RU2712464C1 - Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images - Google Patents

Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images Download PDF

Info

Publication number
RU2712464C1
RU2712464C1 RU2019110482A RU2019110482A RU2712464C1 RU 2712464 C1 RU2712464 C1 RU 2712464C1 RU 2019110482 A RU2019110482 A RU 2019110482A RU 2019110482 A RU2019110482 A RU 2019110482A RU 2712464 C1 RU2712464 C1 RU 2712464C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
air
subapertures
correlation function
wave fronts
refractive index
Prior art date
Application number
RU2019110482A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Гаврилович Ковадло
Артем Юрьевич Шиховцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН)
Priority to RU2019110482A priority Critical patent/RU2712464C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2712464C1 publication Critical patent/RU2712464C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to astronomical observations with high spatial resolution and can be used for remote determination of vertical profiles of air refraction index. Measurement of the characteristic of the refraction index of air is carried out based on the space-time cross-correlation function of local inclinations of wave fronts from one object of the solar image, which is shifted by means of the daily rotation of the Earth at certain angles to each of subsequent instants of time. Local inclinations of wave fronts on a solar image in crossed optical beams are measured. Air C refraction index characteristic profile
Figure 00000026
is determined from the following expression:
Figure 00000027
where C (δi, δj, δt) is the space-time cross-correlation function of local inclination of wave fronts, A1(δi, δj, δt) is a cross-correlation function, δi and δj - distances between sub-apertures, δi and δj - distances between sub-apertures (sections on telescope aperture), indices i, j denote positions of subapertures on aperture along arbitrarily selected orthogonal coordinate axes, δt is the time interval between readings, F is the Fourier transform sign,
Figure 00000028
is the inverse Fourier transform sign, K is a matrix weight function, having dimension m-2/3, determination of matrix weight function is performed based on data of integral values of amplitude of distortion of wave front, height of atmospheric layers are determined by formulas
Figure 00000029
where α is the zenith angle of the Sun.
EFFECT: high spatial resolution and wider field of applicability.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области астрономических наблюдений с высоким пространственным разрешением и может быть использовано для дистанционного определения вертикальных профилей показателя преломления воздуха, а также в устройствах дистанционного зондирования турбулентных характеристик атмосферы, например, в лидарах.The invention relates to the field of astronomical observations with high spatial resolution and can be used for remote determination of vertical profiles of the refractive index of air, as well as in devices for remote sensing of turbulent characteristics of the atmosphere, for example, in lidars.

Известен способ измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха [2], заключающийся в расчете усредненных во времени пространственных кросскорреляционных функций дифференциальных смещений центров тяжести субизображений от двух разнесенных на некоторый угол источников света, формирующихся одновременно в поле зрения каждой субапертуры датчика волнового фронта. Сохранение угла между наблюдаемыми световыми источниками в процессе измерений ограничивает высотное разрешение метода, плюс к этому способ налагает ограничение на точность расчета вследствие различий в геометрии разнесенных протяженных источников.There is a method of measuring vertical profiles of the refractive index of air [2], which consists in calculating the time-averaged spatial cross-correlation functions of the differential displacements of the centers of gravity of the subimages from two light sources spaced apart at some angle, forming simultaneously in the field of view of each subaperture of the wavefront sensor. The conservation of the angle between the observed light sources during the measurement limits the altitude resolution of the method, plus the method imposes a limitation on the accuracy of the calculation due to differences in the geometry of the separated extended sources.

Наиболее близким к заявляемому способу измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений в реальном времени является способ [1], заключающийся том, что вертикальные профили показателя преломления воздуха измеряют по локальным наклонам волновых фронтов от двух разнесенных на известный угол светящихся объектов (фрагментов на солнечном изображении), находящихся в поле зрения одного телескопа, с помощью двух одинаковых датчиков волнового фронта. Рассчитывают усредненные во времени пространственные кросскорреляционные функции локальных наклонов волновых фронтов от двух источников света, которые регистрируют с помощью двух датчиков от скрещенных оптических пучков в разных частях поля зрения астрономического телескопа. Определяют автокорреляционную функцию локальных наклонов волнового фронта на одном из датчиков. По усредненным по времени кросскорреляционным функциям локальных наклонов двух волновых фронтов и автокорреляционной функции локальных наклонов на одном из датчиков волнового фронта оценивают характеристику показателя преломления воздуха.Closest to the claimed method of measuring vertical profiles of the refractive index of air for real-time correction of solar images is the method [1], which consists in the fact that the vertical profiles of the refractive index of air are measured by the local slopes of the wave fronts from two luminous objects (fragments solar image) located in the field of view of one telescope using two identical wavefront sensors. The time-averaged spatial cross-correlation functions of the local slopes of the wave fronts from two light sources are calculated, which are recorded using two sensors from crossed optical beams in different parts of the field of view of the astronomical telescope. The autocorrelation function of the local slopes of the wavefront on one of the sensors is determined. Using the time-averaged cross-correlation functions of the local tilts of two wave fronts and the autocorrelation function of the local tilts at one of the wavefront sensors, the characteristic of the refractive index of air is estimated.

Формула для расчета вертикального профиля характеристики показателя преломления воздуха

Figure 00000001
по этому способу выглядит следующим образом:Formula for calculating the vertical profile of the characteristic of the refractive index of air
Figure 00000001
by this method is as follows:

Figure 00000002
Figure 00000002

где, усредненная по времени пространственная кросскорреляционная функцияwhere, time-averaged spatial cross-correlation function

Figure 00000003
Figure 00000003

взаимная корреляционная функция для выбранного датчикаcross-correlation function for the selected sensor

Figure 00000004
Figure 00000004

δi и δj - расстояния между субапертурами (участков на апертуре телескопа), индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат,

Figure 00000005
- локальные наклоны волнового фронта на субапертуре i,j камеры (1),
Figure 00000006
- локальные наклоны волнового фронта на субапертуре i+δi, j+δj камеры (2), O(δ(δδj) - число пересекающихся освещенных субапертур на одном из датчиков волнового фронта, <> - знак усреднения по временной реализации, F - знак Фурье преобразования,
Figure 00000007
- знак обратного Фурье преобразования, р - матричная весовая функция, имеющая размерность м-2/3, N и М - общее количество субапертур вдоль каждой из произвольно выбранных перпендикулярных осей координат.δi and δj are the distances between subapertures (areas on the telescope aperture), the indices i, j indicate the positions of subapertures on the aperture along arbitrary chosen orthogonal coordinate axes,
Figure 00000005
- local slopes of the wavefront at the subaperture i, j of the camera (1),
Figure 00000006
are the local slopes of the wavefront at the subaperture i + δi, j + δj of the chamber (2), O (δ (δδj) is the number of intersecting illuminated subapertures at one of the wavefront sensors, <> is the averaging sign over the time implementation, F is the Fourier sign transformations
Figure 00000007
is the sign of the inverse Fourier transform, p is the matrix weight function having dimensions m -2/3 , N and M are the total number of subapertures along each of the arbitrarily selected perpendicular coordinate axes.

Способ измерений, описанный в прототипе, обладает следующими недостатками: измерения возможны лишь на нескольких уровнях высот, число которых ограничено количеством субапертур датчиков волнового фронта, необходимо регистрировать дрожание двух разнесенных на известный угол светящихся астрономических объекта с помощью двух датчиков волнового фронта, требуется наличие двух и более источников света близких по форме и размеру, разнесенных на заданные углы. На солнечном изображении вероятность существования таких объектов в поле зрения датчика волнового фронта невелика.The measurement method described in the prototype has the following disadvantages: measurements are possible only at several altitude levels, the number of which is limited by the number of subapertures of the wavefront sensors, it is necessary to register the jitter of two luminous astronomical objects spaced at a known angle using two wavefront sensors, two and more light sources close in shape and size, spaced at given angles. In the solar image, the probability of the existence of such objects in the field of view of the wavefront sensor is small.

Предлагаемое техническое решение измерения вертикальных профилей характеристики показателя преломления воздуха основано на том, что сканирование атмосферных слоев выполняют просвечивающими оптическими лучами за счет естественного движения светила по небосводу вследствие суточного вращения Земли. На рисунке 1 показана схема способа измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений.The proposed technical solution for measuring vertical profiles of the characteristic of the refractive index of air is based on the fact that scanning of atmospheric layers is performed by translucent optical rays due to the natural movement of the star in the sky due to the daily rotation of the Earth. Figure 1 shows a diagram of a method for measuring vertical profiles of the refractive index of air for the correction of solar images.

Измерения локальных наклонов волновых фронтов на каждой субапертуре выполняют с помощью одного датчика волнового фронта, работающего по одному источнику света произвольной формы и размера, позиция которого изменяется за счет суточного вращения Земли. Пересечения световых пучков формируют между положением пучка в начальный момент времени и последующим положением пучка вследствие суточного движения объекта по небосводу. На втором шаге расчетов положение опорного пучка смещено на угол (на один шаг по времени). Далее, по данным измерений локальных наклонов волнового фронта рассчитывают усредненные по отдельным временным интервалам пространственно-временные кросскореляционные функции локальных наклонов, формируемых в скрещенных оптических пучках, в начальный момент и последующие моменты времени. Из зарегистрированного набора оптических пучков выбирают все скрещенные пучки, «точки пересечения» которых располагаются на разных высотных уровнях по лучу зрения. Длину временного интервала определяют исходя из минимальной высоты измерений профиля характеристик показателя преломления воздуха. Количество пересечений пучков выбирают в соответствии с заданным пространственным разрешением положения расчетных уровней по вертикали. Нижняя высота определения единичного профиля - 20 м, что по времени измерений занимает до 20 с. Пространственное разрешение способа возрастает за счет высокой дискретизации углов во времени и ограничивается скоростью регистрации датчика волнового фронта и угловым смещением наблюдаемого объекта во времени. Ранжирование «точек пересечения» световых пучков, разнесенных по апертуре телескопа и времени регистрации, связанного с углом между последовательными положениями пучков выполняют согласно соотношению:The measurements of the local slopes of the wave fronts at each subaperture are performed using one wavefront sensor operating on a single light source of arbitrary shape and size, the position of which changes due to the daily rotation of the Earth. Intersections of light beams form between the position of the beam at the initial time and the subsequent position of the beam due to the daily movement of the object in the sky. At the second step of the calculations, the position of the reference beam is shifted by an angle (by one time step). Further, according to the measurements of the local tilts of the wave front, the spatio-temporal cross-correlation functions of the local tilts formed in the crossed optical beams averaged over individual time intervals are calculated at the initial moment and subsequent time instants. From the registered set of optical beams, all crossed beams are selected, the "intersection points" of which are located at different altitude levels along the line of sight. The length of the time interval is determined based on the minimum height of the measurements of the profile of the characteristics of the refractive index of air. The number of beam intersections is selected in accordance with a given spatial resolution of the vertical position of the calculated levels. The lower height for determining a single profile is 20 m, which takes up to 20 s in the measurement time. The spatial resolution of the method increases due to the high discretization of the angles in time and is limited by the speed of registration of the wavefront sensor and the angular displacement of the observed object in time. The ranking of the "intersection points" of light beams spaced along the aperture of the telescope and the recording time associated with the angle between successive positions of the beams is performed according to the ratio:

Figure 00000008
Figure 00000008

где D - диаметр входного зрачка телескопа, h - высота слоя, n - число выбранных субапертур датчика волнового фронта, θ(t) - переменный угол между источниками световых пучков в разные моменты времени, α - зенитный угол Солнца. Полученные амплитуды пространственно-временных кросскореляционных функции показателя преломления воздуха, привязанные к высотным уровням, позволяют рассчитать вертикальный профиль характеристики показателя преломления воздуха

Figure 00000009
по формуле (1):where D is the diameter of the entrance pupil of the telescope, h is the layer height, n is the number of selected subapertures of the wavefront sensor, θ (t) is the variable angle between the sources of light beams at different instants of time, and α is the zenith angle of the Sun. The obtained amplitudes of the spatio-temporal cross-correlation functions of the refractive index of air, tied to altitude levels, allow us to calculate the vertical profile of the characteristics of the refractive index of air
Figure 00000009
by the formula (1):

Figure 00000010
Figure 00000010

где пространственно-временную кросскорреляционную функцию локальных наклонов волновых фронтов C(δi,δj,δt) находят по формуле (2):where the space-time cross-correlation function of the local slopes of the wave fronts C (δi, δj, δt) is found by the formula (2):

Figure 00000011
Figure 00000011

взаимнокорреляционную функцию A1((δi,δj,δt) определяют по формуле (3)cross-correlation function A 1 ((δi, δj, δt) is determined by the formula (3)

Figure 00000012
Figure 00000012

δi и δj - расстояния между субапертурами, индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат, s0,0 - локальные наклоны волнового фронта на опорной субапертуре с координатами (0,0) в момент времени t=0, sδi,δj,δt - локальные наклоны волнового фронта на субапертуре сдвинутой на шаг относительно исходной, в том числе, на субапертурах в последующие моменты времени O(δ(δδj) - число пересекающихся субапертур на датчике волнового фронта, <> - знак усреднения по временной реализации, F - знак Фурье преобразования,

Figure 00000007
- знак обратного Фурье преобразования, N и M - общее количество субапертур вдоль каждой из произвольно выбранных перпендикулярных осей координат, K - матричная весовая функция, имеющая размерность м-2/3. Определение матричной весовой функции производится по данным интегральных значений амплитуды искажений волнового фронта. Высоты атмосферных слоев определяются по формулам
Figure 00000013
δi and δj are the distances between subapertures, the indices i, j denote the positions of subapertures on the aperture along arbitrarily selected orthogonal coordinate axes, s 0,0 are the local slopes of the wavefront at the reference subaperture with coordinates (0,0) at time t = 0, s δi, δj, δt are the local slopes of the wavefront on the subaperture shifted by a step relative to the initial one, including on the subapertures at subsequent time instants O (δ (δδj) is the number of intersecting subapertures on the wavefront sensor, <> is the averaging sign over temporary implementation, F - Fourier sign p eobrazovaniya,
Figure 00000007
is the sign of the inverse Fourier transform, N and M are the total number of subapertures along each of the arbitrarily selected perpendicular coordinate axes, K is the matrix weight function with dimension m -2/3 . The determination of the matrix weight function is performed according to the integral values of the wavefront distortion amplitude. The heights of the atmospheric layers are determined by the formulas
Figure 00000013

Способ был реализован на Большом солнечном вакуумном телескопе (БСВТ) Байкальской астрофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН. Датчик волнового фронта был установлен в параллельном пучке в плоскости, сопряженной с плоскостью апертуры телескопа. Датчик имел 8×8 субапертур и цифровую камеру с размером матрицы 7×7 мм, 740×480 пиксел, частота 100 кадров в секунду. В качестве источника света использовался край солнечного изображения. Полные серии измерений занимали ~ 45 сек, при этом на восстановление единичного вертикального профиля затрачивалось ~ 15 сек. Использование одного датчика волнового фронта позволило сохранить плотность светового потока на каждой субапертуре и, как следствие, повысить точность измерений локальных наклонов волнового фронта. По сравнению с аналогом при прочих равных условиях точность измерений возросла более чем в 2 раза. Кроме этого, что важно, увеличилось число высотных уровней более чем в 10 раз.The method was implemented at the Big Solar Vacuum Telescope (BSVT) of the Baikal Astrophysical Observatory of the ISZF SB RAS. The wavefront sensor was mounted in a parallel beam in a plane conjugated to the plane of the telescope aperture. The sensor had 8 × 8 subapertures and a digital camera with a matrix size of 7 × 7 mm, 740 × 480 pixels, a frequency of 100 frames per second. The edge of the solar image was used as a light source. A complete series of measurements took ~ 45 sec, while ~ 15 sec was required to restore a single vertical profile. The use of one wavefront sensor made it possible to preserve the light flux density at each subaperture and, as a result, increase the accuracy of measurements of the local wavefront tilts. Compared to the analogue, ceteris paribus, the measurement accuracy increased by more than 2 times. In addition, importantly, the number of altitude levels has increased by more than 10 times.

По данным измерений локальных наклонов волнового фронта заявляемым способом были получены вертикальные профили характеристики показателя преломления воздуха по измерениям локальных наклонов волнового фронта в узловых точках пересечений световых пучков.According to the measurements of the local slopes of the wave front by the claimed method, vertical profiles of the characteristics of the refractive index of air were obtained from measurements of the local slopes of the wave front at the nodal intersections of light beams.

На рисунке 2 показаны примеры вертикальных профилей характеристики показателя преломления воздуха, рассчитанные по данным измерений локальных наклонов волнового фронта, 28.06.2018. Полученные вертикальные профили характеристики показателя преломления позволяют рассчитать аналогичные профили для других характеристик показателя преломления воздуха.Figure 2 shows examples of vertical profiles of the characteristics of the refractive index of air, calculated from the measurements of local slopes of the wave front, 06/28/2018. The obtained vertical profiles of the characteristics of the refractive index make it possible to calculate similar profiles for other characteristics of the refractive index of air.

Верификация результатов измерения предлагаемым способом была выполнена путем сравнения изменений приведенных к зениту значений радиуса Фрида, обозначающего средний линейный размер неоднородности показателя преломления [3], и интегральной величины характеристики показателя преломления воздуха.Verification of the measurement results by the proposed method was performed by comparing changes in the zenith values of the Fried radius, denoting the average linear size of the heterogeneity of the refractive index [3], and the integral value of the characteristic of the refractive index of air.

На рисунке 3 (верхняя фигура) показаны изменения приведенных к зениту средних значений радиуса Фрида r0 в дневное время, рассчитанные по измерениям датчика волнового фронта Шака-Гартмана. По оси абсцисс показано время наблюдений, по оси ординат - значения радиуса Фрида. Непрерывной кривой показано изменение средних значений радиуса Фрида, определенных по дрожанию субизображений по 52 парам разнесенных субапертур. Заливкой показаны средние квадратические отклонения значений радиуса Фрида. Оценка радиуса Фрида производилась по данным измерений дрожания края солнечного изображения, выполненных за 28.06.2018.Figure 3 (upper figure) shows changes in the mean values of the Fried radius r 0 brought to the zenith in the daytime, calculated from the measurements of the Shack-Hartmann wavefront sensor. The abscissa shows the time of observation, the ordinate shows the Fried radius. The continuous curve shows the change in the average values of the Fried radius, determined by the trembling of sub-images over 52 pairs of spaced subapertures. The fill shows the root mean square deviations of the Fried radius values. The Fried radius was estimated based on the data on the jitter of the edge of the solar image taken on June 28, 2018.

На нижней фигуре рисунка 3 показаны изменения интегральной величины характеристики показателя преломления воздуха k, рассчитанной по данным измерений локальных наклонов волнового фронта, 28.06.2018. По оси абсцисс отложено время, по оси ординат - k.The lower figure of Figure 3 shows the changes in the integral value of the characteristic of the refractive index of air k, calculated from the measurements of the local slopes of the wave front, 06/28/2018. The time is plotted along the abscissa, and k is plotted along the ordinate.

Анализ рис. 2 и 3 показывает, что значения радиуса Фрида, определенные в слое от 0 до 20 км, имеют тенденцию к уменьшению при возрастании величины k, характеризующей степень развитости турбулентности и наоборот. Характер изменений этих величин указывает на реалистичность результатов измерений применяемым способом.Analysis Fig. 2 and 3 shows that the values of the Fried radius, defined in the layer from 0 to 20 km, tend to decrease with increasing value of k, which characterizes the degree of development of turbulence and vice versa. The nature of the changes in these values indicates the realism of the measurement results by the applied method.

Характер распределения характеристик показателя преломления воздуха по вертикали согласуется с полученными данными выполненных лидарных наблюдений вертикальной структуры воздушных течений. Экспериментальные исследования в месте расположения БСВТ, выполненные с помощью Stream Line lidar, позволили выявить особенности течений в нижнем слое атмосферы. Был подтвержден двухслойный характер изменений скорости и направления ветра с высотой. Полученные из измерений оценки высот повышенной интенсивности турбулентности заявляемым способом оказались в согласии с характерными высотами, определяемыми из лидарных измерений.The character of the vertical distribution of the characteristics of the refractive index of air is consistent with the data obtained from lidar observations of the vertical structure of air currents. Experimental studies at the BSWT location, performed with the help of Stream Line lidar, revealed the features of the currents in the lower atmosphere. The two-layer nature of changes in wind speed and direction with height was confirmed. Obtained from the measurements of heights of increased turbulence intensity by the claimed method were in agreement with the characteristic heights determined from lidar measurements.

Источники информации:Sources of information:

1. Wilson R.W. "SLODAR: measuring optical turbulence altitude with a Shack-Hartmann wavefront sensor" / MNRAS Volume 337, Issue 1, 2002. pp. 103-108.1. Wilson R.W. "SLODAR: measuring optical turbulence altitude with a Shack-Hartmann wavefront sensor" / MNRAS Volume 337, Issue 1, 2002. pp. 103-108.

2. Townson M.J. "Correlation wavefront sensing and turbulence for solar adaptive optics / A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy" / University of Durham. United Kingdom. 2016. P. 139.2. Townson M.J. "Correlation wavefront sensing and turbulence for solar adaptive optics / A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy" / University of Durham. United Kingdom. 2016.P. 139.

3. Hickson P. "Fundamentals of atmospheric and adaptive optics" / The University of British Columbia, Department of Physics and Astronomy. 2008. P. 68.3. Hickson P. "Fundamentals of atmospheric and adaptive optics" / The University of British Columbia, Department of Physics and Astronomy. 2008.P. 68.

Claims (3)

Способ измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений, заключающийся в том, что измеряют локальные наклоны волновых фронтов на солнечном изображении в скрещенных оптических пучках, отличающийся тем, что измерение характеристики показателя преломления воздуха выполняют по пространственно-временной кросскорреляционной функции локальных наклонов волновых фронтов от одного объекта солнечного изображения, сдвигающегося за счет суточного вращения Земли на определенные углы в каждый из последующих моментов времени, вертикальный профиль характеристики показателя преломления воздуха
Figure 00000014
определяют по следующему выражению:A method for measuring vertical profiles of the refractive index of air for correcting solar images, which consists in measuring the local slopes of the wave fronts in the solar image in crossed optical beams, characterized in that the measurement of the characteristics of the refractive index of air is performed by the spatio-temporal cross-correlation function of the local slopes of the wave fronts from one object of the solar image, shifting due to the daily rotation of the Earth at certain angles in each from subsequent times, the vertical profile of the characteristic of the refractive index of air
Figure 00000014
determined by the following expression:
Figure 00000015
Figure 00000015
 где C(δi, δj, δt) - пространственно-временная кросскорреляционная функция локальных наклонов волновых фронтов, A1(δi, δj, δt) - взаимнокорреляционная функция, δi и δj - расстояния между субапертурами, δi и δj - расстояния между субапертурами (участков на апертуре телескопа), индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат, δt - временной промежуток между отсчетами, F - знак Фурье-преобразования,
Figure 00000016
- знак обратного Фурье-преобразования, K - матричная весовая функция, имеющая размерность м-2/3, определение матричной весовой функции производится по данным интегральных значений амплитуды искажений волнового фронта, высоты атмосферных слоев определяются по формулам
Figure 00000017
где α - зенитный угол Солнца.where C (δi, δj, δt) is the space-time cross-correlation function of the local slopes of the wave fronts, A 1 (δi, δj, δt) is the cross-correlation function, δi and δj are the distances between subapertures, δi and δj are the distances between subapertures (sections at the telescope’s aperture), the indices i, j denote the positions of subapertures on the aperture along arbitrarily selected orthogonal coordinate axes, δt is the time interval between samples, F is the sign of the Fourier transform,
Figure 00000016
is the sign of the inverse Fourier transform, K is the matrix weight function having the dimension m -2/3 , the matrix weight function is determined according to the integral values of the wavefront distortion amplitude, the heights of the atmospheric layers are determined by the formulas
Figure 00000017
where α is the zenith angle of the sun.
RU2019110482A 2019-04-08 2019-04-08 Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images RU2712464C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019110482A RU2712464C1 (en) 2019-04-08 2019-04-08 Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019110482A RU2712464C1 (en) 2019-04-08 2019-04-08 Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2712464C1 true RU2712464C1 (en) 2020-01-29

Family

ID=69624817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019110482A RU2712464C1 (en) 2019-04-08 2019-04-08 Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2712464C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113125351A (en) * 2021-03-25 2021-07-16 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) Multi-time remote sensing image optimization synthesis method and system
RU2773390C2 (en) * 2020-09-15 2022-06-03 Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации Method for determining the altitude profile of the refractive index of air of a volumetric spatial area based on the analysis of the light field

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2431813C2 (en) * 2006-01-20 2011-10-20 Клэрити Медикал Системс Wave front transducer
CN105242329A (en) * 2015-10-30 2016-01-13 南京理工大学紫金学院 Sun-image-movement-based atmosphere turbulence measurement apparatus and method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2431813C2 (en) * 2006-01-20 2011-10-20 Клэрити Медикал Системс Wave front transducer
CN105242329A (en) * 2015-10-30 2016-01-13 南京理工大学紫金学院 Sun-image-movement-based atmosphere turbulence measurement apparatus and method thereof

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.J. Townson "Correlation wavefront sensing and turbulence profiling for solar adaptive optics" / A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy /The University of Durham. United Kingdom, March 2016. *
N. Anugu, J.P. Lancelot "Study of atmospheric turbulence with Shack Hartmann wavefront sensor", Journal of Optics, June 2013, vol. 42, Issure 2, pp. 128-140. *
R.W. Wilson "SLODAR: measuring optical turbulence altitude with a Shack-Hartmann wavefront sensor", MNRAS Vol. 337, Issue 1, 2002, pp. 103-108. *
R.W. Wilson "SLODAR: measuring optical turbulence altitude with a Shack-Hartmann wavefront sensor", MNRAS Vol. 337, Issue 1, 2002, pp. 103-108. M.J. Townson "Correlation wavefront sensing and turbulence profiling for solar adaptive optics" / A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy /The University of Durham. United Kingdom, March 2016. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2773390C2 (en) * 2020-09-15 2022-06-03 Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации Method for determining the altitude profile of the refractive index of air of a volumetric spatial area based on the analysis of the light field
CN113125351A (en) * 2021-03-25 2021-07-16 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) Multi-time remote sensing image optimization synthesis method and system
CN113125351B (en) * 2021-03-25 2022-11-29 国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心) Multi-time remote sensing image optimization synthesis method and system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Assessment of the impacts of surface topography, off-nadir pointing and vegetation structure on vegetation lidar waveforms using an extended geometric optical and radiative transfer model
US8279287B2 (en) Passive crosswind profiler
US20110032337A1 (en) Method and camera for the real-time acquisition of visual information from three-dimensional scenes
Shikhovtsev et al. Method for estimating the altitudes of atmospheric layers with strong turbulence
Romps et al. Observing clouds in 4D with multiview stereophotogrammetry
CN101371116A (en) Wavefront aberration and distance measurement phase camera
RU2712464C1 (en) Method of measuring vertical profiles of air refraction index for correction of solar images
Ragazzoni et al. Ingot laser guide stars wavefront sensing
Dugan et al. Ocean wave dispersion surface measured with airborne IR imaging system
Jian et al. A review of daytime atmospheric optical turbulence profile detection technology
CN107329190A (en) The sensitive imaging test method of GMS fixed star
CN105136114B (en) Big cross section measuring method based on line-structured light under complicated luminous environment
US9383207B2 (en) Self-contained navigation system and method
Afanasiev et al. Estimation of the integral wind velocity and turbulence in the atmosphere from distortions of optical images of naturally illuminated objects
US11297229B2 (en) Method of acquiring images at a plurality of acquisition locations of an acquisition device
Kiefhaber et al. Water wave measurement from stereo images of specular reflections
Konyaev et al. Passive optical methods in measurement of the structure parameter of the air refractive index
Shen et al. Laser-based water depth measurement system deployed via unmanned aerial vehicle
RU2497159C2 (en) Method of determining height of cloud base
Shikhovtsev et al. The method to restore the profiles of the atmospheric turbulence from solar observations
Bose-Pillai et al. Profiling atmospheric turbulence using time-lapse imagery from two cameras
Thomas Aerial Photography
US20220383764A1 (en) Estimation of Atmospheric Turbulence Parameters using Differential Motion of Extended Features in Time-lapse Imagery
Lukin et al. Efficiency of adaptive correction of images in a telescope using an artificial guide star
RU2773390C2 (en) Method for determining the altitude profile of the refractive index of air of a volumetric spatial area based on the analysis of the light field

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200513

Effective date: 20200513