一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法技术

本发明专利技术公开了一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，包括以下步骤：1、选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；2、在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积(为叙述方便，该部分面积简称R)上的全部光强；3、结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。本发明专利技术能够实时连续测量大气相干长度、等晕角和倾斜等晕角三参数，首次实现一个仪器同时测量湍流三参数；在现有两参数测量仪基础上测量第三参数，且仪器改动较少、易于实现，物尽其用、性价比高。

A comprehensive measurement method of three parameters of optical turbulence in the whole atmosphere

【技术实现步骤摘要】
一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法
本专利技术属于光波大气传输
，具体涉及一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法。
技术介绍
m阶湍流矩(μm)定义为折射率结构常数在湍流路径上的积分，其中路径权重函数为路径位置变量z的m次方，即L为光在湍流路径上的传播距离。目前在湍流效应评估中运用最多的两个湍流矩是0阶矩μ0和5/3阶矩μ5/3，分别对应于天文选址中测量的大气相干长度r0和等晕角θ0。实际上还有一个重要的湍流矩没被利用，即湍流二阶矩μ2，其对应于整层大气的倾斜等晕角θΤA，与湍流非等晕性误差有关。非等晕性误差的相位zernike模式各阶项可以近似用二阶矩μ2来表示，μ2可以用来评估实际有效的角度非等晕性误差、聚焦非等晕性误差、以及转换成倾斜等晕角。鉴于湍流二阶矩的重要性，申请人认为在湍流效应评估中，除了监测r0、θ0外，还应该监测二阶矩μ2(或者说倾斜等晕角θΤA)。现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪(本文中简称两参数测量仪)采用口径300mm以上望远镜(折反式，中间有次镜遮拦)，在其前端开设两个通光子孔，利用DIMM原理测量r0，恒星闪烁法测量θ0；但能同时测量r0、θ0以及θΤA三参数的仪器未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，包括以下步骤：步骤1：选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；步骤2：在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积(为叙述方便，该部分面积简称R)上的全部光强；步骤3：结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。优选的，对第三个参数倾斜等晕角的测量流程如下：步骤1：设现有两参数测量仪两个子孔接收到的恒星光强值分别为I1和I2，光瞳面积上的光强为I3，则整个望远镜通光孔径(由于折反式望远镜光瞳中心存在次镜，该通光孔径是一个圆环)上的总光强为I0＝I1+I2+I3，计算圆环孔径上的相对光强起伏方差(简称孔径闪烁)：其中括号<>代表统计平均，统计样本不低于200；步骤2：将孔径闪烁转换为对数振幅起伏方差σ2χA：步骤3：根据选定望远镜的口径D和Di(分别为通光圆环的外径和内径，对于商业折反式望远镜，Di/D一般约为1/3)，计算σ2χA的湍流路径权重W(u)及其最大值A：其中，u＝z/L为归一化路径，Jn为第一类n阶贝塞尔函数；FN为菲涅尔数D2/λ0L，λ0为探测波长，L＝h0secφ，其中h0为所取湍流大气层高度，一般取20km，φ为天顶角，通常要求天顶角φ小于45度；步骤4：将以上计算所得的σ2χA、A代入下式计算倾斜等晕角θΤA其中，λc、Dc为与倾斜等晕角对应的波长、孔径直径。优选的，所述用于接收望远镜未被利用光瞳面积上全部光强的探测器可以是现有两参数测量仪中的探测器，或另辟光路增加一个光强探测器。优选的，在所述望远镜未被利用光瞳面积上的光的光路上，加入中性衰减片，使得探测器接收到的该光光强与所述两参数测量仪子孔中的光强相当。有益效果：(1)本专利技术的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，能够实时连续测量大气相干长度、等晕角和倾斜等晕角三参数，首次实现一个仪器同时测量湍流三参数。(2)本专利技术的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，在现有两参数测量仪基础上测量第三参数，且仪器改动较少、易于实现，物尽其用、性价比高。附图说明图1为本专利技术所涉一种实施例的接收光瞳结构示意图。图2为本专利技术所涉不同菲涅尔数下闪烁路径权重匹配均方根误差RMSE曲线图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的实施例。如图1-2所示，一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，包括以下步骤：步骤1：选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；步骤2：在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积(为叙述方便，该部分面积简称R)上的全部光强；步骤3：结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。优选的，对第三个参数倾斜等晕角的测量流程如下：步骤1：设现有两参数测量仪两个子孔接收到的恒星光强值分别为I1和I2，光瞳面积上的光强为I3，则整个望远镜通光孔径(由于折反式望远镜光瞳中心存在次镜，该通光孔径是一个圆环)上的总光强为I0＝I1+I2+I3，计算圆环孔径上的相对光强起伏方差(简称孔径闪烁)：其中括号<>代表统计平均，统计样本不低于200；步骤2：将孔径闪烁转换为对数振幅起伏方差σ2χA：步骤3：根据选定望远镜的口径D和Di(分别为通光圆环的外径和内径，对于商业折反式望远镜，Di/D一般约为1/3)，计算σ2χA的湍流路径权重W(u)及其最大值A：其中，u＝z/L为归一化路径，Jn为第一类n阶贝塞尔函数；FN为菲涅尔数D2/λ0L，λ0为探测波长，L＝h0secφ，其中h0为所取湍流大气层高度，一般取20km，φ为天顶角，通常要求天顶角φ小于45度；步骤4：将以上计算所得的σ2χA、A代入下式计算倾斜等晕角θΤA其中，λc、Dc为与倾斜等晕角对应的波长、孔径直径。优选的，所述用于接收望远镜未被利用光瞳面积上全部光强的探测器可以是现有两参数测量仪中的探测器，或另辟光路增加一个光强探测器。优选的，在所述望远镜未被利用光瞳面积上的光的光路上，加入中性衰减片，使得探测器接收到的该光光强与所述两参数测量仪子孔中的光强相当。本专利技术的原理及依据是：大孔径接收的平面波相对光强起伏方差的归一化路径权重W(u)/A能近似匹配倾斜等晕角的路径权重u2，从而可以通过测量相对光强起伏方差来间接测量倾斜等晕角。即：W(u)/A≈u2(13)其中，A＝Max[WC(u)]。对于平面波在弱起伏条件下传输，根据经典湍流理论，孔径上对数振幅起伏协方差σ2χA可表示为其中，W(u)为σ2χA的湍流积分路径权重，见公式(3)。已知倾斜等晕角θΤA的表达式如下：联立公式(5)-(7)可得θΤA的测量公式(4)。所述望远镜口径D和Di的选定决定菲涅尔数FN，进而决定归一化湍流路径权重W(u)/A，从而影响W(u)/A与倾斜等晕角θΤA的路径权重u2的匹配精度。数值计算表明，菲涅尔数FN越大，孔径闪烁路径权重W(u)/A与u2越匹配；FN小于8时，匹配精度很差，当FN大于8时，匹配精度显著提高，因而要求FN≥8。为满足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；/n步骤2：在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积上的全部光强；/n步骤3：结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选取口径300mm及以上的望远镜接收经过整层大气的平行光；
步骤2：在现有大气相干长度和等晕角两参数测量仪的基础上，利用探测器接收望远镜未被利用光瞳面积上的全部光强；
步骤3：结合两参数测量仪子孔中的光强数据，计算整个望远镜通光孔径上的光强起伏方差可以得到倾斜等晕角，也即第三个参数。


2.根据权利要求1所述的一种整层大气光学湍流三参数综合测量方法，其特征在于，对第三个参数倾斜等晕角的测量流程如下：
步骤1：设现有两参数测量仪两个子孔接收到的恒星光强值分别为I1和I2，面积光瞳面积上的光强为I3，则整个望远镜通光孔径(由于折反式望远镜光瞳中心存在次镜，该通光孔径是一个圆环)上的总光强为I0＝I1+I2+I3，计算圆环孔径上的相对光强起伏方差(简称孔径闪烁)：



其中括号<>代表统计平均，统计样本不低于200；
步骤2：将孔径闪烁转换为对数振幅起伏方差σ2χA：



步骤3：根据选定望...

【专利技术属性】
技术研发人员：于龙昆，沈红，熊鹏文，张强，路昌炜，何冰，戴鸿辉，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36