基于太阳视直径方差测量的白日视宁度测量方法和设备

摘要

本发明是一种基于太阳视直径方差测量的白日视宁度测量方法。用一口径为50mm到100mm之间的望远镜，望远镜的像面上用可以拍摄全日面像的大面阵探测器，拍摄短曝光时间<10ms的全日面像，从每一帧全日面像中测量太阳的视直径，从测量的一系列太阳视直径计算视直径方差，将视直径方差代入公式：

说明书

技术领域

   本发明涉及天文测量技术领域，具体是一种基于太阳视直径方差测量的白日视宁度测量方法和设备。

背景技术

地球大气的视宁度参数(通常用r₀表示)描述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辨成像、自适应光学等领域必不可缺。

当前，国内外用于地球大气视宁度参数测量的技术主要有差分像运动法和闪烁仪法，其中差分像运动法是由Sarazin和Roddier提出的大气视宁度测量方法，其原理是：利用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的两个星像，由于两个星像的波前经过了不同的大气光程，两星像之间的相对位置随波前起伏而变化，因此通过测量并计算两星像之间的相对运动方差，可由下两式之一得到大气视宁度参数r₀。

     (1)

     (2)

其中和分别是纵向(双瞳中心连线方向)方差和横向(垂直与双瞳中心连线方向)方差，为光中心波长，D为双瞳望远镜两个子孔的直径，d为两子孔中心的距离。该测量方法称为“差分像运动法”，测量仪器称为“差分像运动监测仪”，英文缩写为DIMM。

该方法和设备用于夜间视宁度的测量，但是不能应用于白日视宁度的测量，这是由于白日只有太阳一个可测天体，而且是一个大面源。为此通过对DIMM的改进，发展出了“太阳差分像运动白日视宁度测量仪”。该测量方法的具体方案是：利用双瞳望远镜观测某一段太阳边缘，在望远镜像面利用狭缝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太阳边缘的通过不同大气光程后形成的两个被分离的同源双像，通过两边缘像间的相对运动的方差通过(1)式得到白日视宁度参数r₀。该方法和设备简称为S-DIMM，图1是S-DIMM的示意图。S-DIMM要求两子孔间距为子孔直径的3倍到4倍之间，同时为了保证两个太阳边缘像的相对运动只与湍流大气有关，通常是在300mm望远镜上安装有两个子孔径的掩模来实现，因此通常用于定点、长期的视宁度测量的监测中。

在天文选址的初步踏勘阶段需要对很多地区进行初步的视宁度测量，很多地区条件比较艰苦，需要携带设备徒步走很长的路，由于S-DIMM比较大且重量重，因此不适合于初步踏勘阶段的视宁度测量。另外在实际天文观测中，天文望远镜是在建筑物上面，近地面15米-20米以下的湍流大气是不会影响天文观测的，因此不需要测量近地面15米-20米以下的湍流大气的影响。在白天，由于地面受到太阳的照射，地面温度明显高于气温，因此通常近地面20米以下的湍流大气导致的折射率起伏会比较严重。而如果将S-DIMM放在地面，则不可避免的受到近地面大气湍流的影响，从而影响正确地估计当地的视宁度状况。为了消除近地面湍流大气的影响，必须建10米以上的建筑，将S-DIMM安装在建筑物上，但是在初选阶段为了节省时间和成本，不会建建筑物。因此在天文选址的初步踏勘阶段需要可以轻便、有效消除近地面大气湍流影响和可以对视宁度参数进行量化测量的设备。

背景技术

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发明内容

本发明的目的是提出了一种基于通过太阳视直径的变化方差测量白日视宁度参数r₀的方法和设备（便携式白日视宁度测量仪P-SDIMM)。它可以有效消除近地面湍流大气的影响的前提下对白日视宁度参数进行量化测量，

发明人发现太阳视直径的变化是仅仅是受到湍流大气的影响而产生的，因此太阳视直径的变化方差反映了湍流大气的视宁度。同时由于近地面有很高的相关性，对近地面湍流大气的折射率起伏不敏感，因此可以有效地消除近地面湍流大气的影响。在此基础上，发明人根据Fired的湍流大气的折射率起伏的相关性的分析推导了计算视宁度参数的公式，其公式如下：

 (3)

其中是太阳视直径的方差，为光中心波长，D为望远镜的直径。

基于此发明构思提出了如下本发明的技术方案：

用一口径为50mm到100mm之间的望远镜，望远镜的像面上用可以拍摄全日面像的大面阵探测器，拍摄短曝光(曝光时间<10ms)全日面像，从每一帧全日面像中利用边缘检测技术测量太阳的视直径，从测量的一系列太阳视直径计算视直径方差，将视直径方差代入公式(3)计算得到白日视宁度参数r₀值。

所用望远镜采用90mm马克苏托夫-卡塞格林望远镜，望远镜由改正镜，副镜和主镜三个组件构成成像系统。在入瞳处加了减光滤光片，用于减弱太阳光；在望远镜焦面加了探测器，探测器面积要大于焦面上的太阳像，可以是大面阵CCD，也可以是大面阵数码相机。

该应用实例的工作参数是：口径90mm，等效焦长1250mm，曝光时间1ms，采样频率>3Hz，统计样本数60，约20秒进行一次视直径方差的归算。望远镜若有自动跟踪系统，可进行长时间的连续视宁度监测。

本发明的有益效果是：便携式白日视宁度测量仪P-SDIMM和经典S-DIMM相比具有以下两个优点：

1.  由于有效避开了近地面湍流大气的影响，测量时不需要高台即可测量20m以上的大气视宁度，而经典S-DIMM的测量结果中包含了近地面湍流大气的影响。

2.  结构轻巧、重量轻，便于携带，非常适合于天文选址的初步踏勘阶段。

发明内容

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附图说明

图1是SDIMM的结构示意图。

图1中，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狭缝，8. 第一次像面上狭缝截取的太阳边缘双象，9. 准直镜，10. 差分像掩模，11. 光楔，12. 二次成像镜，13. 第二次成像面上被分离开的同源太阳边缘双象，14. CCD。

图2是本发明的P-SDIMM的结构示意图。

1. 入射太阳光，2. 减光滤光片，3. 改正镜，4. 副镜，5. 主镜，6. CCD。

具体实施方式

如图2所示为P-SDIMM的一个实例，望远镜采用90mm马克苏托夫-卡塞格林望远镜，望远镜由改正镜3，副镜4和主镜5三个组件构成成像系统。在入瞳处加了减光滤光片2，用于减弱太阳光。在望远镜焦面加了探测器6，探测器面积要大于焦面上的太阳像，可以是大面阵CCD，也可以是大面阵数码相机，本实例中从成本的角度考虑，采用的是单反数码相机。该应用实例的工作参数是：口径90mm，等效焦长1250mm，曝光时间1ms，采样频率>3Hz，统计样本数60，约20秒进行一次视直径方差的归算。望远镜若有自动跟踪系统，可进行长时间的连续视宁度监测。

 用该望远镜拍摄短曝光(曝光时间<10ms)全日面像，从每一帧全日面像中利用边缘检测技术测量太阳的视直径，从测量的一系列太阳视直径计算视直径方差，将视直径方差代入公式

计算得到白日视宁度参数r₀值。