亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能实时连续地测量白日大气视宁度参数的方法和监测设备“太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪”------SDIMM(为英文名Solar Differential Image Motion Monitorfor the Daytime Atmospheric Seeing的缩写)。
背景技术：
地球大气的视宁度参数给出了光波通过大气湍流介质成像时的大气相干直径，它决定了地面对空间目标或空间对地面目标观测的分辨率，是天文选址中必测的主要参数。视宁度参数的测量在天文高分辩率成像，自适应光学，空间目标识别，激光测量，激光瞄准，空间对地面目标观测等领域中必不可缺。
当前，国内外用于测量地球大气视宁度参数的方法主要有差分像运动法和闪烁仪法，其中差分像运动法的原理是根据Fried提出的光波通过湍流大气传播时，波前到达角的相关理论[1]以及Sarazin和Roddier提出的大气视宁度参数(通常用r0表示)的测量方法[2]用一双瞳望远镜同时观测同一点源单星，在望远镜像面上得到被分离开的两个星像------同源双像，由于两像的波前经过了不同的大气光程，两像间的相对位置随大气湍流随机地变化着，测量并计算两像重心间相对位置运动的方差，可由下面两式之一得到大气视宁度参数r0σ12＝2λ2r0-5/3
-1/3(1)σt2＝2λ2r0-5/3
-1/3(2)其中σ12，σt2分别为纵向(双瞳中心连线方向)方差和横向(垂直于纵向)方差，λ为光波长，D为双瞳望远镜两子孔的直径，d为两子孔中心的距离。由于此方法以夜间的点源恒星为测量对象，因此只能测量夜间的大气视宁度，被称为“恒星差分像运动法”，相应的测量仪器称为“差分像运动监测仪”------DIMM(为英文名Differential Image Motion Monitor的缩写)。恒星的闪烁效应与大气层的高度密切相关，一般用于测量较低层的大气对r0的影响程度。
对于白日大气视宁度，由于只有太阳一个天体可观测，而且是一个大面源，使恒星差分像运动法的DIMM不能使用，此前只有用对太阳观测的闪烁仪，但因其测量的是整个大面积太阳的闪烁，高层大气的湍流效应被平滑了，只能测量近地面大气层的视宁度[3-4]，因而无法得到整个大气层的白日大气视宁度参数r0。

发明内容
提出了一种能准确测量白日大气视宁度参数r0的方法和仪器。基于恒星差分像运动法的原理，发明人提出了本发明思想并设计制造了实现发明思想的专门仪器------“太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪”，它可实时连续地对整个大气层的白日大气视宁度参数r0进行测量。解决了不能用恒星DIMM和其他方法精确测量白日大气视宁度参数的问题，开创了用太阳边缘的差分像运动测量白日视宁度的新方法。
本方法的发明思想是发明人在对太阳的观测中敏锐地发现太阳的边缘具有清晰的像，即可以精确地测量太阳边缘像的位置，并提出以太阳边缘的一小部分作为观测对象，通过专门的仪器测量一小段太阳边缘经过不同的大气光程后形成的两个像之间相对运动的方差，使之可应用上述Sarazin和Roddier的原理测量白日大气视宁度参数。基于此发明思想，提出了如下本发明的技术方案。
体现本发明思想所采用的技术方案是用一双瞳望远镜观测某一段太阳边缘，在望远镜像面上得到相应的太阳边缘像，在像面上用一狭逢截取一小段太阳边缘像，在其后用一光学波前分割系统得到该一小段太阳边缘的通过不同大气光程后形成的两个被分离开的同源双像，设计的光学系统应保证因大气抖动而产生的太阳边缘两同源双像之间的相对运动是沿望远镜双瞳中心连线方向进行的，采集和计算此两像间相对运动的方差就是纵向方差，由(1)式得到白日大气视宁度参数r0值。
下面是详细描述当用一双瞳望远镜观测太阳边缘时，设望远镜两瞳(以下简称“两瞳”)的中心连线的方向为N，方向N所对准的太阳边缘就是被观测的对象，由于太阳的整个边缘是个圆，所以N可为望远镜光瞳平面内的任何方向，既可将太阳边缘的任何部分作为观测对象；设M为垂直于N的方向，M和N应在一个平面内，以下简称“NM平面”，NM平面的特性应为无论在任何位置处，NM平面必有一对相互垂直的方向严格地对应于望远镜光瞳平面上的N、M方向，例如在本发明中，所有用到的NM平面均与望远镜的光瞳平面相平行，各平面上的N、M也均分别与望远镜的光瞳平面上的N、M方向相平行，这只是一个典型特例，广意而言，NM平面也包含了经过折射或反射后的与上述NM平面等效的平面——此时它们可能与光瞳平面不平行了。在说明书附图中图1，图2，图3给出了N为东西向、M为南北向时各NM平面的情况。
在望远镜的第一次像面(一个NM平面)上，用一个长边垂直于太阳像边缘的狭缝取下一小段太阳边缘的两个狭缝像，狭缝长边的分布方向(以下简称“狭缝方向”)严格地等于方向N；在狭缝后方设置一准直透镜形成望远镜的一出瞳，由该出瞳射出了两束对应于两个太阳边缘狭缝像的子波，它们仍然沿方向N分开，实现对两个子波的一次分割；在出瞳后设置一差分像掩模板(一个NM平面)，掩模板上设置两个小孔恰能分别通过此二光束；在其中之一小孔上设置一小光楔，用于实现对两个子波的二次分割，光楔的摆放方式是关键它使被分割的其中一个子波经过小光楔后，产生一个固定的沿M方向的波前倾斜；在差分像掩模板后方设置一个第二次成像镜，在其像面(一个NM平面)上，即第二次像面上就产生了因一入射波的波前发生了倾斜而被沿M方向分离开的两个太阳边缘狭缝像。至此得到了被截取的一小段太阳边缘的平行于N方向的同源双像，在大气的影响下此同源双像将沿N方向作相对运动，因此我们测量到的是太阳边缘双像沿双瞳中心连线方向的相对运动，计算出的像运动方差即为纵向方差σ12，用上述公式(1)就可得出视宁度参数r0之值。
要附带说明的是，由于太阳光佷强，我们分别在望远镜的入瞳处和狭缝前加了滤光器。望远镜工作于计算机控制的自动跟踪和数据处理系统下。本说明书给出的SDIMM的一个实施例中的双瞳望远镜主体是一口径为30cm的马克苏托夫望远镜，在入瞳处安装了开有两个子孔的模板，此二孔成为双瞳望远镜的两个入瞳，详细情况见附图3。
本发明的有益效果是可对整个大气层的白日大气视宁度参数r0进行长时间和连续的监测，取出滤光器和狭缝后又可在夜间以点源单星为观测对象而测量夜间的视宁度参数。
具体实施例方式
在SDIMM一个实施例中，图3中(请同时参阅图1，图2)，望远镜成像镜由单口径马克苏托夫望远镜承担，由图中虚线筐4中的三件组成它们是位于入瞳处的口径为30cm的球面改正镜4-1，副镜4-2和球面镜4-3。在入瞳处加了一双瞳掩模板3(一个NM平面)，其上开有两个子瞳，每子瞳的直径D＝56mm，两瞳中心间距离d＝225mm；由于太阳光太强，两瞳上各加有一滤光片2，用于减弱太阳光，同样的原因，在马克苏托夫望远镜的像面之前的光路中再次加入滤光片组5，滤光片中心波长λ＝500nm。由图3中的2，3，4(含4-1，4-2，4-3)，5组成了一双瞳望远镜。
在实际观测中，我们将望远镜两瞳中心连线方向N置为东西向，它等同于太阳面上的东西向，这相当于方向N对准太阳西边边缘时的情况。太阳光1射入两瞳2，通过两瞳的光分别用虚线和实线表示，它们在马克苏托夫望远镜的像面-----第一次像面(一个NM平面)上得到分别由两瞳形成的太阳边缘像，如7所示，它由两瞳的太阳边缘像叠加而成，但由于形成两像的光线经过了不同的大气光程，随大气的折射率的随机起伏，两瞳的太阳边缘像沿两瞳中心连线方向N，即东西向，产生相对运动，图中的7所示为在某一瞬间的两像(分别用虚线和实线表示)沿东西向相对运动时相互挫开的情况，但它们又相互重叠，难以分辩两像确切位置，且太阳边缘像还很大，故无法实现测量太阳边缘双像沿方向N的相对运动的目的。为达此目的，我们采取了以下三个步骤步骤一在第一次像面上放置沿东西方向分布的狭缝6，狭缝方向垂直于太阳像边缘，取下了太阳边缘西边的一小段的像------太阳边缘狭缝像，如图中的8(白色部分)所示，它是两瞳形成的同一小段太阳边缘的两个像，但它们仍相互重叠，由此得到了该小段太阳边缘的“同源双像”运动的信息；步骤二在第一次像面后用一准直镜9行成望远镜的一个出瞳，得到沿东西方向分离了的两束光，它们分别对应于两太阳边缘狭缝像发出的光束，分别用虚线和实线表示；步骤三在准直镜的出瞳处设置一差分像掩模板(一个NM平面)10，其上有两小孔分别通过两光束，两小孔中心连线沿东西方向(N)，两中心间距等于两光束截面中心间距，各孔的直径等于两光束截面的直径，在其中一小孔处设置一光楔11，经过此光楔后的光束就产生一个固定的垂直于狭缝的----南北方向(M)的波前倾斜，对两光束进行第二次分割，图1，图2，图3中均标注了东西向和南北向，接下来，在后面放置一个二次成像镜12，经二次成像后，在第二次成像面(一个NM平面)上得到了同-太阳边缘的沿南北方向(M)分离开的两个像-----同源双像，两像相互平行于东西方向N，并沿N作相对运动，如13所示(分别用虚线和实线表示)。
至此小结如下上述光路系统实现了以太阳边缘为观测对象来测量白日大气视宁度的发明思想，用本发明专门设计的光路系统，得到了沿垂直于两瞳中心连线方向分离开的太阳边缘的两个狭缝像，它们位置间将随大气的抖动沿两瞳中心连线方作的相对运动，此两像的相对运动就可被精确地记录和测量，可得纵向统计方差，大气视宁度越好则双像运动的统计相关性越强，完全满足公式(1)所要求的条件，可由之得到白日大气视宁度参数r0。因为测量的是双像的相对运动，由风和其他原因造成的仪器的整体晃动对像运动的影响被彻底地排除。
该应用实例的其它工作参数是等效焦长1914mm；曝光时间7ms；采样频率＞12Hz统计样本数200；约17s进行一次像运动方差的归算，将算出的太阳边缘同源双像沿东西向(两子孔中心连线方向)相对运动方差σ12代入公式(1)就可得出视宁度参数r0值。望远镜具有精确的自动跟踪系统，可进行长时间的连续视宁度监测。


图1.SDIMM的光路原理图；1.入射太阳光，2.入瞳滤光片，3.双瞳掩模，4.望远镜成像镜，5.滤光片，6.第一次像面上的狭缝，7.第一次像面上的太阳边缘双像，8.第一次像面上狭缝截取的太阳边缘双像(相互重叠)，9.准直镜，10差分像掩模，11.光楔，12.二次成像镜，13.第二次成像面上的被分离开的同源太阳边缘双像，14.视频CCD.注意方向标给出了像面7，8，13上的方位。
图2.SDIMM的光路原理结构图；1.太阳光，2.滤光片，3.望远镜双瞳掩模板，4.望远镜成像镜，5.滤光片组，6.置于第一次像面上的狭缝，7.第一次像面上的太阳边缘双像(相互重叠)，8.第一次像面的太阳边缘狭缝双像(相互重叠)，9.准直镜，10.差分像掩模板，11.光楔，12.二次成像镜，13.第二次成像面上已被分离开的太阳边缘同源双像，14.视频CCD.注意方向标给出了全图的方位。
图3.SDIMM的一个实施例的结构示意图；1.太阳光，2.入瞳滤光片，3.双瞳掩模板，4.望远镜成像镜，为虚线筐内为马克苏托夫望远镜，其中，4-1.球面改正镜，4-2.副镜，4-3.主镜，5.滤光片组，6.第一次像面上的狭缝，7.第一次像面上的太阳边缘双像(相互重叠)，8.第一次像面上的太阳边缘狭缝双像(相互重叠)，9.准直镜，10.差分像掩模板，11.光楔，12.二次成像镜，13.第二次成像面上被相互分离的太阳边缘狭缝双像，14.视频CCD.方向标给出了像面7，8，13上的方位。
参考文献1.Fried，D.L.“Optical resolution through a randomly inhomogeneous medium for very longand very short exposures”，J.Opt.Soc.Am.，(65)1372-1379，1966。
2.Sarazin，M.and Roddier，F.，“The ESO Differential Image Motion Monitor”，Astron.Astrophys，227294-300，1990。
3.Liu Zhong and Beckers，J.M.，“Comparative Solar Seeing and Scintillation Studies at theFuxian Lake Solar Station”，Solar Physics，198197-209，2001。
4.刘忠，楼柯，张瑞龙，卢汝为，Beckers，J.M.，“白日视宁度监测仪和在抚仙湖的初步观测结果”，云南天文台台刊，No.4，95-100，2000。
权利要求
1.一种白日大气视宁度测量方法及仪器“太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪”其特征是发明的思想特征是基于可对太阳边缘像的位置进行精确测量的事实，拟用专门设计的仪器获取一小段太阳边缘通过不同的大气光程后形成的同源双像间的相对运动。太阳边缘像的位置随大气抖动而产生的运动中能被精确测量的是沿太阳边缘法线方向的运动，设计的专门仪器应测量同源双像沿太阳边缘法线方向的相对运动，其运动方差应等同于(1)式所定义的纵向方差σ12，从而能正确地利用(1)式得到白日大气视宁度参数r0值。发明的仪器特征是用一双瞳望远镜观测太阳边缘，以实现获取太阳边缘通过不同的大气光程后形成的同源双像；设N和M为望远镜光瞳平面上的两个相互垂直的方向，凡平行于望远镜光瞳平面的平面定义为“NM平面”，各NM平面上的N、M也均分别与望远镜的光瞳平面上的N、M方向相平行；设定方向N为双瞳望远镜两子瞳中心的连线方向，它可是望远镜光瞳面(一个NM平面)上的任何一个方向，意即可沿任一个方向获取太阳边缘上任一段的像。在望远镜的像面(一个NM平面)上，用一狭缝截取下一小段太阳边缘像，该狭缝方向为N并垂直于太阳边缘，换言之，狭缝中心线与该段太阳边缘的法线相重合，并保证法线方向为N；在狭缝后设置一准直透镜，在其后形成来自两太阳边缘狭缝像发出的沿方向N分离的两个子波，在其后设置一差分像掩模板(一个NM平面)，掩模板上设置两小孔恰好能分别透过该两个子波光束，在其中之一上设置一小光楔，使一子波产生一M方向的波前倾斜；在差分像掩模板后方设置一个第二次成像镜，在其像面(一个NM平面)上产生了被沿M方向分离的两个相互平行于狭缝方向N的太阳边缘像，从而实现分离同源双像的目的，由于光路系统的设计保证了望远镜的像面、差分像掩模板平面和第二次成像镜的像面等均为NM平面，使得两像随大气的抖动沿方向N作相对运动，所以用一CCD记录两像间相对运动，由一台微机计算的相对运动的方差为纵向方差σ12，由(1)式得到白日大气视宁度参数r0值。
2.根据权利要求1所述的太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪，其特征是用双瞳望远镜观测太阳边缘时，两子瞳中心连线方向为N，在望远镜成像镜的像平面上，即一个NM平面上，设置一长边沿方向N分布的狭缝，且狭逢方向垂直于太阳像边缘，用此狭缝截取下太阳边缘像的一小部分，在狭缝后设置一准直透镜，形成来自两太阳边缘狭缝像发出的的沿N方向分离的两个子波。
3.根据权利要求1所述的太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪，其特征是准直透镜后设置一个NM平面，即差分像掩模板，掩模板上设置两个中心连线也为方向N的小孔，小孔恰好能分别透过两个子波光束，在其中之一小孔上设置一小光楔，使通过光楔的子波产生一个固定的沿M方向的波前倾斜，在差分像掩模板后方设置一个第二次成像镜，在一个NM平面上，即二次成像镜像平面上，得到了被沿M方向分离开的同一小段太阳边缘的两个像，它们相互平行于方向N，两像随大气的抖动沿方向N作相对运动。上述光路中的各“NM平面”也可为经折、反射后形成的光路中与NM平面等效的平面，尽管本实施仪器中没有此种情况。
全文摘要
发明思想以太阳边缘的一小段为观测对象并获取其同源双像相对运动统计方差，研制出一种“太阳差分像运动白日大气视宁度监测仪”；技术实施用双瞳望远镜获取太阳边缘的经过不同大气光程的两个子波，在其像面上，用垂直于太阳像边缘的狭缝取下一小段太阳边缘像，后置一准直透镜，两子波沿双瞳中心连线方向分开，后置一差分像掩模板，有两小孔分别通过两子波，在一小孔上放一光楔，使一子波产生沿垂直于双瞳中心连线方向的波前倾斜，模板后有一成像镜，在其像面上产生了被分离的两个相互平行的太阳边缘像，两像间沿双瞳中心连线方向的相对运动方差可被精确测量，由相应公式得到视宁度参数值。
文档编号G01J9/00GK1553155SQ0314086
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月31日 优先权日2003年5月31日
发明者刘忠, 刘 忠 申请人:中国科学院云南天文台