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一种大气相干长度仪的小型化设计方法

阅读:1024发布:2020-05-29

专利汇可以提供一种大气相干长度仪的小型化设计方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 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。,下面是一种大气相干长度仪的小型化设计方法专利的具体信息内容。

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:
其中,σl2、σt2为两子瞳波前差分到达的纵向、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 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 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。

说明书全文

一种大气相干长度仪的小型化设计方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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 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 and Astrophysics,1990,227(1):294-300.)。
[0003] 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

[0004] 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。
[0005] 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;
[0006] 测量大气相干长度的计算公式采用如下公式:
[0007]
[0008] 其中,σl2、σt2为两子瞳波前差分到达的纵向、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。
[0009] 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)。
[0010] 优选的,近场近似条件为 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 L’为路径上主要湍流区域路径长度。
[0011] 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。
[0012] 有益效果:
[0013] 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
[0014] 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;
[0015] 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

[0016] 下面结合附图进一步说明本发明的实施例。
[0017] 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;
[0018] 测量大气相干长度的计算公式采用如下公式:
[0019]
[0020] 其中,σl2、σt2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。
[0021] 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)。
[0022] 近场近似条件为 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 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。
[0023] 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)。
[0024] 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。
[0025] 本发明的原理及依据是:
[0026] 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;
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
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