CN111024245A - 一种大气相干长度仪的小型化设计方法 - Google Patents

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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength

Abstract

本发明公开了一种大气相干长度仪的小型化设计方法，传统DIMM要求接收光强的2个子瞳大小D与子瞳间距d满足关系式d≥2D，一般采用卡塞格林式望远镜，其口径在30cm左右。经过理论分析与实验验证，我们发现子瞳间距的问题实际上是倾斜非等晕性问题，即使子瞳结构不满足上述关系式，依然可以利用新的计算公式来测量大气相干长度。设置两个子孔紧挨着(d＝D)，此时接收主体望远镜的口径可以缩小到12cm左右。本发明设计方法为大气相干长度仪(DIMM)的小型化提供了方法依据，解决了现有测量装置笨重、架设观测不便的问题，可使DIMM更便携，架设观测更容易，为实时监测大气光学湍流状态提供极大便利。

Description

一种大气相干长度仪的小型化设计方法
技术领域
本发明属于光波大气传输领域，涉及大气光学湍流参数的测量，具体为一种大气相干长度仪的小型化设计方法。
背景技术
大气相干长度r0表征了光波大气传输路径上综合光学湍流强度，在天文观测中作为大气视宁度的现代定义，其物理意义是，湍流大气中能实现衍射受限成像的光学系统口径上限，通常利用差分像运动监测仪(Differential Image Motion Monitor,DIMM)来测量r0。传统标准DIMM要求子孔大小D与子孔间距d满足关系式d≥2D，并且D需满足近场近似条件
Figure BDA0002324961390000011
λ为观测光波波长，L为光在湍流路径上的传播距离(DIMM介绍详见Sarazin M,Roddier F.The ESO differential image motion monitor[J].Astronomy andAstrophysics,1990,227(1):294-300.)。
用于天文选址中的DIMM的子孔大小D通常为4-12cm，d通常为20-30cm，采用卡塞格林式望远镜，其口径通常在30cm左右。这使得测量装置笨重不易携带、架设麻烦，一般需要2-3人才能架设观测。针对这个问题，申请人研究发明了一种大气相干长度仪的小型化设计方法，有望使得独自一人快速架设观测r0成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大气相干长度仪的小型化设计方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大气相干长度仪的小型化设计方法，近场近似条件适当放宽，使得子瞳大小D可以更小，子瞳间距d不受传统要求关系式d≥2D的限制；
测量大气相干长度的计算公式采用如下公式：
Figure BDA0002324961390000012
其中，σl 2、σt 2为两子瞳波前差分到达角的纵向、横向方差；λ为计算大气相干长度r0的取值波长，一般取500nm；qFp为广义超几何函数，选定D/d的值后，通过数值计算可以得出其值。
优选的，为了得到子瞳上的倾斜项(也即到达角)，子瞳间距必须大于或等于子瞳大小，为了得到最紧凑的装置，设置两个子孔紧挨在一起(即d＝D)。
优选的，近场近似条件为
Figure BDA0002324961390000021
L为光在湍流中的传播距离，所述的近场近似条件适当放宽，是指该条件可为
Figure BDA0002324961390000022
L’为路径上主要湍流区域路径长度。
优选的，考虑到接收光斑信噪比的问题，子瞳大小也不宜太小，综合考虑仪器小型化与信噪比要求，我们D取4-8cm，子瞳间距取d＝D。
有益效果：
本发明的一种大气相干长度仪的小型化设计方法，为大气相干长度仪(DIMM)的小型化提供了方法依据，解决了现有测量装置笨重、架设观测不便的问题，可使DIMM更便携，架设观测更容易，为实时监测大气光学湍流状态提供极大便利。
附图说明
图1为本发明实施例的接收光瞳结构(图a)与传统DIMM的接收光瞳结构(图b)对比示意图；
图2为本发明方法与标准DIMM整层大气传输大气相干长度测量对比验证实验结果。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
如图1-2所示，一种大气相干长度仪的小型化设计方法，近场近似条件适当放宽，使得子瞳大小D可以更小，子瞳间距d不受传统要求关系式d≥2D的限制；
测量大气相干长度的计算公式采用如下公式：
Figure BDA0002324961390000031
其中，σl 2、σt 2为两子瞳波前差分到达角的纵向、横向方差；λ为计算大气相干长度r0的取值波长，一般取500nm；qFp为广义超几何函数，选定D/d的值后，通过数值计算可以得出其值。
为了得到子瞳上的倾斜项(也即到达角)，子瞳间距必须大于或等于子瞳大小，为了得到最紧凑的装置，设置两个子孔紧挨在一起(即d＝D)。
近场近似条件为
Figure BDA0002324961390000032
L为光在湍流中的传播距离，所述的近场近似条件适当放宽，是指该条件可为
Figure BDA0002324961390000033
L’为路径上主要湍流区域路径长度；对于整层大气传输，L’约等于0.8km，此时近场近似条件为D≥2cm。
考虑到接收光斑信噪比的问题，子瞳大小也不宜太小，综合考虑仪器小型化与信噪比要求，我们D取4-8cm，子瞳间距取d＝D，此时接收主体望远镜的口径可以缩小到12cm左右，远小于常规DIMM口径(30cm左右)。
该方法只是将现有DIMM接收主体望远镜尺寸改小，并相应改变测量大气相干长度的计算公式，其他如光斑信号的获取、跟踪、处理等还是与原有DIMM一样，所述计算公式由原有的计算公式改为权利要求书所述的公式。
本发明的原理及依据是：
1、经过理论分析和数值计算，我们发现近场近似条件可以适当放宽，使得子瞳大小D可以更小；
2、对于子瞳间距，传统DIMM要求d≥2D，此时可用两点的相关函数近似代替两孔径上的相关函数，从而可以利用传统计算公式测量相干长度，这里有近似代替问题；然而，我们分析发现，DIMM利用两孔径上的倾斜项(即到达角)做差分来消除仪器抖动影响，剩下的抖动就是两孔径上倾斜的不一致造成的，也即非等晕性造成的，那么可以利用更准确的倾斜非等晕性的计算公式(即权利要求书所述的公式)来计算得出大气相干长度，而非传统计算公式。此时子瞳间距d不受传统要求关系式d≥2D的限制，且测量大气相干长度的计算公式更准确。
图1为本发明实施例的接收光瞳结构(图a)与传统DIMM的接收光瞳结构(图b)对比示意图。从图中可以看出，本发明接收光瞳所需望远镜口径远小于传统DIMM。综合考虑仪器小型化与信噪比要求，我们取子孔径直径D为4-8cm，两子瞳紧挨着，即间距d＝D，此时接收主体望远镜的口径为12cm。为了说明本发明方法的有效性，我们开展了整层大气传输大气相干长度测量对比验证实验。
为了迅速开展实验，我们在一台标准DIMM(口径30cm)上改造前端子瞳结构，使其满足本发明所提出的结构要求(D取4-8cm，d＝D)，再通过计算公式的更改，我们就可以得到本发明方法所涉小型化DIMM的测量结果。在改造过的DIMM傍边架设另一台标准DIMM用以验证本发明方法的有效性，两台设备同时测量，并且两者所观测恒星都保持一致。经过3天的连续观测实验，我们得到了观测路径上晴朗无云时间段的整层大气相干长度测量值，实验结果显示，本发明方法所涉小型化DIMM与标准DIMM的测量结果一致性很好，数值大小与趋势基本吻合，从而验证了本发明方法的有效性。如图2是对比观测期间某一时间段的测量结果对比图。
本发明的一种大气相干长度仪的小型化设计方法，为大气相干长度仪(DIMM)的小型化提供了方法依据，解决了现有测量装置笨重、架设观测不便的问题，可使DIMM更便携，架设观测更容易，为实时监测大气光学湍流状态提供极大便利。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (4)

1.一种大气相干长度仪的小型化设计方法，其特征在于：
近场近似条件适当放宽，使得子瞳大小D可以更小，子瞳间距d不受传统要求关系式d≥2D的限制；
测量大气相干长度的计算公式采用如下公式：
Figure FDA0002324961380000011
其中，σl 2、σt 2为两子瞳波前差分到达角的纵向、横向方差；λ为计算大气相干长度r0的取值波长，一般取500nm；qFp为广义超几何函数，选定D/d的值后，通过数值计算可以得出其值。
2.根据权利要求1所述的一种大气相干长度仪的小型化设计方法，其特征在于：
为了得到子瞳上的倾斜项，子瞳间距必须大于或等于子瞳大小，为了得到最紧凑的装置，设置两个子孔紧挨在一起，即d＝D。
3.根据权利要求1所述的一种大气相干长度仪的小型化设计方法，其特征在于：
近场近似条件为
Figure FDA0002324961380000012
L为光在湍流中的传播距离，所述的近场近似条件适当放宽，是指该条件可为
Figure FDA0002324961380000013
L’为路径上主要湍流区域路径长度。
4.根据权利要求2所述的一种大气相干长度仪的小型化设计方法，其特征在于：
考虑到接收光斑信噪比的问题，子瞳大小也不宜太小，综合考虑仪器小型化与信噪比要求，我们D取4-8cm，子瞳间距取d＝D。
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