四孔差分像运动测量大气相干长度的方法研究

介绍了最新研制的基于四孔差分像运动法到达角起伏测量仪,利用该仪器测量的4个方向(两组正交方向)上的到达角起伏方差,从而推算出大气相干长度。在近地面水平路径的实验中发现,不同方向上的测量结果获得的大气相干长度值有一定的差别。测量结果表明:大气湍流存在一定的各向异性,在实际应用中应考虑这个因素;在一些应用场景下,大气相干长度应根据至少一组正交方向的测量结果来分析确定。

关于差分像运动法视宁度测量原理中的两个问题

本文首先指出了Waldie A.H.等人于1988年发表于SPIE第926期上的“A new high speed two-dimensional CCD atmospheric turbulence monitor”一文中有关差分像运动法原理中的一个原则性错误。经过对原理的讨论,给出了正确的实用公式,并用我们的实测结果进行了比较。然后讨论了有关差分像运动法的另一个问题:双瞳是否需改为三瞳或四瞳?

差分像运动视宁度优化监测法

大气视宁度是衡量台址大气光学品质的重要指标。差分像运动视宁度监测仪(Differential Image Motion Monitor,DIMM)被广泛应用于国内外天文选址的视宁度测量作业。介绍了一种优良的视宁度测量方法——差分像运动视宁度优化监测(Improved to Differential Image Motion Monitor,I-DIMM)法。首先对I-DIMM的结构设计和视宁度计算方法进行了详细描述;随后通过设置0. 36 m和0. 12 m两种口径望远镜进行视宁度的模拟测量,将I-DIMM测量结果与传统的DIMM测量的结果进行对比,均证明I-DIMM视宁度计算方法比DIMM更为精确;最后对模拟结果进行了分析,证明了I-DIMM相比于DIMM的优势。

基于差分像运动法的机载平台大气湍流参数测量

大气湍流参数是评价大气信道对空间激光通信系统性能影响的重要依据。根据机载平台的运动特点,采用差分像运动法并利用夏克-哈特曼传感器与指向、捕获、跟踪伺服单元等设备,在加格达奇地区开展了不同海拔高度下大气湍流参数的分层测量实验。结果表明,在Kolmogorov湍流条件下,该地区日间大气湍流强度随海拔高度的增加而减弱,并在该变化趋势上叠加了大气湍流强度的随机起伏;大气覆盖逆温层顶层海拔高度范围为2.2~2.8km,海拔高度为3.5km的大气相干长度的变化范围为10~26cm。该研究为机载激光通信系统的性能分析提供了重要的参考。

利用差分像运动监测仪法测大气相干长度的研究

为了深入认识利用差分像运动法测量大气相干长度的特性,对差分像运动监测仪(DIMM)进行了深入的研究。基于理论分析和数值计算,讨论了DIMM中的几个重要问题,并阐明了解决方法,主要包括计算公式、子瞳大小及间距,从而提高了DIMM的测量精度,降低了DIMM的结构要求,扩展了DIMM的适用范围。

改进遗传算法在差分像运动图像实时处理中的应用

差分像运动图像的处理是大气相干长度测量的关键环节,而大气相干长度测量通常需要实时获取数据.因此,差分像运动图像的处理速度与测量仪器的性能有直接的联系.为提高大气相干长度仪的实时测量能力,根据差分像运动图像的特点设计一种改进的遗传算法,对目标光斑进行快速识别.改进的遗传算法为提高收敛速度,取消交叉算子,同时为避免早熟收敛,改进染色体结构,使其在仅使用变异算子的情况下仍具有全局探索能力.Schaf-fer函数模拟寻优实验验证该方法的可行性.使用改进遗传算法的大气相干长度仪实现实时快速测量.

面向六孔径结构的大气湍流特征参数提取方法

大气相干长度是度量大气湍流对光波前影响程度的重要参数,在多个领域中具有关键意义。为提高其测量精度,提出一种基于六孔径K-means聚类算法的大气湍流特征参数提取方法,解决了在测量过程中出现光斑边界不清晰甚至粘连的问题。此外,建立了大气相干长度测量系统,系统选用小口径光学天线和六孔径掩膜装置,在增加了统计值的同时兼顾了系统的便携性。利用该系统对长春地区进行多日全天实验监测,其实验数据表明,全天测量呈现出的趋势及数值符合湍流强度变化规律,所提方法相较于传统的阈值分割算法的精确性提升了33.05%,相关实验可为长春地区的湍流监测提供技术手段。

哈特曼测量大气相干长度研究

研究了利用哈特曼波前传感器测量大气相干长度的两种方法:一种是测量两个子孔径恒星光波到达角起伏方差的差分像运动法;另一种是测量恒星波前分布,通过波前分布的剩余方差推算得到大气相干长度。试验测量结果表明,两种方法得到的测量结果基本一致,得到了大气相干长度的可靠数据,两种方法得到了相互验证,实现了在应用哈特曼波前传感器测量大气波前分布时,同时得到当前的大气信息,对分析哈特曼波前传感器的测量结果有参考意义。

近地面大气相干长度值对比实验分析

在进行大气湍流强度、激光大气传输的研究时,大气相干长度是一个非常重要的参数,为了确定大气相干长度仪系统测量的A类不确定度,验证差分像运动法(DIMM)所测得的大气相干长度的可靠性,在相同传输路径上,分别运用差分像运动法和湍流积分法测量大气相干长度值。两种方法测量结果在量级和时间趋势上基本一致,两种方法得到相互验证。同时分析了两种测量方法得到的大气相干长度值存在差异可能的原因。大气相干长度仪的A类测量不确定度是通过贝塞尔法来计算的。通过实验可以得出,该大气相干长度仪系统的平均相对扩展测量不确定度小于20%。大气相干长度仪系统具备较高的可靠性,能够为大气光学传输的应用提供有价值的参考。

华南山区秋冬季节大气光学湍流初步测量分析

通过使用大气相干长度仪测量了华南山区部分月份的昼夜整层大气相干长度,结合使用温度脉动仪获取的近地面部分测量高度的折射率结构常数数据,分析结果表明：在10、11、12月份中,白天11月的测量结果最大,夜间测量结果较为复杂,下半夜的测量数据小于上半夜的测量数据;从频数分布来看,白天中心值为8.5 cm,主要集中在6~12 cm之间,夜间中心值为13.0 cm,主要集中在10~18 cm之间,其平均值明显大于白天的结果;从近地面层对整层大气湍流强度的贡献来看,白天比夜间受到的影响更为明显。

基于EMCCD相机的全天时大气相干长度测量系统

根据差分像运动原理研制出一款以EMCCD相机为探测器的全天时大气相干长度观星测量系统。经过对天空背景光光谱分布与EMCCD光谱响应特性的分析,选择中心波长为700 nm的光谱滤光片,可有效地抑制背景光入射。介绍了系统主要噪声组成,通过计算得到了系统白天极限探测星等约为7.35。在野外开展了以小熊星座所属多颗不同星等恒星为目标的日间观星实验,结果表明测量系统对星等为3恒星具有较好的日间探测能力。通过全天24 h对大气相干长度的连续测量,得到了长春地区整层大气湍流强度变化特征曲线。

大气相干长度测量中几个关键技术指标的分析

为规范大气相干长度的测量,保证测量数据的准确性,通过对大气相干长度测量中采样频率、采样时长、曝光时间等关键问题的分析,并结合国内外相关研究成果,确定了差分像运动测量仪的采样频率应不低于100Hz、采样时长应不短于20s,单帧图像曝光时间应不长于沿测量光路的格林伍德时间常数,样本数应不少于2 000帧。

DIMM中计算公式的分析及验证实验

差分像运动监测仪(DIMM)是目前被广泛应用的大气相干长度测量仪,其传统计算公式中对接收子孔的要求限制了仪器的小型化。通过理论分析与数值计算,文中明确了计算公式中的物理意义,并提出采用新的计算公式能够降低对仪器几何结构的限制。用两个紧挨着的6 cm子孔替换原来标准DIMM中的子孔面罩,得到小型化DIMM测试原型,利用该小型化DIMM原型与一台标准DIMM放在一起同时观测相同的恒星开展大气相干长度测量对比实验。对于小型DIMM,实验结果显示,采用传统计算公式得到的纵向大气相干长度明显大于横向,而采用新计算公式得到的纵向与横向大气相干长度统计上更相一致。验证了文中关于DIMM中计算公式的论述。

两种大气相干长度测量方法对比分析

大气相干长度是大气光学研究领域中定量描述大气湍流介质的重要参量之一。分别介绍了大气相干长度的光强闪烁法和差分像运动测量法，并利用边界层闪烁仪和大气相干长度仪同时间同地点测量了戈壁某地近地面一公里传输路径上的大气相干长度，通过实验观测对比发现利用闪烁法测量的结果比利差分像运动法测量大气相干长度的值略小，但其量级和时间变化趋势基本一致。

西安地区大气相干长度的实验测量及分析

大气相干长度是评价激光传输系统自适应相位校正效果的重要参数,因此对大气相干长度进行测量分析具有实际应用价值。设计并搭建了一种基于差分像运动法测量大气相干长度的光学系统,并进行了外场实验,分析了西安地区全天范围内大气相干长度的变化趋势。结果表明,虽然在不同方向上测量的大气相干长度值有所不同,但总体变化趋势一致,且夜晚变化较白天更为稳定。本文结果为研究城市无线光通信系统提供了一定的参考。