一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置及方法

摘要

本发明提供一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置及方法，根据信标模式对信标哈特曼传感器调焦距离进行设置，利用目标哈特曼传感器、信标哈特曼传感器分别接收目标光波、信标光波成像光斑图样，外部同步触发源控制目标哈特曼传感器CCD与信标哈特曼传感器CCD同步采集；利用波前处理机计算同时序目标光波、信标光波在微透镜组子孔径内的平均斜率、并进行差分运算；通过复原算法对差分式平均斜率、目标光波平均斜率进行复原与Zernike模式展开，可得非等晕性波前误差、目标湍流波前二维分布、波面方差、P-V值、Zernike模式方差，非等晕性相对误差等统计特性，以及相干长度、等晕角、信标等效直径等湍流特征参数。本发明光能利用率高、测量误差小，有广泛应用前景。

主权项

一种测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量方法，该方法利用的测量大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量装置包括望远镜(1)、分光模块(2)、缩束模块(3)、目标哈特曼传感器(4)及其对应的第一波前处理机(6)、信标哈特曼传感器(5)及其对应的第二波前处理机(7)，其中，所述分光模块(2)由分光镜(21)和反射镜(22)组成；所述缩束模块(3)采用透射式结构，或者反射式结构，或者反射与透射结合式结构；所述缩束模块(3)采用先分光后缩束，或者先缩束后分光的光束变换方式；所述目标哈特曼传感器(4)由第一微透镜组(43)、第一匹配透镜(44)和第一CCD相机(45)组成，垂直所述目标哈特曼传感器(4)光轴光路中心安放有第一滤光片(41)；所述信标哈特曼传感器(5)包括调焦机构(52)、调焦控制器(56)、第二微透镜组(53)、第二匹配透镜(54)和第二CCD相机(55)，垂直所述信标哈特曼传感器(5)光轴光路中心安放有第二滤光片(51)，且调焦机构(52)的调焦距离受调焦控制器(56)的控制；所述目标哈特曼传感器(4)的第一微透镜组(43)与信标哈特曼传感器(5)的第二微透镜组(53)采用相同结构，其子孔径数大于4且能够实现对高阶大气湍流像差的探测；所述目标哈特曼传感器(4)的第一滤光片(41)及信标哈特曼传感器(5)的第二滤光片(51)根据待测信标模式设置为带通滤光片、窄带滤光片或陷波滤光片，其特征在于：预先根据待测信标模式对信标哈特曼传感器的调焦距离进行设置，分别利用目标哈特曼传感器接收目标湍流光波的成像子光斑阵列图样、信标哈特曼传感器接收信标湍流光波的成像子光斑阵列图样，并通过外部同步触发源控制目标哈特曼传感器对应的第一CCD相机与信标哈特曼传感器对应的第二CCD相机的同步采集；之后分别利用第一波前处理机计算目标湍流光波成像子光斑阵列图样在其对应第一微透镜组分割各子孔径内的二维平均斜率、第二波前处理机计算时序同帧的信标湍流光波成像子光斑阵列图样在其对应第二微透镜组分割各子孔径内的二维平均斜率，并进行差分运算；通过波前复原算法分别对所述差分式二维平均斜率、目标光波二维平均斜率进行波前复原及Zernike模式展开，从而得到包括大气湍流非等晕性波前误差、目标湍流波前畸变的二维分布、波面方差、P‑V值、Zernike模式方差，非等晕性相对误差统计特性，以及湍流特征参数：相干长度r₀、等晕角θ₀、信标等效直径d₀；按下面具体步骤实现对大气湍流非等晕性波前误差及湍流特征参数的测量：(1)、调整望远镜(1)光轴、目标哈特曼传感器(4)光轴、信标哈特曼传感器(5)光轴，以保证目标光波的成像子光斑阵列位于目标哈特曼传感器(4)的视场中心，且信标光波的成像子光斑阵列信标哈特曼传感器(5)的视场中心；(2)、根据待测信标模式(即信标类型和高度)对信标哈特曼传感器(5)中调焦机构(52)的调焦距离进行预先设置，并使其对应至待测信标高度；(3)、望远镜(1)接收的目标与信标湍流光波经分光模块(2)、缩束模块(3)进行分光及缩束后，分别由目标哈特曼传感器(4)与信标哈特曼传感器(5)接收、并分别在目标哈特曼传感器(4)中第一CCD相机(45)与信标哈特曼传感器中第二CCD相机(55)的靶面成像形成子光斑阵列图样；(4)、利用外部同步触发源控制目标哈特曼传感器(4)中第一CCD相机(45)与信标哈特曼传感器(5)中第二CCD相机(55)的同步采集，并分别通过第一、第二波前处理机对目标湍流光波成像子光斑阵列图样、信标湍流光波成像子光斑阵列图样进行同步存储；(5)、分别利用第一波前处理机计算目标湍流光波成像子光斑阵列图样在其对应第一微透镜组分割各子孔径内的二维平均斜率(G_x‑Object，G_y‑Object)、第二波前处理机计算时序同帧的信标湍流光波成像子光斑阵列图样在其对应第二微透镜组分割各子孔径内的二维平均斜率(G_x‑Beacon，G_y‑Beacon)；(6)、将所述时序同帧的目标湍流光波二维平均斜率与信标湍流光波二维平均斜率进行相减$\left(\left\{\begin{array}{c}{G}_{x-\Delta }=G_{x-\mathrm{Object}}-G_{x-\mathrm{Beacon}}\\ G_{y-\Delta }=G_{y-\mathrm{Object}}-G_{y-\mathrm{Beacon}}\end{array}\right.\right),$并利用Zernike模式波前复原算法，$G_{\Delta }=\left[\begin{array}{c}{G}_{x-\Delta }\left(1\right)\\ G_{y-\Delta }\left(1\right)\\ G_{x-\Delta }\left(2\right)\\ G_{y-\Delta }\left(2\right)\\ \mathrm{LLL}\\ G_{x-\Delta }\left(M\right)\\ G_{y-\Delta }\left(M\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{2-x}\left(1\right)& Z_{3-x}\left(1\right)& L& Z_{N-x}\left(1\right)\\ Z_{2-y}\left(1\right)& Z_{3-y}\left(1\right)& L& Z_{N-y}\left(1\right)\\ Z_{2-x}\left(2\right)& Z_{3-x}\left(2\right)& L& Z_{N-x}\left(2\right)\\ Z_{2-y}\left(2\right)& Z_{3-y}\left(2\right)& L& Z_{N-y}\left(2\right)\\ L& L& L& L\\ Z_{2-x}\left(M\right)& Z_{3-x}\left(M\right)& L& Z_{N-x}\left(M\right)\\ Z_{2-y}\left(M\right)& Z_{3-y}\left(M\right)& L& Z_{N-y}\left(M\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{2-\mathrm{Anisop}}\\ a_{3-\mathrm{Anisop}}\\ \mathrm{LLL}\\ a_{N-\mathrm{Anisop}}\end{array}\right]={\mathrm{DA}}_{\mathrm{Anisop}}$对差分式二维平均斜率矩阵G_Δ进行复原[A_Anisop＝D⁺G_Δ]，获得大气湍流非等晕波前误差的二维分布、波面方差、P‑V值的统计特征、Zernike模式系数方差分布其中，$\left\{\begin{array}{c}{G}_{x-\Delta }=\underset{j=2}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_{j-\mathrm{Anisop}}\times \frac{1}{S}\underset{s}{\int \int }\frac{{\partial Z}_j}{\partial x}\mathrm{dxdy}=\underset{j=2}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_{j-\mathrm{Anisop}}\times Z_{j-x}\\ G_{y-\Delta }=\underset{j=2}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_{j-\mathrm{Anisop}}\times \frac{1}{S}\underset{s}{\int \int }\frac{{\partial Z}_j}{\partial y}\mathrm{dxdy}=\underset{j=2}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_{j-\mathrm{Anisop}}\times Z_{j-y}\end{array}\right.;$波前复原矩阵D⁺为对应各子孔径Zernike模式偏导数矩阵D的广义逆；S为子孔径面积；(7)、进一步利用该波前复原矩阵D⁺，单独对目标湍流光波在对应第一微透镜组分割各子孔径内的二维平均斜率(G_x‑Object，G_y‑Object)进行复原[A_Object＝D⁺G_Object]，并统计目标湍流波前相位畸变的N阶Zernike模式系数方差分布同时利用其与相干长度r₀的理论等式关系：$\underset{j=2}{\overset{N}{\Sigma }}<a_{j-\mathrm{Object}}^2>=\underset{j=2}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{2.246\times (n+1)\times \Gamma (n-5/6)}{{\left[\Gamma (17/6)\right]}^2\times \Gamma (n+23/6)}\times {\left[\frac{2R}{r_0}\right]}^{5/3},$反推得到大气湍流的相干长度r₀；其中，R为望远镜接收口径的半径；其中，对波前处理机计算的多帧目标湍流光波成像子光斑阵列图样在对应微透镜组分割各子孔径内的二维平均斜率进行波前复原及Zernike展开，便可统计目标湍流波前相位畸变的各阶Zernike模式方差(8)、进一步利用测量所得大气湍流非等晕性波前误差、目标湍流波前畸变的各阶Zernike模式系数方差获取信标各阶非等晕性相对误差${ϵ}_j^2=<a_{j-\mathrm{Anisop}}^2>/<a_{j-\mathrm{Object}}^2>;$(9)、针对具体的信标工作模式，通过统计测量所得大气湍流非等晕波前误差的方差系综均值，反推出等晕角θ₀、信标等效直径d₀湍流特征参数；利用自然信标角度非等晕性波前误差的方差系综均值<δ²>与等晕角θ₀的理论等式关系(θ/θ₀)^5/3＝<δ²>，反推得到大气湍流的等晕角θ₀；利用人造信标(去倾斜)聚焦非等晕性波前误差的方差系综均值与信标等效直径d₀的理论等式关系反推得到大气湍流的信标等效直径d₀，其中，θ为自然信标与目标间的空间角间距。