这就要求测试所用的平行光管体积要比激光雷达接收系统还要庞大的多，其制造难度和成本要远高于待测大气探测激光雷达接收望远镜系统本身。同时在视场测量时，要将平行光管放置在大气探测激光雷达接收望远镜系统之前，并保持光轴在一个平面内。而大气探测激光雷达接收望远镜系统光轴指向天空，要将口径和体积更为庞大的平行光管架设在大气探测激光雷达接收望远镜系统的正上方，实现难度极大。所以该方法对于小口径光学系统视场的测量是合适的，而对大气探测激光雷达接收望远镜系统的视场测量是难以实现的。

文献2(数码望远镜关键性能指标检验方法及技术研究，鲁进，重庆大学硕士学位论文，2006)描述了一种目标成像测量光学系统视场角的方法。即通过测试已知大小的目标物体和目标物体与望远镜的距离，获取物体在像面中成像大小，并根据目标在相面上成像的大小、像面的总大小以及目标物体与望远镜的距离来计算视场大小。基于同样的测量原理，对于成像望远系统来说，可以通过观测天文中已知的两颗星星来确定望远系统的视场大小，两颗星星在天球上的坐标是已知的，从而可以知道两颗恒星之间的视场张角。这种星星成像法是通过成像望远镜系统，将两星星同时成像在像面上，得到两颗恒星在像面上的坐标间距。将两颗星星的之间的视场张角除以其在像面上的间距，则可以得到像面单位间距对应的视场张角，再乘以整个像面的成像尺寸，最终可以得到该望远系统的视场角。但是该方法无法直接用于大气探测激光雷达接收望远镜系统。这是因为大气激光雷达接收望远镜系统中使用的只是一个单像元探测器，无法同时对两个恒星进行成像，即便是对一颗星星探测，在望远镜的焦平面上所成的像也可能大于探测器的有效成像面积、也可能小于探测器的有效成像面积，这都无法准确测量望远镜的视场。如果在大气探测激光雷达接收望远镜系统中，先通过安装成像探测器测量接收视场，再换成单像元探测器进行折算出接收视场，原理上虽然是正确的，但在实际操作中会产生很大偏差，因为成像探测器和单像元探测器的两次装配中，不可能都完全一致的对应接收望远镜的光轴，也不可能安装在完全一致的轴向位置，这种装配偏差极大的影响了大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量准确度。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术的缺陷和不足，本发明提供了大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，还提供大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量方法，将光电探测器同轴安装在接收望远镜的焦平面上，接收探测来自于天空中的星光，通过记录光电探测器获得的星光信号时间，测得星光进入接收望远镜的接收视场的时间和离开接收视场的时间，根据地球的自传速度和被观测星在天球坐标系下的赤纬坐标值，即可以快速精确地测量大气探测激光雷达接收望远镜的接收视场大小。不需要额外增加光电器件和机械设备，仅依靠大气探测激光雷达接收望远镜原有的设备和元器件即可实现视场测量。该方法操作简单，测量成本低，测量准确度高；并且该测量方法将不会改变大气探测激光雷达接收望远镜的结构和工作状态，可行性高，适用范围广。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术方案：

大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，接收望远镜，还包括二维指向调节机构、光电探测器和示波器，

接收望远镜安装在二维指向调节机构，光电探测器设置在接收望远镜的焦平面上，示波器与光电探测器连接。

大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、调节二维指向调节机构，使接收望远镜指向观测星，随着时间的推移，观测星慢慢移出视场，示波器上观测星的电信号逐渐消失；

步骤2、再次调节二维指向调节机构，使接收望远镜指向西向偏转，观测星又被扑捉到接收望远镜的视场中，示波器上再次显示观测星的电信号；继续调节二维指向调节机构，使接收望远镜指向继续西向偏转，直到示波器上的观测星的电信号消失，停止调节二维指向调节机构，示波器上将再次显示观测星的电信号并持续一段时间后消失；

步骤3、再次调节二维指向调节机构，使接收望远镜指向西向偏转，观测星又被扑捉到接收望远镜的视场中，示波器上再次显示观测星的电信号；继续调节二维指向调节机构，使接收望远镜指向继续西向偏转，直到示波器上观测星的电信号消失；然后调节二维指向调节机构使望远镜的指向向南或向北偏转，停止调节二维指向调节机构，示波器上将再次显示观测星的电信号并持续一段时间后消失；

步骤4、不断重复步骤3直到找到示波器上观测星的电信号持续时间最长的一次，示波器上观测星的电信号持续最长时间记为△t_max；

步骤5、根据地球自转角速度ω和观测星在天球坐标系下的赤纬值δ，大气探测激光雷达接收望远镜的接收视场角为ω×cos(δ)×△t_max。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

(1)不需要增加大气探测激光雷达接收望远镜以外的设备和元器件，如：平行光管、成像CCD、目标物体等，即可测量大气探测激光雷达接收望远镜的接收视场，测量成本低；

(2)不会改变大气探测激光雷达接收望远镜组成结构和工作状态，对大气探测激光雷达接收望远镜不会造成任何影响；

(3)本发明调节步骤简单明了，技术难度低，对测试人员水平要求低，便于推广；

(4)本采用天然的星星作为参考光源，利用地球自传进行测量，测量精度准确可靠。

附图说明

图1为大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置的结构示意图；

其中，1-观测星，2-接收望远镜，3-二维指向调节机构，4-光电探测器，5-示波器；

图2为星星运动轨迹与接收望远镜视场的关系以及示波器上的信号；

图3为星星穿越接收望远镜视场中央时示波器上的信号；

图4为接收望远镜视场中有两颗星星穿越时示波器上的信号。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

1、大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置

如图1所示，大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，包括观测星1、接收望远镜2、二维指向调节机构3、光电探测器4和示波器5。

在二维指向调节机构3上安装接收望远镜2，接收望远镜2指向天空；在接收望远镜2的焦平面上同轴安装光电探测器4，光电探测器4的信号输出连接到示波器5。

二维指向调节机构3采用三点支撑调节机构，可对接收望远镜的指向进行二维调节，也可采用赤道仪或者采用经纬仪等。

2、大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量方法

大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，包括以下步骤：

步骤1、调节二维指向调节机构3，使接收望远镜2指向一颗较为明亮的星星，该星星作为观测星1，如图2所示，使观测星1落在望远镜的接收视场中，这时光电探测器4接收到观测星1的光信号，并转换成观测星1的电信号，示波器5上显示观测星1的电信号；停止调节二维指向调节机构3，由于地球的自传的原因，随着时间的推移，观测星1将慢慢移出视场，示波器5上观测星1的电信号逐渐消失。

步骤2、再次调节二维指向调节机构3，使接收望远镜2指向西向偏转，观测星1又被扑捉到接收望远镜2的视场中，示波器5上再次显示观测星1的电信号；继续调节二维指向调节机构3，使接收望远镜指向继续西向偏转，直到示波器5上的观测星1的电信号消失，说明观测星1被移出接收望远镜2的视场，停止调节二维指向调节机构3，示波器5上将再次显示观测星1的电信号并持续△t1时间后消失，这是因为，随着地球的自传，观测星1逐渐移出了接收望远镜2的接收视场。

步骤3、再次调节二维指向调节机构3，使接收望远镜2指向西向偏转，观测星1又被扑捉到接收望远镜2的视场中，示波器5上再次显示观测星1的电信号；继续调节二维指向调节机构3，使接收望远镜指向继续西向偏转，直到示波器5上观测星1的电信号消失；然后调节二维指向调节机构3使望远镜的指向向南或向北偏转，停止调节二维指向调节机构3，示波器5上将再次显示观测星1的电信号并持续△t2时间后消失。测量示波器5上信号的持续时间△t2。

步骤4、不断重复步骤3直到找到示波器5上观测星1的电信号持续时间△t2最长的一次，测的观测星1的电信号最大持续时间△t_max，说明这时星星的移动路线正好穿越接收望远镜2的视场中央，如图3所示。

由于步骤2持续时间不一定是最长的，要通过二维指向调节机构3使接收望远镜2向南向北微调，使观测星1持续时间最长。此时对应的才是大气激光雷达接收系统的视场。如图2和图3所示，当观测星不沿着视场的直径时，所测得视场值比真实值偏小；当观测星1沿着视场直径，所测视场值才与真实视场大小一致。

步骤5、根据地球自转角速度ω和观测星1在天球坐标系下的赤纬值δ，大气探测激光雷达接收望远镜的接收视场角为W＝ω×cos(δ)×△t_max。

如果遇到示波器上出现高低不同的信号时，说明望远镜视场中有两颗或者以上的星星，如图4所示，为降低数据处理难度，最好选一颗周边没有其它星星干扰的星星作为观测星1。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量方法，利用大气探测激光雷达接收望远镜视场的测量装置，包括接收望远镜(2)、二维指向调节机构(3)、光电探测器(4)和示波器(5)，接收望远镜(2)安装在二维指向调节机构(3)，光电探测器(4)设置在接收望远镜(2)的焦平面上，示波器(5)与光电探测器(4)连接，

其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、调节二维指向调节机构(3)，使接收望远镜(2)指向观测星(1)，随着时间的推移，观测星(1)慢慢移出视场，示波器(5)上观测星(1)的电信号逐渐消失；

步骤2、再次调节二维指向调节机构(3)，使接收望远镜(2)指向西向偏转，观测星(1)又被扑捉到接收望远镜(2)的视场中，示波器(5)上再次显示观测星(1)的电信号；继续调节二维指向调节机构(3)，使接收望远镜指向继续西向偏转，直到示波器(5)上的观测星(1)的电信号消失，停止调节二维指向调节机构(3)，示波器(5)上将再次显示观测星(1)的电信号并持续一段时间后消失；

步骤3、再次调节二维指向调节机构(3)，使接收望远镜(2)指向西向偏转，观测星(1)又被扑捉到接收望远镜(2)的视场中，示波器(5)上再次显示观测星(1)的电信号；继续调节二维指向调节机构(3)，使接收望远镜指向继续西向偏转，直到示波器(5)上观测星(1)的电信号消失；然后调节二维指向调节机构(3)使望远镜的指向向南或向北偏转，停止调节二维指向调节机构(3)，示波器(5)上将再次显示观测星(1)的电信号并持续一段时间后消失；

步骤4、不断重复步骤3直到找到示波器(5)上观测星(1)的电信号持续时间最长的一次，示波器(5)上观测星(1)的电信号持续最长时间记为△t_max；

步骤5、根据地球自转角速度ω和观测星(1)在天球坐标系下的赤纬值δ，大气探测激光雷达接收望远镜的接收视场角为ω×cos(δ)×△t_max。

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