CN115096285B - 一种基于云图比对的大气相干长度仪搜星方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于云图比对的大气相干长度仪快速搜星方法，属于大气相干长度测量技术领域。本发明通过机械旋转靶轮实现差分像运动光路和全靶面光路在同一共轴视场下的自由切换；使用差分像运动光路进行大气相干长度测量，当目标恒星不满足测量条件需要换星时，测量系统切换至全靶面光路，利用全天空成像技术获取当前视场下的实时云背景图像，再与待测恒星进行相对位置比对，找到未被云团遮挡的恒星目标，从而实现可测恒星目标的快速搜寻定位。本发明充分考虑了在外场实际测量任务中，由于大范围云团遮挡造成的大气相干长度仪持续不定位、难以稳定测量的情况，结合全天空成像技术实时获取的云图和恒星观测表，可实现目标恒星快速切换。

Description

一种基于云图比对的大气相干长度仪搜星方法

技术领域

本发明属于大气相干长度测量技术领域，具体涉及一种基于云图比对的大气相干长度仪快速搜星方法。

背景技术

激光在大气中传输时，受到湍流效应影响,会导致大气折射率在空间和时间上随机起伏，对激光传输带来较大影响，一方面导致远场光强随机起伏，另一方面会引起光斑扩展、漂移甚至破碎，恶化远场光束质量。因此，了解湍流特性和变化规律，准确测量大气湍流强度对于激光传输评估有着十分重要的意义。

大气相干长度是表征光束在大气湍流传输空间相干性及大气湍流动态扰动综合强度的关键参数，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。目前，一般采用差分星点像运动法测量大气相干长度，采用双孔同时探测信标光经过大气后的波前，利用光楔或其它方法使信标在焦平面上形成两个分离的像，通过统计双像成像的相对运动得到信标光经过大气后的到达角起伏，然后根据系统参数换算得到大气相干长度。

现有的大气相干长度测量仪具备自动切换观测恒星功能。测量系统根据布设的地理位置，建立星图表，并根据恒星的亮度建立自动运行工作条件下的最优的恒星观测顺序。测量系统锁定目标恒星，并计算目标区域的质心，当质心统计计数到达阈值时，测量系统开始处理质心统计结果，并以目标差分运动的计数结果，计数得出大气相干长度的实测值；若目标恒星仰角过低、亮度较弱难以识别，系统自动进行换星操作，测量相机根据事前建立的恒星观测顺序，依次选择目标恒星进行观测测量。

在实际外场测量过程中，可能由于大范围云团的影响，大气相干长度测量仪连续进行换星操作仍无法避开遮挡云团，难以锁定有效目标，导致系统难以实现快速跟踪、连续测量，严重影响测量效果。

针对现有大气相干长度仪在多云情况下搜星困难测量不畅的问题，亟需发展一种大气相干长度仪快速搜星方法。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有大气相干长度仪在多云情况下搜星困难、测量不畅的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于云图比对的大气相干长度仪快速搜星方法，通过机械旋转靶轮实现差分像运动光路和全靶面光路在同一共轴视场下的自由切换；使用差分像运动光路进行大气相干长度测量，当目标恒星不满足测量条件需要换星时，测量系统切换至全靶面光路，利用全天空成像技术获取当前视场下的实时云背景图像，再与待测恒星进行相对位置比对，找到未被云团遮挡的恒星目标，从而实现可测恒星目标的快速搜寻定位。主要包括如下步骤：

S1.建立恒星观测顺序

根据测量系统布设的地理位置，建立星图表，并建立系统自动运行工作条件下最优的恒星观测顺序，按照恒星亮度依次递减排序；

S2.开启自动测量

测试系统开机进入自动测量流程，根据指定目标恒星位置，调整系统初始指向进行跟踪测量，以全靶面视场搜寻恒星目标，驱动机架将目标跟踪到靶面中心，再切换到测量小视场，开展大气相干长度测量；提取目标质心X_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝1.2.3…以目标差分运动的计数结果，计数得出大气相干长度的实测值；

S3.判定当前目标是否可测

跟踪测量过程中，实时判断目标恒星i是否存在被云团遮挡(X_i∈A)；

若目标不被遮挡，则目标可测，继续进行自动测量；

若测量仰角低于30°，目标亮度低于三等星，或目标被云层遮挡，则认为目标不可测，进入步骤S4；

S4.获取云图分析图像

将测试系统切换至全靶面视场光路，获取当前视场下的实时云图背景，利用全天空成像软件进行大气背景辐射矫正和图像算法处理，得到云图分析图像，获取实时云图A在测量系统当前指向和视场下的坐标关系：

A＝A₁∪A₂∪A₃…∪A_n

A为当前视场下的总云团坐标范围，A₁、A₂…A_n为各子云团坐标范围；

S5.查找可测目标

比对S1中星图表与S4中云图分析图像的相对位置关系，快速搜寻不被云团遮挡的恒星目标；对于备选目标j，其质心坐标为X_j＝(x_j，y_j，z_j)，j＝＝1.2.3…，若则判定目标j处于当前视场的云团范围外，作为可测目标，以此得到不被云团遮挡的恒星，并根据恒星亮度得到优化的恒星观测顺序，再转入S2和S3继续测量；

S6.完成测量任务后，退出自动测量过程，关闭测量系统；

测量系统，包括光路模块、CCD相机和软件终端；

光路模块包括全靶面视场光路和差分像运动光路，两条光路共用一个通光口径，将两条光路固定在内部机械旋转靶轮上，通过旋转靶轮可实现两种光路的自由切换；

测试系统开机调整指向并定位到初始目标后，开启自动测量，使用差分像运动光路开展大气相干长度测量，若测量过程中出现系统仰角过低、目标亮度过低或被云团遮挡等情况，需要进行换星操作，通过旋转靶轮切换至全靶面光路，开展全天空成像测量，获取当前视场下的实时云背景图像，再与待测恒星进行相对位置比对，实现可测恒星目标的快速搜寻定位；

CCD相机，用于接收进入通光口径的目标光束，获取图像并生成测量数据；软件终端接收由CCD相机采集的测量数据，依据软件的计算结果发出控制指令给光路模块，用于选择不同应用场景下的相应功能；

软件终端由相干长度计算软件、全天空成像软件、跟踪控制软件、云图比对软件构成，其中全天空成像软件用于生成实时背景云图，通过跟踪控制软件用于望远镜的实时控制和备选目标的快速定位，云图比对软件将实时云图背景和恒星观测表进行坐标比对，快速筛选可供测量的目标恒星，相干长度计算软件采用差分运动方法计算大气相干长度。

相比于现有技术，本发明的有效收益包括：

1、本发明为基于云图比对的快速搜星方法，实现了大气相干长度仪在多云情况下的快速搜星和自动切换，有效提高了测量效率。

2、本发明充分考虑了在外场实际测量任务中，由于大范围云团遮挡造成的大气相干长度仪持续不定位、难以稳定测量的情况，结合全天空成像技术实时获取的云图和恒星观测表，可实现目标恒星快速切换。

附图说明

图1为本发明的测试系统组成示意图；

图2为本发明的测量流程示意图；

图3为实施例1的快速搜星示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明进行全面、清楚、完整地描述。

根据差分像运动测量原理，其基本思想是通过统计焦平面上分离双像成像的相对运动得到信标光经过大气后的到达角起伏，然后根据系统参数换算得到大气相干长度，而到达角起伏与信标的波长无关，即大气相干长度测量中对所采用的信标波长无额外要求，因此一般以恒星作为信标。大气相干长度测量仪在实际测量过程中可能由于多云天气造成目标遮挡，系统需要根据建立的星图表和恒星观测顺序自动切换目标恒星进行观测，为避免连续换星仍难以满足测量要求的情况，采用实时云图背景与恒星坐标比对的方法，可以快速筛选出可供测量的恒星目标，提高测量效率。

如图1所示，一种基于云图比对的大气相干长度测量系统，主要包括光路模块1、CCD相机4及软件终端5。其中光路模块1包括全靶面视场光路2和差分像运动光路3，两条光路共用一个通光口径，将两个光路模块固定在内部机械旋转靶轮上，通过旋转靶轮可实现两种光路的自由切换；测试系统开机调整指向并定位到初始目标后，使用差分像运动光路3开展大气相干长度测量，若测量过程中出现系统仰角过低、目标亮度过低或被云团遮挡等情况，需要进行换星操作，通过旋转靶轮切换至全靶面光路2，开展全天空成像测量，获取当前视场下的实时云背景图像，再与待测恒星进行相对位置比对，实现可测恒星目标的快速搜寻定位。CCD相机4，用于接收进入通光口径的目标光束，获取图像并生成测量数据。软件终端5接收由CCD相机4采集的测量数据，软件终端5由相干长度计算软件、全天空成像软件、跟踪控制软件、云图比对软件构成，其中全天空成像软件生成实时背景云图，通过跟踪控制软件用于望远镜的实时控制和备选目标的快速定位，云图比对软件将实时云图背景和恒星观测表进行坐标比对，快速筛选可供测量的目标恒星，相干长度计算软件采用差分运动方法计算大气相干长度。依据软件模块4的计算结果发出控制指令给光路模块1，用于实现不同应用场景下的相应功能，

如图2所示，本发明测量方法具体包括如下步骤：

S1.根据测量系统布设的地理位置，建立星图表，并建立系统自动运行工作条件下最优的恒星观测顺序，一般按照恒星亮度依次递减排序；

S2.测试系统开机进入自动测量流程，根据指定目标恒星位置，调整系统初始指向进行跟踪测量，以全靶面视场搜寻恒星目标，驱动机架将目标跟踪到靶面中心，再切换到测量小视场，开展大气相干长度测量；提取目标质心X_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝1.2.3…以目标差分运动的计数结果，计数得出大气相干长度的实测值；

S3.判定当前目标是否可测，在跟踪测量过程中，实时判断目标恒星i是否存在被云团遮挡(X_i∈A)、仰角过低、亮度不够等情况，若目标可测继续测量，否则进入S4步骤；

S4.将测试系统切换至全靶面视场光路，获取当前视场下的实时云图背景，利用全天空成像软件进行大气背景辐射矫正和图像算法处理，得到云图分析图像，获取实时云图A在测量系统当前指向和视场下的坐标关系：

A＝A₁∪A₂∪A₃…∪A_n

A为当前视场下的总云团坐标范围，A₁、A₂…A_n为各子云团坐标范围；

S5.比对S1中星图表与S4中云图分析图像的相对位置关系，快速搜寻不被云团遮挡的恒星目标；对于备选目标j，其质心坐标为X_j＝(x_j，y_j，z_j)，j＝＝1.2.3…，若则判定目标j处于当前视场的云团范围外，作为可测目标，以此得到不被云团遮挡的恒星，并根据恒星亮度得到优化的恒星观测顺序，再转入S2和S3继续测量。

S6.完成测量任务后，退出自动测量过程，关闭测量系统。

实施例1：

将测量系统部署于室外开展大气相干长度测量。

S1.根据系统布设的地理位置，建立了星图表，如附图3所示，并建立了系统自动运行工作条件下最优的恒星观测顺序：Vega→Capella→Altair→Aldebaran→Deneb→Hamal→AlNair→Mirfak→Menkalinan→Alioth→Alkaid→Elnath→Dubhe→Bellatrix→Alpheratz→Diphda→Polaris(根据当前地理位置和视场条件下的恒星亮度递减关系排序得出)。

S2.系统开机进入自动测量流程，选择Vega恒星进行跟踪测量，系统驱动机架控制靶轮转动至全靶面视场光路，稳定跟踪Vaga恒星至靶面中心，再切换到差分像运动光路，开展大气相干长度测量；

S3.在测量过程中，天空出现云团，Vega恒星被云团遮挡，无法继续测量；

S4.将系统切换全靶面视场光路，获取当前视场下的实时云图背景，利用全天空成像技术进行大气背景辐射矫正和图像算法处理，得到云图分析图像，如图3所示，获取当前视场下的总云团坐标范围。

S5.比对S1中星图表与S4中云图分析图像的相对位置关系，得到不被云团遮挡的Diphda恒星目标，如图3所示，跟踪控制软件控制大气相干长度测量仪锁定Diphda恒星，再根据系统仰角、目标成像亮度等要素判断Diphda恒星的可测性，驱动机架将Diphda恒星跟踪到靶面中心，再切换到差分像运动光路，开展大气相干长度测量；

S6.完成测量任务后，退出自动测量过程，关闭测量系统。

Claims (1)

1.一种基于云图比对的大气相干长度仪搜星方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.建立恒星观测顺序

根据测量系统布设的地理位置，建立星图表，并建立系统自动运行工作条件下最优的恒星观测顺序，按照恒星亮度依次递减排序；

S2.开启自动测量

测试系统开机进入自动测量流程，根据指定目标恒星位置，调整系统初始指向进行跟踪测量，以全靶面视场搜寻恒星目标，驱动机架将目标跟踪到靶面中心，再切换到测量小视场，开展大气相干长度测量；提取目标质心X_i＝(x_i，y_i，z_i)，i＝1.2.3…以目标差分运动的计数结果，计数得出大气相干长度的实测值；

S3.判定当前目标是否可测

跟踪测量过程中，实时判断目标恒星i是否存在被云团遮挡(X_i∈A)；

若目标不被遮挡，则目标可测，继续进行自动测量；

若测量仰角低于30°，目标亮度低于三等星，或目标被云层遮挡，则认为目标不可测，进入步骤S4；

S4.获取云图分析图像

将测试系统切换至全靶面视场光路，获取当前视场下的实时云图背景，利用全天空成像软件进行大气背景辐射矫正和图像算法处理，得到云图分析图像，获取实时云图A在测量系统当前指向和视场下的坐标关系：

A＝A₁∪A₂∪A₃…∪A_n

A为当前视场下的总云团坐标范围，A₁、A₂…A_n为各子云团坐标范围；

S5.查找可测目标

比对S1中星图表与S4中云图分析图像的相对位置关系，快速搜寻不被云团遮挡的恒星目标；对于备选目标j，其质心坐标为X_j＝(x_j，y_j，z_j)，j＝＝1.2.3…，若则判定目标j处于当前视场的云团范围外，作为可测目标，以此得到不被云团遮挡的恒星，并根据恒星亮度得到优化的恒星观测顺序，再转入S2和S3继续测量；

S6.完成测量任务后，退出自动测量过程，关闭测量系统；

所述测量系统，包括光路模块、CCD相机和软件终端；

所述光路模块包括全靶面视场光路和差分像运动光路，两条光路共用一个通光口径，将两条光路固定在内部机械旋转靶轮上，通过旋转靶轮可实现两种光路的自由切换；

所述测试系统开机调整指向并定位到初始目标后，开启自动测量，使用差分像运动光路开展大气相干长度测量，若测量过程中出现系统仰角过低、目标亮度过低或被云团遮挡情况，需要进行换星操作，通过旋转靶轮切换至全靶面光路，开展全天空成像测量，获取当前视场下的实时云背景图像，再与待测恒星进行相对位置比对，实现可测恒星目标的快速搜寻定位；

所述CCD相机，用于接收进入通光口径的目标光束，获取图像并生成测量数据；软件终端接收由CCD相机采集的测量数据，依据软件的计算结果发出控制指令给光路模块，用于选择不同应用场景下的相应功能；

软件终端由相干长度计算软件、全天空成像软件、跟踪控制软件、云图比对软件构成，其中全天空成像软件用于生成实时背景云图，通过跟踪控制软件用于望远镜的实时控制和备选目标的快速定位，云图比对软件将实时云图背景和恒星观测表进行坐标比对，快速筛选可供测量的目标恒星，相干长度计算软件采用差分运动方法计算大气相干长度。