测量大气平均风速风向的图像漂移速度法制造技术

本发明专利技术公开了一种利用图像漂移速度法测量传输光路上横向平均风速和风向的方法。在施密特－卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，目标的入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后光束进入四棱锥光楔分光，再经成像透镜，成像于面阵ＣＣＤ传感器上，这样可以得到同一目标的四个像；所得图像可以两两组合成六组不同基线的图像对。利用图像到达角运动速度结构函数（见右下式），在得到四个方向上的图像到达角运动漂移速度结构函数后，根据它们间的数学关系就可以得到传输光路上横向平均风速和风向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大气光学领域，具体是利用图像漂移速度差分法测量传输光路上的横向平均风速和风向的方法。
技术介绍
现代天文高分辨光学成像技术均涉及经过大气传输后光波波前的时间相干性，如斑点成像技术中的斑点寿命，光干涉中的条纹最大积分时间，自适应光学系统中的响应时间，这些时间的物理本质均为大气相干时间，而光传输路径上的横向平均风速在光波传输中是确定相干时间的一个重要参量，因此对于传输光路上的横向平均风速和风向的测量显得非常重要，特别是在光波传输和天文成像应用中具有很大的意义。目前，传输光路横向风速的测量方法有很多种。例如：就水平传输而言，可以利用超声风速计测量多个布点上的风速、风向，然后求取平均风速；就斜程传输而言，可以利用多普勒测风雷达进行测量。另外，还有研究报道通过图像的抖动频谱等方法进行测量。亦有学者提出利用图像速度差分测量风速的概念，但它们的方法侧重于理论上的假定，比如只能假定到达角沿某一个固定的方向，而且需要事先假定风向，然后再计算风速，实际上速度差分公式中风速与风向密切相关，而且测量过程风向不断发生变化，因此这种假定是不切实际的，在实际应用中该方法也是不可行的。总体而言，上述这些方法在测量上要么设备造价高、维护成本高，要么测量不够准确或者难以实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用图像漂移速度差分测量传输光路上的横向平均风速和风向的方法。通过理论推导，将到达角方向推广到各个方向上，可得到图像运动速度的结构函数。因而，能够利用四孔差分图像运动大气相干长度测量仪提供多种基线配置方式，对两组正交方向上的到达角速度结构函数进行数学计算就可以得到传输光路上平均横向风速和风向。本专利技术的技术方案如下：-->测量大气平均风速风向的图像漂移速度法，其特征在于包括以下步骤：(1)、在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，只允许四子孔通光，四子孔的相邻孔的圆心连线构成正方形，同一目标入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后进入四棱锥光楔进行分光，在四棱锥光楔的后面置一个成像透镜，由于四棱锥光楔具有分光的功能，被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵CCD传感器上，这样得到同一目标的四个图像，CCD传感器接收到的四个图像经采集卡由计算机进行采集；(2)、推导出的包括到达角方向变量的图像运动速度结构函数：Dc·(α,θ)=0.259λ2r0-5/3D-7/3[(2cos2(θ-α)+1)v-2+2Δv2]---(34)]]>在前述四孔差分图像运动大气相干长度测量仪得到的同一目标的四个分离的图像基础上，经图像采集卡采集一定连续时间序列的图像(一般要求200帧以上)，通过连续两帧图像中的目标图像的位置和两帧图像之间的采集时间间隔，计算出同一基线上的两个图像沿该基线上的差分到达角速度，一次采样过程便可以得到到达角起伏速度结构函数，按照(34)式分别进行四组基线方向上的到达角起伏速度结构函数计算，方法如下：令α＝0°，α＝90°，α＝45°，α＝135°，-->由(37)式、(40)式相除可以得到至此，即可得出传输光路上横向平均风速v和风向θ。所述的四子孔大小相同，和四棱锥光楔匹配。本专利技术优点：推导出包含到达角方向变量的图像抖动速度结构函数，利用工程上易于实现的四孔差分图像运动大气相干长度测量仪，对两组正交基线方向上的图像对进行速度差分计算，就可以求出传输光路上的横向平均风速和风向，而且一次计算过程可以测量出两组风速和风向以便进行自洽式验证。该方法技术上易于实现、理论较为完备，因此是一种可靠的测量方法。附图说明：图1是风速风向示意图。图2是成像体示意图。图3是本专利技术光路结构图。图4是本专利技术四子孔光瞳板结构示意图。具体实施方式参见附图3、4。首先在望远镜的入射口，安装一个四子孔光瞳板1，只允许四子孔通光进入望远镜物镜。同一目标的入射光被分为四束光由施密特-卡塞格林望远镜(简称为卡氏望远镜)物镜进入。卡氏望远镜的口径为356mm，焦距为3556mm。四个入射子孔直径可分别按需要改变为50mm、80mm和100mm，水平和铅直方向上两孔中心间距为200mm，相邻孔圆心连线构成正方形，边长为141.4mm。如图2所示。入射光束通过卡氏望远镜，与一个直径φ＝10mm，焦距f＝25mm的光学转换透镜2共焦，转换为平行光进入五角棱镜3。五角棱镜3的三边A＝B＝C＝18mm，五角棱镜90°直角边两相邻面镀银膜用于可见光全反，入射面和出射面镀可见光增透膜。将五角棱镜3固定安装在可调节的棱镜架上，旋转调节棱镜架使入射光束90°转向，在获得与成像透镜5同光轴时棱镜架锁定-->五角棱镜3。光经五角棱镜成90°方向转向后，进入四棱锥光楔4分光。在四分光光楔4的后面置于一个直径φ＝10mm，焦距f＝100mm的成像透镜5，由于四棱锥光楔4具有分光的功能，因此被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵CCD传感器上，这样可以得到同一目标的四个像，而且整个系统的焦距被放大，使得目标抖动量增大，增加了测量的灵敏性。结合CCD靶面大小，两组水平和铅直方向的图像被分开一定的间距(本专利测量设备为90个像元)，被CCD接收到的四个图像经采集卡转入计算机适时采集。由大气综合参数测量软件处理后可获得光路的上的横向平均风速、风向等各种大气光学参数。测量原理由于湍流的扰动，光波经过大气传输后，在接收望远镜焦平面处光学图像作随机的漂移，这就是常说的光束到达角起伏的结果。假定在x-y坐标系内，研究的到达角方向与x坐标轴成α角，风向与x轴成θ角，如附图1所示，其中b轴与α轴垂直。若cα(x，y)为某时刻，沿轴a方向的到达角图像重心测量值：cα(x,y)=-λ2πP(r)⊗∂∂aφ(x,y),---(1)]]>其中φ(x，y)为某时刻位置(x，y)处波前的相差，代表二维卷积，P(r)为孔径圆域函数：P(r)=1r≤D/20r>D/2---(2)]]>因此，待求的图像速度方差可以表示为σc·2=⟨|∂dtcα(x,y)|2⟩t---(3)]]>假定在泰勒假设(亦称冻结湍流假设)条件下，当前时刻波前仍旧处于演化过程中。到达角波前倾斜速度，即图像运动的到达角速度为：c·α(x,y)=∂dtcα(x,y)=dadt∂∂acα(x,y)+dbdt∂∂bcα(x,y)+∂∂tcα(x,y)---(4)]]>假定平均风速由向量v=(v‾,θ)]]>表示，则：-->dadt=|v-|cos(θ-α)---(5)]]>dbdt=|v-|sin(θ-α本文档来自技高网...

【技术保护点】
测量大气平均风速风向的图像漂移速度法，其特征在于包括以下步骤：（１）、在施密特－卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，只允许四子孔通光，四子孔的相邻孔的圆心连线构成正方形，同一目标入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后进入四棱锥光楔进行分光，在四棱锥光楔的后面置一个成像透镜，由于四棱锥光楔具有分光的功能，被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵ＣＣＤ传感器上，这样得到同一目标的四个图像，ＣＣＤ传感器接收到的四个图像经采集卡由计算机进行采集；（２）、推导出的包括到达角方向变量的图像运动速度结构函数：Ｄ↓［ｃ］.（α，θ）＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］［（２ｃｏｓ↑［２］（θ－α）＋１）↑［－２］ｖ＋２△ｖ↑［２］］（３４）在前述四孔差分图像运动大气相干长度测量仪得到的同一目标的四个分离的图像基础上，经图像采集卡采集一定连续时间序列的图像（一般要求２００帧以上），通过连续两帧图像中的目标图像的位置和两帧图像之间的采集时间间隔，计算出同一基线上的两个图像沿该基线上的差分到达角速度，一次采样过程便可以得到到达角起伏速度结构函数，按照（３４）式分别进行四组基线方向上的到达角起伏速度结构函数计算，方法如下：令α＝０°，α＝９０°，α＝４５°，α＝１３５°，Ｄ↓［α＝０°］＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］［（２ｃｏｓ↑［２］（θ）＋１）↑［－２］ｖ＋２△ｖ↑［２］］（３５）Ｄ↓［α＝９０°］＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］［（２ｃｏｓ↑［２］（θ－９０）＋１）↑［－２］ｖ＋２△ｖ↑［２］］（３６）Ｄ↓［α＝０°］－Ｄ↓［α＝９０°］＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］２ｖ↑［２］ｃｏｓ（２θ）（３７）Ｄ↓［α＝４５°］＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］［（２ｃｏｓ↑［２］（θ－４５）＋１）↑［－２］ｖ＋２△ｖ↑［２］］（３８）Ｄ↓［α＝１３５°］＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］［（２ｃｏｓ↑［２］（θ－１３５）＋１）↑［－２］ｖ＋２△ｖ↑［２］］（３９）Ｄ↓［α＝４５°］－Ｄ↓［α＝１３５°］＝０．２５９λ↑［２］ｒ↓［０］↑［－５／３］Ｄ↑［－７／３］２ｖ↑［２］ｓｉｎ（２θ）（４０）由（...

【技术特征摘要】
1、测量大气平均风速风向的图像漂移速度法，其特征在于包括以下步骤：(1)、在施密特-卡塞格林望远镜物镜前端安装一个四子孔光瞳板，只允许四子孔通光，四子孔的相邻孔的圆心连线构成正方形，同一目标入射光被分为四束光进入望远镜后，经过光学转换透镜转换为平行光进入五角棱镜，经五角棱镜倒光后进入四棱锥光楔进行分光，在四棱锥光楔的后面置一个成像透镜，由于四棱锥光楔具有分光的功能，被分开的四光束成像于位于成像透镜焦平面处的面阵CCD传感器上，这样得到同一目标的四个图像，CCD传感器接收到的四个图像经采集卡由计算机进行采集；(2)、推导出的包括到达角方向变量的图像运动速度结构函数：Dc·(α,θ)=0.259λ2r0-5/3D-7/3[(2cos2(θ-α)+1)-2v+2Δv2]---(34)]]>在前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄宏华，姚永帮，朱文越，黄印博，饶瑞中，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]