CN207600598U - 多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，包括大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统、望远镜跟踪控制系统和控制、数据处理系统；大视场光学望远镜系统与多波段滤光切换及CCD成像系统连接，望远镜跟踪控制系统与大视场光学望远镜系统平行设置，设置在大视场光学望远镜系统上，大视场光学望远镜系统设置在控制、数据处理系统上，控制、数据处理系统用于控制大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统和望远镜跟踪控制系统。本实用新型的装置结构简单，体积小，成本小，结合太阳导行子系统可以自动观测，同时测量日晕强度，另外能同时测量多个大气参数，适合地基日冕仪的选址工作。

Description

多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置

技术领域

本实用新型涉及大气监测领域，尤其涉及多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置。

背景技术

日冕是太阳大气的最外层，日冕抛射出的带电粒子能在数十小时到达地球，这种高能带电粒子对卫星的工作、无线电通讯、航空航天、高压输电等都有很大的影响。因此，进行日冕观测研究能提前对灾害性空间天气做出准确的预报，从而可以做好预防措施减少损失。日冕观测主要有空间日冕仪和地基日冕仪，对于地基日冕仪来说地球大气的消光指数、日晕强度、积分水汽含量、气溶胶、大气散射强度等参数对日冕的观测研究有着极大的影响。所以如何进行大气参数的定性测量选出大气稳定、日晕强度低的天文台址对于任何规模的日冕观测望远镜建设都是至关重要的基础性工作。

就地基探测大气参数而言，目前主要测量的方法有：

1、雷达法，其中包括微波雷达、电磁波雷达、激光雷达等。雷达法是一种主动探测雷达，利用大气中存在的空气分子、少量悬浮微粒物质、气溶胶颗粒等对雷达的散射来探测大气参数。其主要结构有三部分：雷达发射源、回波接收器、分析处理器。雷达法能够获得高分辨率、高精度的实时大气参数数据，但是因其结构限制，体积和成本都比较高不太适用于以低成本、便携为主的日冕仪选址工作。

2、GPS法，GPS法主要是利用对流层大气对GPS信号造成的延迟影响，获得信号传播路径上的大气折射量，并依据气象学的相关理论，得到大气的折射率来反演大气的水汽含量。GPS方法结构简单、成本不高，但是它主要是用于探测大气的水汽含量，对于气溶胶、大气消光、大气散射、日晕强度等参数探测能力有限。

3、探空气球法，探空气球是在气球中充入适量的氢气或氦气，可利用空气浮力上升至距地面30～40km的高空，其携带的各种探测仪器可在气球上升的过程中，将大气各个高度的温度、湿度、压强等要素采集并传输给地面接收机，同时由跟踪雷达的角度变化测定探空气球的高度及所在位置处的风速，根据这些参数来反演大气参数。探空气球法是目前气象部门主要的大气探测方法，但是它是一种一次性的探测方法，气球上升到高空后自行爆裂，不能进行全天候的探测。

4、多波段太阳光度计，多波段太阳光度计是利用可见光到近红外波段范围内一系列的滤光片,测量大气对直接太阳辐射的消光,然后反演大气气溶胶、大气水汽、消光等参数。其主要结构为：光学头、滤镜轮、光电探测器、太阳跟踪及跟踪控制器、处理器等。其结构简单实用，体积不大，但是它不能测量日晕的强度。对于日冕望远镜的选址我们更关心的是日晕的强度。

因此，基于现有技术中的技术缺陷是：现有的大气参数监测装置结构复杂、体积大，成本高，无法同时测量日晕强度，且无法同时测得多个大气参数。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，装置结构简单，体积小，成本小，结合太阳导行子系统可以自动观测，同时测量日晕强度，另外能同时测量大气气溶胶、大气水汽含量、消光、日晕强度等大气参数，非常适合地基日冕仪的选址工作。

为了解决上述问题，本实用新型提供以下技术方案：

第一方面，本实用新型提供一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，包括：大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及 CCD成像系统、望远镜跟踪控制系统和控制、数据处理系统；

所述大视场光学望远镜系统与所述多波段滤光切换及CCD成像系统连接，所述望远镜跟踪控制系统与所述大视场光学望远镜系统平行设置，设置在所述大视场光学望远镜系统上，所述大视场光学望远镜系统设置在所述控制、数据处理系统上，所述控制、数据处理系统用于控制所述大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统和望远镜跟踪控制系统；

所述大视场光学望远镜系统包括望远镜镜筒，依次设置在所述望远镜镜筒中的太阳减光片、成像透镜和清鬼像的光阑；所述多波段滤光切换及CCD成像系统包括依次设置的窄带滤光片、滤镜轮、滤镜轮控制电机和CCD，所述窄带滤光片设置在所述清鬼像的光阑之后。

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其技术方案为：包括：大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统、望远镜跟踪控制系统和控制、数据处理系统；所述大视场光学望远镜系统与所述多波段滤光切换及CCD成像系统连接，所述望远镜跟踪控制系统与所述大视场光学望远镜系统平行设置，设置在所述大视场光学望远镜系统上，所述大视场光学望远镜系统设置在所述控制、数据处理系统上，所述控制、数据处理系统用于控制所述大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统和望远镜跟踪控制系统；所述大视场光学望远镜系统包括望远镜镜筒，依次设置在所述望远镜镜筒中的太阳减光片、成像透镜和清鬼像的光阑；所述多波段滤光切换及CCD成像系统包括依次设置的窄带滤光片、滤镜轮、滤镜轮控制电机和CCD，所述窄带滤光片设置在所述清鬼像的光阑之后。

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，装置结构简单，体积小，成本小，结合太阳导行子系统可以自动观测，同时测量日晕强度，另外能同时测量大气气溶胶、大气水汽含量、消光、日晕强度等大气参数，非常适合地基日冕仪的选址工作。

进一步地，所述窄带滤光片的数量为8个，分别包括近红外波段滤光片、水线波段滤光片、3个红波段滤光片、橙黄波段滤光片、绿波段滤光片和蓝波段滤光片。

进一步地，所述近红外波段滤光片的波长为1050nm，水线波段滤光片的波长为940nm，3个红波段滤光片的波长分别为890nm、 780nm和670nm，橙黄波段滤光片的波长为610nm，绿波段滤光片的波长为530nm，蓝波段滤光片的波长为450nm，所述8个窄带滤光片的带宽均为10nm。

进一步地，所述大视场光学望远镜系统中还包括遮光光阑，所述遮光光阑设置在所述窄带滤光片之前，所述窄带滤光片为一片，其焦比数为20，通光直径5cm，焦距100mm。

进一步地，所述望远镜跟踪控制系统包括赤道仪和太阳导行子系统，所述赤道仪与所述太阳导行子系统连接，所述赤道仪与所述控制、数据处理系统连接。

进一步地，所述太阳导行子系统由一个小望远镜和CMOS相机组成。

基于现有技术，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供了一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，装置结构简单，体积小，成本小，结合太阳导行子系统可以自动观测，同时测量日晕强度，另外能同时测量大气气溶胶、大气水汽含量、消光、日晕强度等大气参数，非常适合地基日冕仪的选址工作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置的外部结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置中光路示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测方法的流程图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测方法的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

实施例一

参见图1和图2，第一方面，本实用新型提供一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，包括：大视场光学望远镜系统1、多波段滤光切换及CCD成像系统2、望远镜跟踪控制系统3和控制、数据处理系统4；

大视场光学望远镜系统1与多波段滤光切换及CCD成像系统2 连接，望远镜跟踪控制系统3与大视场光学望远镜系统1平行设置，设置在大视场光学望远镜系统1上，大视场光学望远镜系统1设置在控制、数据处理系统4上，控制、数据处理系统4用于控制大视场光学望远镜系统1、多波段滤光切换及CCD成像系统2和望远镜跟踪控制系统3；

大视场光学望远镜系统1包括望远镜镜筒13，依次设置在望远镜镜筒13中的太阳减光片、成像透镜10和清鬼像的光阑8；多波段滤光切换及CCD成像系统2包括依次设置的窄带滤光片、滤镜轮11、滤镜轮控制电机和CCD，窄带滤光片设置在清鬼像的光阑8之后。

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其技术方案为：包括大视场光学望远镜系统1、多波段滤光切换及CCD成像系统2、望远镜跟踪控制系统3和控制、数据处理系统4；大视场光学望远镜系统1与多波段滤光切换及CCD成像系统2 连接，望远镜跟踪控制系统3与大视场光学望远镜系统1平行设置，设置在大视场光学望远镜系统1上，大视场光学望远镜系统1设置在控制、数据处理系统4上，控制、数据处理系统4用于控制大视场光学望远镜系统1、多波段滤光切换及CCD成像系统2和望远镜跟踪控制系统3；大视场光学望远镜系统1包括望远镜镜筒13，依次设置在望远镜镜筒13中的太阳减光片、成像透镜10和清鬼像的光阑8；多波段滤光切换及CCD成像系统2包括依次设置的窄带滤光片、滤镜轮11、滤镜轮控制电机和CCD12，窄带滤光片设置在清鬼像的光阑8之后。

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，装置结构简单，体积小，成本小，结合太阳导行子系统可以自动观测，同时测量日晕强度，另外能同时测量大气气溶胶、大气水汽含量、消光、日晕强度等大气参数，非常适合地基日冕仪的选址工作。

其中，多波段滤光切换及CCD成像系统2是集成在一起的。

其中，CCD12采用的是SBIG公司的ST-403型号的CCD。

其中，本实用新型中的太阳减光片为两片，参见图2，一片为 ND4减光片7，一片为ND2减光片9。望远镜口径66mm，ND4和 ND2减光片直径为18mm。整个光路都置于望远镜镜筒13内，减少杂散光的影响。

作为本实用新型的优选实施例，窄带滤光片的数量为8个，分别包括近红外波段滤光片、水线波段滤光片、3个红波段滤光片、橙黄波段滤光片、绿波段滤光片和蓝波段滤光片。

其中，近红外波段滤光片的波长为1050nm，水线波段滤光片的波长为940nm，3个红波段滤光片的波长分别为890nm、780nm和 670nm，橙黄波段滤光片的波长为610nm，绿波段滤光片的波长为530 nm，蓝波段滤光片的波长为450nm，8个窄带滤光片的带宽均为10nm。

作为本实用新型的优选实施例，大视场光学望远镜系统1中还包括遮光光阑，遮光光阑设置在窄带滤光片之前，窄带滤光片为一片，其焦比数为20，通光直径5cm，焦距100mm。

根据遮光光阑的设计整个望远镜光学系统的视场大概在7.8个太阳半径。该望远镜系统可以同时测量日面和日晕区亮度。

作为本实用新型的优选实施例，望远镜跟踪控制系统3包括赤道仪和太阳导行子系统，赤道仪与太阳导行子系统连接，赤道仪与控制、数据处理系统4连接。

太阳导行子系统由一个小望远镜和CMOS相机组成。

其中，赤道仪采用的是LOSMANDY公司的G8德国式赤道仪，太阳导星系统由一个150mm焦距的小望远镜和QHY-5CMOS相机组成。结合G8赤道仪可以实现太阳的自动闭环跟踪。

其中，控制、数据处理系统4主要就是现场控制计算机，仪器观测软件、数据处理和保存软件。它是整个设备的大脑，包括CCD采集、滤镜轮控制、太阳导行子系统控制、归算大气参数等。这里为了方便携带我们一般选用移动笔记本电脑。本实用新型中不限定控制、数据处理系统4，可以是笔记本电脑，还可以是处理器芯片等可实现数据处理的硬件。

第二方面，本实用新型提供一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测方法，包括：

步骤S1，获取当前观测地址点的经纬度数据和日期时间数据；

步骤S2，根据当前观测地址点的经纬度数据和日期时间数据，计算太阳的位置信息，太阳的位置信息包括太阳的高度角和方位角；

步骤S3，根据太阳的位置信息，调整望远镜视场至视场中心指定位置；

步骤S4，获取太阳日面光线6和日晕光线通过多波段滤光切换及 CCD成像系统2的图像，预定时间后更换滤光片，获取多个不同波段的图像；

步骤S5，根据多个不同波段的图像，经计算得到多个大气参数，多个大气参数包括日晕强度、大气气溶胶、大气水汽含量和消光系数。

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测方法，其技术方案为：获取当前观测地址点的经纬度数据和日期时间数据；根据当前观测地址点的经纬度数据和日期时间数据，计算太阳的位置信息，太阳的位置信息包括太阳的高度角和方位角；根据太阳的位置信息，调整望远镜视场至视场中心指定位置；获取太阳日面光线6和日晕光线通过多波段滤光切换及CCD成像系统2的图像，预定时间后更换滤光片，获取多个不同波段的图像；根据多个不同波段的图像，经计算得到多个大气参数，多个大气参数包括日晕强度、大气气溶胶、大气水汽含量和消光系数。

本实用新型提供的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测方法，可同时测量日晕强度，另外能同时测量大气气溶胶、大气水汽含量、消光、日晕强度等大气参数，非常适合地基日冕仪的选址工作。

作为本实用新型的优选实施例，步骤S3，具体为：

根据太阳的位置信息，判断太阳的位置是否在望远镜视场中心指定位置；

如果不在，根据视场中心指定位置计算偏差；

根据偏差进行调整，重新判断太阳的位置是否在望远镜视场中心指定位置，直至太阳的位置在望远镜视场中心指定位置。

基于上述测量方法，并结合上述测量装置，进行测量过程的说明：

首先，控制、数据处理计算机会根据观测点的经纬度和时间来计算太阳的高度角和方位角，然后把太阳的位置反馈给LOSMADYG8 赤道仪，赤道仪根据位置信息指向太阳。这时太阳导行子系统会计算太阳的位置是否在望远镜视场中心，如果没有则会计算具体的偏差反馈给赤道仪，赤道仪会根据反馈的偏差进行微调，重复判断和微调步骤直到太阳到达指定位置。

然后，开启多波段滤光切换及CCD成像系统2。其主要步骤如下首先让太阳日面光线6通过一组减光片(ND4)如图2的光路图所示，然后和来自日晕区的辐射5一起直接进人下一个减光片(ND2) 经过这样的成像系统可以消除日晕区和太阳光球亮度的巨大差异而不至于让成像CCD读数溢出，从而提高日面和日晕区同时对比测量的可靠性。

接着，经过成像透镜10和滤光片之后会在CCD12上成像，计算机会实时的保存图像，我们采用的是fits格式的图像。每10秒会更换一个滤光片，一轮观测需要切换8个滤光片。一轮观测完后，太阳导行子系统会实时的计算位置偏差并反馈赤道仪进行微调，这样就可以形成一个闭环的自动的观测系统。整个自动观测成像步骤在图4的流程图中可以看到。

最后，在进行完一轮自动观测成像后，将得到8幅图不同波段的 fits格式图像。为实现自动化的测量，每观测完一轮将触发控制、数据处理系统4中的数据处理软件，实现同时测量大气参数的目的。

具体的实施步骤如下：

作为本实用新型的优选实施例，步骤S5中，计算日晕强度，具体为：

对每一幅图像进行日面中心检测和日晕取检测，得到不同波段的日晕区强度和日面中心强度；

根据不同波段的日晕区强度和日面中心强度的比值，结合杂散光，计算得到不同波段的日晕强度。

其中，不同波段的日晕区强度和日面中心强度的比值减去杂散光，从而推算不同波段的日晕强度，杂散光要在前期大量的实测中拟合出来，每个波段的日晕强度的具体计算公式如下：

其中，I_s为日心的强度，I_H为日晕区的强度，N_σ为仪器杂散光， T_x为减光系数。

作为本实用新型的优选实施例，步骤S5中，计算大气水汽含量，具体为：

获取通过水线波段滤光片得到的图像，观测得到带心强度和带心处的背景强度；

根据带心强度和带心处的背景强度的比值，得到带心剩余强度；

根据带心剩余强度，计算得到大气水汽含量。

其中，通过波段长度为890nm处的光谱强度来模拟带心背景强度。

对于大气水汽来说在光学波段水汽有众多的吸收带，最适宜用于测量的吸收带应该是935nm附近的吸收带，本实用新型选择的是 940nm的水线。其观测R值(测量的带心剩余强度)与水汽总量的关系大致符合：

其中，W为大气水汽含量，R(也就是观测可以得出来的值)是带心强度和带心处的背景强度之比，本实用新型选择890nm处的光谱强度来模拟带心背景强度，这样可以用水线和890波段的日心强度来计算大气水汽含量。

作为本实用新型的优选实施例，步骤S5中，计算大气气溶胶，具体为：

获取在给定波长上，从地面测得的直接太阳辐射；

根据直接太阳辐射，通过Bougue定律计算气溶胶光学厚度。

地面测得的直接太阳辐射，在给定的波长上，根据Bougue定律计算气溶胶光学厚度如一下公式：

其中，R是测量时刻的日地距离因子(R＝r/r_m)，m是大气质量数，τ是大气总的气溶胶垂直光学厚度,V₀为定标常数，V是测量量。

作为本实用新型的优选实施例，步骤S5中，计算消光系数，具体为：

消光系数是指太阳直接辐射通过大气时受到的削弱程度，其消光系数可由以下公式计算：

其中，σ_e(r,λ,m)为消光系数，Q_e(r,λ,m)为消光效率因子，为大气溶胶粒子谱分布函数，r为大气溶胶粒子的直径，λ为光的波长， m为折射率。

基于现有技术，本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供了一种多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，装置结构简单，体积小，成本小，结合太阳导行子系统可以自动观测，同时测量日晕强度，另外能同时测量大气气溶胶、大气水汽含量、消光、日晕强度等大气参数，非常适合地基日冕仪的选址工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其特征在于，包括：大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统、望远镜跟踪控制系统和控制、数据处理系统；

所述大视场光学望远镜系统与所述多波段滤光切换及CCD成像系统连接，所述望远镜跟踪控制系统与所述大视场光学望远镜系统平行设置，设置在所述大视场光学望远镜系统上，所述大视场光学望远镜系统设置在所述控制、数据处理系统上，所述控制、数据处理系统用于控制所述大视场光学望远镜系统、多波段滤光切换及CCD成像系统和望远镜跟踪控制系统；

所述大视场光学望远镜系统包括望远镜镜筒，依次设置在所述望远镜镜筒中的太阳减光片、成像透镜和清鬼像的光阑；所述多波段滤光切换及CCD成像系统包括依次设置的窄带滤光片、滤镜轮、滤镜轮控制电机和CCD，所述窄带滤光片设置在所述清鬼像的光阑之后。

2.根据权利要求1所述的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其特征在于，

所述窄带滤光片的数量为8个，分别包括近红外波段滤光片、水线波段滤光片、3个红波段滤光片、橙黄波段滤光片、绿波段滤光片和蓝波段滤光片。

3.根据权利要求2所述的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其特征在于，

所述近红外波段滤光片的波长为1050nm，水线波段滤光片的波长为940nm，3个红波段滤光片的波长分别为890nm、780nm和670nm，橙黄波段滤光片的波长为610nm，绿波段滤光片的波长为530nm，蓝波段滤光片的波长为450nm，所述8个窄带滤光片的带宽均为10nm。

4.根据权利要求1所述的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其特征在于，

所述大视场光学望远镜系统中还包括遮光光阑，所述遮光光阑设置在所述窄带滤光片之前，所述窄带滤光片为一片，其焦比数为20，通光直径5cm，焦距100mm。

5.根据权利要求1所述的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其特征在于，

所述望远镜跟踪控制系统包括赤道仪和太阳导行子系统，所述赤道仪与所述太阳导行子系统连接，所述赤道仪与所述控制、数据处理系统连接。

6.根据权利要求4所述的多波段大视场天空成像技术的大气参数监测装置，其特征在于，

所述太阳导行子系统由一个小望远镜和CMOS相机组成。