一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法，包括三環(huán)變跡鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射至光學(xué)接收系統(tǒng)，后經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)將所接收的光波成像聚焦于光電倍增管的焦平面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對光電倍增管的電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和處理。本發(fā)明能夠在所有高度實現(xiàn)全天候測量等暈角，所得等暈角相對誤差較小，與國內(nèi)現(xiàn)有的等暈角測量系統(tǒng)相比較測量精度較高。
【專利說明】—種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大氣光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法。【背景技術(shù)】
[0002]光波在大氣中傳輸時，由于大氣湍流的影響,光波的波面會發(fā)生畸變、強(qiáng)度會產(chǎn)生起伏。對于包括激光在內(nèi)的光波在實際大氣中的傳輸，大氣瑞流導(dǎo)致光束傳輸方向的隨機(jī)偏折、光束的擴(kuò)展以及強(qiáng)度的隨機(jī)起伏，從而影響激光等光學(xué)工程應(yīng)用。
[0003]對于地基天文光學(xué)觀測，當(dāng)利用大口徑的光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡對空間的觀測目標(biāo)進(jìn)行成像時，由于大氣湍流引起空間觀測目標(biāo)所發(fā)出光波波面產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率降低，影響觀測效果。一般而言，當(dāng)沒有大氣湍流的影響時，口徑為D的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率為1.22 X/D，其中\(zhòng)為所接收光波波長；而對于實際情況，總會存在大氣湍流的影響，此時，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率會降低至1.22 A Av其中r(l為描述整層大氣湍流特征的參數(shù)一大氣相干長度。目前用于天文光學(xué)觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡孔徑大致均在Im以上，而整層大氣相干長度的數(shù)值一般在數(shù)厘米至十?dāng)?shù)厘米的范圍，但是，由于大氣湍流的影響，在沒有自適應(yīng)光學(xué)校正的情況下，大口徑望遠(yuǎn)鏡的分辨率與數(shù)十厘米口徑的望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)。所以，大氣湍流對大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡成像分辨率有著較為嚴(yán)重的限制。
[0004]為了改善激光等光波在大氣中的傳輸性能、提高大口徑望遠(yuǎn)鏡的分辨率，可以利用自適應(yīng)光學(xué)校正對大氣湍流引起的波面相差進(jìn)行校正。而自適應(yīng)光學(xué)校正時，如果信標(biāo)光波與校正光波的傳輸方向不一致，例如存在一定的夾角時，則由于信標(biāo)光波的波面相差并不能夠完全代表需要校正光路上的湍流特征，所以，利用自適應(yīng)光學(xué)進(jìn)行校正時會存在一定的波面殘差，而由此導(dǎo)致的波面殘差與信標(biāo)光波和校正光波的傳輸方向的夾角相關(guān)。
[0005]等暈角表示波面相干的最大角度，當(dāng)信標(biāo)光波與校正光波傳輸方向的夾角大于等暈角時，則信標(biāo)光波的波面相差與需要校正的光路上的大氣湍流特征完全不相關(guān)，此時，利用自適應(yīng)光學(xué)不能夠有效對大氣湍流的影響進(jìn)行校正。所以，等暈角是對大氣湍流效應(yīng)進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)校正時所需要考慮的重要參數(shù)之一。
[0006]如果沿光路上Z處的大氣湍流強(qiáng)度為Cn2 (Z)，則等暈角0。為
[0007]
「-1—3/5
a= 2.91i2 sec8/3(^) f1 C2(z)25/-Vz '
LJo」(I)
[0008]其中k=2Ji/入為光波波數(shù)，入是光波波長；爐為天頂角。由上式可以看出，等暈角Qtl為大氣湍流強(qiáng)度Cn2 (Z)的加權(quán)函數(shù)，其中權(quán)函數(shù)為z5/3。而利用望遠(yuǎn)鏡所接收的星光強(qiáng)度歸一化起伏方差O s2為
[0009]
Cr； ((p) = 4(2疋)40.033 sec8'3 (pk1 A-1 J: C2n {z)W(z)dz(2)[0010]其中Α = 2π f pP(p)dp即為圓環(huán)透光面積。由以上兩個公式可以看出，如果能夠使得公式(2)中的加權(quán)函數(shù)W(z)=cz5/3，則可以利用所測量的星光強(qiáng)度起伏方差Os2反演給出等暈角。
[0011]等暈角測量儀主要應(yīng)用于大氣光學(xué)參數(shù)等暈角的測量，而其關(guān)鍵測量器件之一為變跡鏡。自上世紀(jì)70年代末，Loos和Hogge提出變跡鏡的概念后，Walters在1983年設(shè)計出了單孔型變跡鏡，并在1985年將其完善，設(shè)計了雙環(huán)結(jié)構(gòu)的變跡鏡，提高了等暈角的測量精度。1988年美國空軍在林肯試驗室成功設(shè)計了三環(huán)結(jié)構(gòu)的變跡鏡，其測量結(jié)果在弱湍流條件下可以達(dá)到很高的精度。國內(nèi)開展該領(lǐng)域研究工作的單位主要包括中科院國家天文臺和安徽光機(jī)所，其技術(shù)水平大致相當(dāng)于美國1980s水平，仍然使用單孔徑變跡鏡，處于較為初級的階段，測量精度較低，不能夠完全滿足天文光學(xué)站址選擇以及光波在實際湍流大氣中傳輸時自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償效果評估的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明解決的問題在于提供一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)通過測量經(jīng)過大氣傳輸后的星光強(qiáng)度起伏，能夠很好的模擬孔徑濾波函數(shù)，得到沿測量路徑的等暈角，實現(xiàn)對等暈角的高精度測量。
[0013]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0014]一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，包括三環(huán)變跡鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射至光學(xué)接收系統(tǒng)，后經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)將所接收的光波成像聚焦于光電倍增管的焦平面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對光電倍增管的電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和處理；
[0015]所述的光學(xué)接收系統(tǒng)包括天文望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射天文望遠(yuǎn)鏡后，再由準(zhǔn)直透鏡發(fā)射至光學(xué)成像系統(tǒng)；
[0016]所述的光學(xué)成像系統(tǒng)在光路上設(shè)有衰減片、濾光片、分光鏡和成像透鏡；
[0017]所述的光電倍增管由配套的高壓電源驅(qū)動；
[0018]所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡和計算處理單元，光電倍增管將信號放大并輸出電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送給計算處理單元，計算處理單元讀取數(shù)字信號，經(jīng)處理得到等暈角。
[0019]進(jìn)一步，還包括圖像監(jiān)測系統(tǒng)，光學(xué)成像系統(tǒng)中的分光鏡將光束分為兩部分，一部分入射在光電倍增管上，另一部分發(fā)射給圖像監(jiān)測系統(tǒng)；
[0020]所述的圖像監(jiān)測系統(tǒng)包括CXD相機(jī)和顯示器，光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)射光束后，成像于(XD相機(jī)上,并在顯示器上顯示。
[0021]進(jìn)一步，還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分別連接天文望遠(yuǎn)鏡、CXD相機(jī)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，通過天文望遠(yuǎn)鏡的跟蹤程序控制天文望遠(yuǎn)鏡對天體目標(biāo)的開環(huán)跟蹤，利用CXD相機(jī)的圖像信息與天文望遠(yuǎn)鏡通信實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤；控制系統(tǒng)還將望遠(yuǎn)鏡的天頂角實時數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，供等暈角反演計算分析參考。
[0022]所述的光學(xué)成像系統(tǒng)中，衰減片調(diào)節(jié)入射光的光強(qiáng)，防止光電倍增管飽和，濾光片則提高系統(tǒng)信噪比；而分光鏡將光束分為兩部分，一部分入射在光電倍增管上，另一部分成像在CXD相機(jī)上，便于系統(tǒng)光路調(diào)節(jié)和對天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤控制。
[0023]所述的衰減片為窄帶濾光片，所述的衰減片為濾除背景光的鍍膜衰減片。[0024]所述的天文望遠(yuǎn)鏡通過GPS數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實時返回恒星光源所在位置和測量地點(diǎn)所成的天頂角小2。
[0025]所述的三環(huán)變跡鏡，由同心的、交替排列的不透光圓環(huán)和透光圓環(huán)組成，從內(nèi)到外透光圓環(huán)依次為內(nèi)環(huán)、中間環(huán)和外環(huán)，其中內(nèi)環(huán)最小半徑為37.389mm,最大半徑為43.840mm ;中間環(huán)最小半徑為62.890mm,最大半徑為69.240mm ;外環(huán)最小半徑為81.940mm,最大半徑為101.600mm ;所述的不透光圓環(huán)的透過率不大于1%,透光圓環(huán)的透過率不小于99.0%;該三環(huán)變跡鏡模擬孔徑濾波函數(shù)W(Z) = CZ573時，其孔徑濾波函數(shù)系數(shù)c=8.847e-17m4。[0026]一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)測量等暈角的方法，包括以下操作:
[0027]經(jīng)湍流大氣傳輸?shù)哪繕?biāo)天體的光波，經(jīng)過變跡鏡后入射至光學(xué)接收系統(tǒng)，后經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)成像聚焦于光電倍增管的焦平面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對光電倍增管的電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和處理，最后反演給出等暈角測量結(jié)果；
[0028]其中三環(huán)變跡鏡的透光強(qiáng)度分布函數(shù)為P( P )，透光部分P(P )=1，不透光部分P(p)=0, P是圓環(huán)的徑向距離，通過變跡鏡的總光強(qiáng)記作S，S是時間變量；大氣湍流會導(dǎo)致傳輸后的星光強(qiáng)度起伏，將其歸一化，由式(3)給出光強(qiáng)起伏方差:
[0029]Cr、2(灸,I)二4(2；T)40.033sec8/3(灸)itlr2 f C2n(z)v(z)dz
[0030]其中A = 2ji / PP(P)(1P ;k[=2Ji/A]為光波波數(shù)，A是光波波長；(J)z為天頂角是天文望遠(yuǎn)鏡與目標(biāo)星體光路上距離望遠(yuǎn)鏡的距離；Cn2 (z)是距離z處的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)；加權(quán)函數(shù)W(Z)的表示形式如下式:
[0031]W(Z)= I I dP(X),P VV^P ) ' sin2[^-]dl,
Jo J 2k (4)
[0032]式中Jtl(X)為零階Bessel函數(shù)；K為振幅起伏的空間頻率，Kmax=2 n /10, Kmin=2 n /L。，10> Ltl分別為大氣湍流內(nèi)尺度和外尺度；P(P)為變跡鏡的孔徑函數(shù)，其中透光部分P(P)=I,不透光部分P(P)=O, P是圓環(huán)的徑向距離(半徑)；
[0033]歸一化光強(qiáng)起伏方差是天頂角Ctz和入射波長\的函數(shù)，其適用范圍為光強(qiáng)起伏滿足弱起伏條件，當(dāng)歸一化光強(qiáng)起伏方差os2(0z，入)未飽和時，則認(rèn)為等暈角測量結(jié)果是有效的；
[0034]沿測量路徑z的等暈角由式(5)給出:
[0035]0M^)=0.527k-6/5 [C-(z)z5/3dz
Ljo」(5)
[0036]結(jié)合方程(3)和方程(5)可以得出等暈角計算公式為:
I—-,_3/5
[0037]= U^a-615C315 [Cr，⑷](6)
[0038]其中，c值可由W(z) = CZ573擬合給出數(shù)值解。
[0039]所述在歸一化光強(qiáng)起伏方差時，O s2(0)的計算如下:[0041]其中，α為光電倍增管的增益系數(shù)；b為無光源信號時測量的背景值，通過多次測量所測恒星周圍的背景光求平均值的方法得到；
[0042]而目標(biāo)星體光源所在位置和測量地點(diǎn)所成的天頂角Φζ，通過GPS數(shù)據(jù)從天文望遠(yuǎn)鏡實時返回。
[0043]所述的三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)的采樣頻率為f，等暈角測量的樣本量為N，設(shè)置采樣時間t = N/f,即每經(jīng)過t時間計算一個等暈角的值；以設(shè)置樣本量N，每采夠N個數(shù)據(jù)，便進(jìn)行一次計算，得到并輸出一個等暈角值。
[0044]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0045]本發(fā)明提供的一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法，采用三環(huán)結(jié)構(gòu)的變跡鏡，可以得到較高的測量精度；利用長波通濾光片配合光電倍增管測量等暈角，可以實現(xiàn)全天候測量；因此本發(fā)明能夠在所有高度實現(xiàn)全天候測量等暈角，所得等暈角相對誤差較小，與國內(nèi)現(xiàn)有的等暈角測量系統(tǒng)相比較測量精度較高。
[0046]本發(fā)明提供的一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)及方法，相對于單孔徑變跡鏡，能夠在所有高度很好的模擬孔徑濾波函數(shù)W(Z) = cz5/3，所得等暈角相對誤差明顯較小，可以實現(xiàn)對等暈角的高精度測量，最大相對誤差不超過3%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1為等暈角測量系統(tǒng)原理示意圖；
[0048]圖2為等暈角測量系統(tǒng)組成框圖；
[0049]圖3為等暈角測量系統(tǒng)總體布局圖；
[0050]圖4為等暈角測量系統(tǒng)總體光路圖；
[0051]圖5為三環(huán)變跡鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I為外環(huán)，2為中間環(huán)，3為內(nèi)環(huán)；
[0052]圖6為兩種變跡鏡孔徑濾波函數(shù)與“z5/3”冪次加權(quán)函數(shù)一致性比對圖；
[0053]圖7為兩種變跡鏡模擬加權(quán)函數(shù)相對誤差比對圖；
[0054]圖8為三環(huán)變跡鏡理論計算數(shù)據(jù)與擬合曲線比對；
[0055]圖9為三環(huán)變跡鏡相對誤差隨高度變化曲線；
[0056]圖10為數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的測量指令流程圖；
[0057]圖11為三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)所測等暈角相對誤差比對圖。
【具體實施方式】
[0058]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0059]光波經(jīng)過大氣傳輸后，大氣湍流會導(dǎo)致光波強(qiáng)度的隨機(jī)起伏。對于經(jīng)過特定設(shè)計的變跡鏡傳輸后的星光光波，其強(qiáng)度起伏與等暈角具有一定的關(guān)系，所以，通過測量星光強(qiáng)度的起伏，即可給出所需要的等暈角。[0060]參見圖1，等暈角測量系統(tǒng)原理為:星光經(jīng)湍流大氣傳輸后，由變跡鏡調(diào)制，聚焦至光電探測器。其光強(qiáng)起伏與等暈角有確定的關(guān)系，通過測量星光的強(qiáng)度起伏，即可反演給出等暈角。
[0061]參見圖2、圖3、圖4，本發(fā)明提供的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，包括三環(huán)變跡鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射至光學(xué)接收系統(tǒng)，后經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)將所接收的光波成像聚焦于光電倍增管的焦平面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對光電倍增管的電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和處理；
[0062]所述的光學(xué)接收系統(tǒng)包括天文望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射天文望遠(yuǎn)鏡后，再由準(zhǔn)直透鏡發(fā)射至光學(xué)成像系統(tǒng)；
[0063]所述的光學(xué)成像系統(tǒng)在光路上設(shè)有衰減片、濾光片、分光鏡和成像透鏡；
[0064]所述的光電倍增管由配套的高壓電源驅(qū)動；
[0065]所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡和計算處理單元，光電倍增管將信號放大并輸出電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送給計算處理單元，計算處理單元讀取數(shù)字信號，經(jīng)處理得到等暈角。
[0066]進(jìn)一步,還包括圖像監(jiān)測系統(tǒng),光學(xué)成像系統(tǒng)中的分光鏡將光束分為兩部分，一部分入射在光電倍增管上，另一部分發(fā)射給圖像監(jiān)測系統(tǒng)；
[0067]所述的圖像監(jiān)測系統(tǒng)包括CXD相機(jī)和顯示器，光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)射光束后，成像于(XD相機(jī)上,并在顯示器上顯示。
[0068]更進(jìn)一步，還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分別連接天文望遠(yuǎn)鏡、CXD相機(jī)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，通過天文望遠(yuǎn)鏡的跟蹤程序控制天文望遠(yuǎn)鏡對天體目標(biāo)的開環(huán)跟蹤，利用CXD相機(jī)的圖像信息與天文望遠(yuǎn)鏡通信實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤；控制系統(tǒng)還將望遠(yuǎn)鏡的天頂角實時數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，供等暈角反演計算分析參考。
[0069]下面結(jié)合各系統(tǒng)進(jìn)行具體的說明和介紹。
[0070]1、三環(huán)變跡鏡
[0071]等暈角是大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的加權(quán)積分，其中加權(quán)函數(shù)為距離的“5/3”冪次函數(shù)。為了利用硬件實現(xiàn)對高度的“5/3”冪次加權(quán)函數(shù)，需要所設(shè)計的變跡鏡能夠很好地模擬W(Z) =cz5/3的要求。目前較為通用的主要有三種變跡鏡，分別是單孔變跡鏡，雙環(huán)變跡鏡和三環(huán)變跡鏡，對高度的“5/3”冪次的擬合能力也不盡相同。其中，三環(huán)結(jié)構(gòu)的變跡鏡的擬合能力遠(yuǎn)優(yōu)于單孔結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)的變跡鏡，其擬合系數(shù)c值在300m至30000m的高度能夠較好地反映“5/3”冪次的加權(quán)函數(shù)。
[0072]參見圖5，本發(fā)明采用的三環(huán)變跡鏡，由同心的、交替排列的不透光圓環(huán)和透光圓環(huán)組成，從內(nèi)到外透光圓環(huán)依次為內(nèi)環(huán)、中間環(huán)和外環(huán)，其中內(nèi)環(huán)最小半徑為37.389mm，最大半徑為43.840mm ;中間環(huán)最小半徑為62.890mm,最大半徑為69.240mm ;外環(huán)最小半徑為81.940mm,最大半徑為101.600mm ;所述的不透光圓環(huán)的透過率不大于1%，透光圓環(huán)的透過率不小于99.0% ;該三環(huán)變跡鏡模擬孔徑濾波函數(shù)W(Z) = CZ573時，其孔徑濾波函數(shù)系數(shù)c=8.847e-17m4。
[0073]圖6為三環(huán)變跡鏡與單孔變跡鏡的孔徑濾波函數(shù)與z5/3比值隨高度的變化關(guān)系?？梢钥闯?，在波長和天頂角一定的條件下，單孔徑變跡鏡的孔徑濾波函數(shù)在所有的高度，不能很好地模擬形如“z5/3”的加權(quán)函數(shù)，劣于三環(huán)變跡鏡。當(dāng)光波波長X =0.5 ym，天頂角為0°，內(nèi)尺度Itl=Smm,外尺度Ltl=IOm時，單孔徑變跡鏡與本發(fā)明中的三環(huán)變跡鏡相比，孔徑濾波函數(shù)與z5/3的一致性較差，所得等暈角相對誤差更大。
[0074]大氣湍流廓線模型有多種，其中H-V模型為一種常用的大氣湍流廓線模型。利用常用的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)廓線模型(H-V模型)帶入(2)式，計算給出兩種變跡鏡所得的等暈角相對誤差如圖7所示，明顯可以看出，三環(huán)變跡鏡的相對誤差小于單孔變跡鏡的相
對誤差。
[0075]具體的當(dāng)波長λ=0.5μ?η時，等暈角和光強(qiáng)起伏方差的表達(dá)式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，包括三環(huán)變跡鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射至光學(xué)接收系統(tǒng)，后經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)將所接收的光波成像聚焦于光電倍增管的焦平面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對光電倍增管的電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和處理； 所述的光學(xué)接收系統(tǒng)包括天文望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過三環(huán)變跡鏡調(diào)制的光波入射天文望遠(yuǎn)鏡后，再由準(zhǔn)直透鏡發(fā)射至光學(xué)成像系統(tǒng)； 所述的光學(xué)成像系統(tǒng)在光路上設(shè)有衰減片、濾光片、分光鏡和成像透鏡； 所述的光電倍增管由配套的高壓電源驅(qū)動； 所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡和計算處理單元，光電倍增管將信號放大并輸出電信號，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送給計算處理單元，計算處理單元讀取數(shù)字信號，經(jīng)處理得到等暈角。
2.如權(quán)利要求1所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括圖像監(jiān)測系統(tǒng)，光學(xué)成像系統(tǒng)中的分光鏡將光束分為兩部分，一部分入射在光電倍增管上，另一部分發(fā)射給圖像監(jiān)測系統(tǒng)； 所述的圖像監(jiān)測系統(tǒng)包括CXD相機(jī)和顯示器，光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)射光束后，成像于CXD相機(jī)上，并在顯示器上顯示。
3.如權(quán)利要求2所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分別連接天文望遠(yuǎn)鏡、CCD相機(jī)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，通過天文望遠(yuǎn)鏡的跟蹤程序控制天文望遠(yuǎn)鏡對天體目標(biāo)的開環(huán)跟蹤，利用CCD相機(jī)的圖像信息與天文望遠(yuǎn)鏡通信實現(xiàn)閉環(huán)跟蹤；控制系統(tǒng)還將望遠(yuǎn)鏡的天頂角實時數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，供等暈角反演計算分析參考。
4.如權(quán)利要求2所述的基 于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的光學(xué)成像系統(tǒng)中，衰減片調(diào)節(jié)入射光的光強(qiáng)，防止光電倍增管飽和，濾光片則提高系統(tǒng)信噪比；而分光鏡將光束分為兩部分，一部分入射在光電倍增管上，另一部分成像在CCD相機(jī)上,便于系統(tǒng)光路調(diào)節(jié)和對天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤控制。
5.如權(quán)利要求4所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的衰減片為窄帶濾光片，所述的衰減片為濾除背景光的鍍膜衰減片。
6.如權(quán)利要求1所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的天文望遠(yuǎn)鏡通過GPS數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)實時返回恒星光源所在位置和測量地點(diǎn)所成的天頂角<K。
7.如權(quán)利要求1所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的三環(huán)變跡鏡，由同心的、交替排列的不透光圓環(huán)和透光圓環(huán)組成，從內(nèi)到外透光圓環(huán)依次為內(nèi)環(huán)、中間環(huán)和外環(huán)，其中內(nèi)環(huán)最小半徑為37.389mm,最大半徑為43.840mm ;中間環(huán)最小半徑為62.890mm,最大半徑為69.240mm ;外環(huán)最小半徑為81.940mm,最大半徑為101.600mm ;所述的不透光圓環(huán)的透過率不大于1%，透光圓環(huán)的透過率不小于99.0% ;該三環(huán)變跡鏡模擬孔徑濾波函數(shù)W(Z) = CZ573時，其孔徑濾波函數(shù)系數(shù)c=8.847e-17m4。
8.一種基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)測量等暈角的方法，其特征在于，包括以下操作: 經(jīng)湍流大氣傳輸?shù)哪繕?biāo)天體的光波，經(jīng)過變跡鏡后入射至光學(xué)接收系統(tǒng)，后經(jīng)光學(xué)成像系統(tǒng)成像聚焦于光電倍增管的焦平面上，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)對光電倍增管的電流信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、采集和處理，最后反演給出等暈角測量結(jié)果； 其中三環(huán)變跡鏡的透光強(qiáng)度分布函數(shù)為P(P)，透光部分P(P)=L不透光部分P(P)=O, P是圓環(huán)的徑向距離，通過變跡鏡的總光強(qiáng)記作S，S是時間變量；大氣湍流會導(dǎo)致傳輸后的星光強(qiáng)度起伏，將其歸一化，由式(3)給出光強(qiáng)起伏方差:
9.如權(quán)利要求8所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)測量等暈角的方法，其特征在于，在歸一化光強(qiáng)起伏方差時，σ/(0)的計算如下:
10.如權(quán)利要求8所述的基于三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)測量等暈角的方法，其特征在于，三環(huán)變跡鏡的等暈角測量系統(tǒng)的采樣頻率為f，等暈角測量的樣本量為N，設(shè)置采樣時間t = N/f，即每經(jīng)過t時間計算一個等暈角的值；以設(shè)置樣本量N，每采夠N個數(shù)據(jù)，便進(jìn)行一次計算，得到并輸出 一個等暈角值。
【文檔編號】G01C1/00GK103487010SQ201310277560
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月3日
【發(fā)明者】強(qiáng)希文, 吳敏, 宗飛, 胡月宏, 強(qiáng)蔚 申請人:中國人民解放軍63655部隊