一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置和方法，该测量装置包括太阳图像抓拍部件阵列、自动导向适配器、太阳导向程序、同步控制器、白天大气湍流测量程序和赤道仪；太阳图像抓拍部件阵列由2～3套太阳图像抓拍部件构成，而太阳图像抓拍部件由带通滤光片、小型望远镜和增倍镜组合以及相机组成；太阳导向程序通过自动导向适配器控制赤道仪完成太阳位置修正及自动追踪太阳；白天大气湍流测量程序通过同步控制器控制太阳图像抓拍部件阵列同步采集太阳图像，最终获取整个大气视宁度和中等分辨率大气湍流廓线。本发明能够自动追踪太阳、观测到整个太阳表面，且便于现场安装调试、能够满足长期运行的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置和太阳图像监测方法，属于大气光学技术领域。

背景技术

高分辨率观测太阳活动区对发展太阳物理学极为重要。大口径地基太阳望远镜需配备多层共轭自适应光学系统，以扩大其观测视场。但太阳多层共轭自适应光学系统的设计与优化需要测量白天大气湍流的长期分布规律。

目前，应用于太阳台址的白天大气湍流测量装置的原理主要包括：测量太阳边缘或表面目标抖动、太阳闪耀或太阳表面目标闪耀。例如：太阳边缘图像运动监测仪，通过测量太阳边缘抖动，能够得到整个大气视宁度及大气湍流廓线；太阳差分图像运动监测仪，通过测量太阳边缘或表面目标抖动，能够得到整个大气视宁度；而太阳闪耀仪，基于宽目标闪耀原理，能够测量近地面层大气湍流廓线；太阳闪耀及遥感仪截取太阳表面双目标，模拟夜间双星，利用双星闪耀原理，能够获得中高层大气湍流廓线和风速廓线。相对太阳闪耀仪，太阳图像运动监测仪能够测量白天整个大气湍流廓线和整个大气视宁度，并在国内外太阳台址中得到重要应用。例如：法国尼斯天文台太阳视宁度监测仪(MISolFA，MONITEURIMAGESOLAIREFRANCOALGERIEN)[MISolFA:aGeneralizedSolarSeeingMonitor，A.Irbah，AbstractsfromSF2A-2001:Semainedel'AstrophysiqueFrancaise]，利用旋转棱镜形成太阳边缘双像，但双像间会引入小角度偏离，同时太阳漂移也会引入太阳边缘双像间角度偏移，因此MISolFA需要使用数据处理的方法纠正此偏移，并要剔除不一致的数据点，避免其污染结构函数；中国云南天文台太阳差分图像运动监测仪(SDIMM，SolarDifferentialImageMotionMonitor)[白日视宁度监测仪和在抚仙湖的初步观测结果,刘忠，云南天文台台刊]，采用楔镜偏转光线功能形成太阳边缘双像，硬件保证完全差分的太阳边缘运动，排除了风和其他原因造成的边缘双像间相对运动，但由于SDIMM仅观测太阳部分边缘，太阳漂移会引起太阳边缘倾斜或飘离SDIMM视场。上述两种仪器均需配置价格昂贵的大口径镜筒(如16英寸镜筒)和太阳导向装置以确保其可靠工作；此外，两种仪器均只有一个基线，可用的原始数据相对不多，且仅能观测太阳部分边缘，需通过仔细装调以确保边缘双像平行，现场装调要求极高。

目前，差分月亮边缘运动湍流廓线(PML，ProfilerofMoonLimb)技术取得重要进展，例如法国尼斯大学PML[FirstresultsofthePMLmonitorofatmosphericturbulenceprofilewithhighverticalresolution，A.Ziad，Astronomy&Astrophysics]克服了MOSP(MonitorofOuterScaleProfile)不敏感地面层大气湍流的缺点，可同时获得地面层大气湍流和中等分辨率的整个大气湍流廓线。目前的太阳视宁度监测仪主要利用MOSP原理，通过测量太阳边缘横向到达角起伏的角距离结构函数，反演结构函数和湍流强度的关系，获得大气湍流廓线。但是，PML利用道威棱镜翻转来自某一子孔径的月亮边缘像，最终形成月亮边缘双像，这是准硬件差分，不仅具有MISOLFA的缺点，而且像SDIMM一样仅观测月亮部分边缘。因此PML需要利用后期数据处理纠正月亮边缘双像间偏移。

基于太阳图像运动的大气湍流测量装置充分利用上述仪器的优点，并弥补不足。首先，基于太阳图像运动的大气湍流测量装置能够获取完全差分的太阳边缘运动，而图像监测方法实时处理横向角距离的太阳差分边缘运动。其次，基于太阳图像运动的大气湍流测量装置能够实时计算太阳位置的修正量，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，实现装置自动追踪太阳。再次，图像监测方法计算不同基线上横向角距离的太阳边缘差分抖动，基于大气湍流和差分抖动的关系直接得到整个大气视宁度，并利用反演算法得到中等分辨率大气湍流廓线。最后，基于太阳图像运动的大气湍流测量装置能够观测整个太阳表面，不但可以直接作为太阳导向装置，而且可以通过图像处理对准边缘双像，降低仪器现场装调要求，能够满足长期运行的需要。目前，现有仪器中鲜见此类测量装置。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提供一种能够同时测量整个大气视宁度和中等分辨率大气湍流廓线的白天大气湍流测量装置及其太阳图像监测方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置，该装置包括太阳图像抓拍部件阵列、自动导向适配器、太阳导向程序、同步控制器、白天大气湍流测量程序和赤道仪。

本发明的太阳图像抓拍部件阵列是将2～3套太阳图像抓拍部件以优化基线长度为间距、共光轴固定于赤道仪安装底座上，形成探测阵列。

本发明的太阳图像抓拍部件包括带通滤光片、小型望远镜和增倍镜组合以及相机。所述带通滤光片窄带通光，带宽为2～10纳米；所述小型望远镜和增倍镜组合具备大视场以及优化焦距，保证太阳图像抓拍部件像素张角为亚角秒级、光学衍射爱里斑直径不少于3个像素；所述相机具有大靶面和高速图像采集性能，使其与小型望远镜和增倍镜组合具备覆盖整个太阳表面的视场。

本发明的自动导向适配器包括四路开关延迟器，用于连接计算机和赤道仪，计算机通过串口连接自动导向适配器，自动适配器通过6芯电缆接至赤道仪的ST-4标准接口，以控制赤道仪。

本发明的太阳导向程序是通过计算机实时接收来自太阳图像抓拍部件阵列获取的太阳图像，使用梯度算法和小波变换算法提取太阳边缘，进行圆拟合得到太阳中心位置，并计算出太阳位置修正量，将太阳位置修正量转换成自动导向适配器的开关闭合时间，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，从而实现太阳位置的修正以及自动追踪太阳。

本发明的同步控制器包括多路同步信号发生器，输出同步触发信号以控制太阳图像抓拍部件阵列同步采集太阳图像数据流。

本发明的白天大气湍流测量程序是通过计算机线下恢复来自太阳图像抓拍部件阵列的太阳图像数据流，采用边缘识别算法提取太阳边缘，并以此边缘为中心沿横向或纵向邻域，使用灰度值加权算术平均算法得到精确的太阳边缘位置；依据精确的太阳边缘位置，计算不同基线上横向角距离的太阳边缘抖动，依据大气湍流和抖动的关系直接获得整个大气视宁度，并根据反演算法得到大气湍流廓线。

本发明的太阳导向程序和白天大气湍流测量程序均运行于计算机中，太阳导向程序主要通过串口连接自动导向适配器以控制赤道仪实现本装置能够自动追踪太阳，而白天大气湍流测量程序则基于测量装置获取的太阳图像数据得出整个大气视宁度和中等分辨率大气湍流廓线。

本发明还提供了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置的太阳导向程序的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过计算机实时接收来自太阳图像抓拍部件阵列获取的太阳图像数据流；

步骤2：使用梯度算法和小波变换算法，提取太阳边缘；

步骤3：进行圆拟合得到太阳中心位置，并计算出太阳位置修正量；

步骤4：将太阳位置修正量转换成自动导向适配器的开关闭合时间，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，从而实现太阳位置的修正以及自动追踪太阳。

本发明还提供了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置的白天大气湍流测量程序的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过计算机线下恢复来自太阳图像抓拍部件阵列的太阳图像数据流；

步骤2：采用边缘识别算法提取太阳边缘，并以此边缘为中心沿横向或纵向邻域，采用灰度值加权算术平均算法得到精确的太阳边缘位置；

步骤3：依据精确的太阳边缘位置，计算不同基线上横向角距离的太阳边缘抖动；

步骤4：依据大气湍流和抖动的关系获得整个大气视宁度，并根据反演算法得到中等分辨率大气湍流廓线。

本发明的上述两种方法应用于基于太阳图像运动的大气湍流测量装置。

本发明具有如下特点，包括：(1)测量装置确保获取完全差分的太阳边缘运动，图像监测方法实时处理横向角距离的太阳差分边缘运动。(2)测量装置能够实时计算太阳位置的修正量，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，实现装置自动追踪太阳。(3)图像监测方法计算不同基线上横向角距离的太阳边缘差分抖动，基于大气湍流和差分抖动的关系直接得到整个大气视宁度，并利用反演算法得到中等分辨率大气湍流廓线。(4)测量装置能够观测整个太阳表面，不但可以直接作为太阳导向装置，而且可以通过图像处理对准边缘双像，降低仪器现场装调要求，能够满足长期运行的需要。

有益效果：

1.本发明的测量装置能够获取完全差分的太阳边缘运动，图像监测方法实时处理横向角距离的太阳差分边缘运动。

2.本发明的太阳导向程序处理太阳边缘数据，计算太阳位置的修正量，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，实现自动追踪太阳。

3.本发明的白天大气湍流测量程序计算不同基线上横向角距离的太阳边缘差分抖动，基于大气湍流和差分抖动的关系直接得到整个大气视宁度，并利用反演算法得到中等分辨率大气湍流廓线。

4.本发明的太阳图像抓拍部件具备覆盖整个太阳表面的视场，不但可以直接作为太阳导向装置，而且可以通过图像处理对准边缘双像，降低仪器现场装调要求，能够满足长期运行的需要。

附图说明

图1是本发明太阳图像抓拍部件的结构示意图。

标识说明：1-带通滤光片；2-小型望远镜；3-增倍镜；4-相机。

图2是本发明的一种实施例结构示意图。

标识说明：5-太阳图像抓拍部件阵列；6-自动导向适配器；7-太阳导向程序；8-同步控制器；9-白天大气湍流测量程序；10-赤道仪。

图3为本发明基于太阳图像运动的大气湍流测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置，该装置的太阳图像抓拍部件包括带通滤光片1、小型望远镜2、增倍镜3和相机4。所述带通滤光片1使用Edmund#86-634，其中心波长650纳米，带宽10纳米，有效孔径为45毫米；所述小型望远镜2使用嘉兴锐星光学仪器有限公司65QED折射望远镜，其口径为65毫米，焦距为6.5；所述增倍镜3使用Televue图像放大器PMT-4201，其具有4倍增倍和2英寸接口；所述相机4使用德国BaslerbeA4000-62km工业单色相机，其具有4096×3072个像素，像素大小为5.5微米×5.5微米，及CameraLink接口。所述太阳图像抓拍部件具有观测视场45角分×34角分(大于30角分的太阳直径，确保覆盖整个太阳表面)，单像素张角为0.67角秒，理想爱里斑直径约为6角秒(满足采样要求)。

如图2所示，本发明提供了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置，该装置包括太阳图像抓拍部件阵列5、自动导向适配器6、太阳导向程序7、同步控制器8、白天大气湍流测量程序9和赤道仪10。所述太阳图像抓拍部件阵列5可由2～3套太阳图像抓拍部件以优化基线长度为横向间距构成；所述太阳图像抓拍部件阵列5与赤道仪10固定在同一个安装底座上，在硬件上确保获取完全差分的太阳边缘运动；所述2～3套太阳抓拍部件共光轴，硬件结构示意图参见图1。自动导向适配器6使用北京聚英翱翔电子有限公司4进4出继电器控制板DAM0404-RS232，具有四路开关切换功能，并通过6芯电缆连接赤道仪10的ST-4标准接口。所述太阳导向程序7通过自动导向适配器6控制赤道仪10，完成太阳位置的修正，实现自动追踪太阳。所述同步控制器8使用郑州明禾电子科技有限公司全数控信号发生器MHS2300A，其双路DDS信号输出端通过50欧姆同轴电缆连接太阳图像抓拍部件的相机4外触发端口。所述白天大气湍流测量程序9通过USB转串行接口控制同步控制器8输出同步触发信号，确保太阳图像抓拍部件阵列同步采集太阳图像数据流；所述白天大气湍流测量程序9则基于测量装置获取的太阳图像数据得出整个大气视宁度和中等分辨率大气湍流廓线。

如图3所示，本发明还提供了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置的太阳导向程序的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过计算机实时接收来自太阳图像抓拍部件阵列获取的太阳图像数据流；

步骤2：使用梯度算法和小波变换算法，提取太阳边缘；

步骤3：进行圆拟合得到太阳中心位置，并计算出太阳位置修正量；

步骤4：将太阳位置修正量转换成自动导向适配器的开关闭合时间，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，从而实现太阳位置的修正以及自动追踪太阳。

本发明还提供了一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置的白天大气湍流测量程序的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过计算机线下恢复来自太阳图像抓拍部件阵列的太阳图像数据流；

步骤2：采用边缘识别算法提取太阳边缘，并以此边缘为中心沿横向或纵向邻域，采用灰度值加权算术平均算法得到精确的太阳边缘位置；

步骤3：依据精确的太阳边缘位置，计算不同基线上横向角距离的太阳边缘抖动；

步骤4：依据大气湍流和抖动的关系获得整个大气视宁度，并根据反演算法得到中等分辨率大气湍流廓线。

本发明的上述两种方法应用于基于太阳图像运动的大气湍流测量装置。