专利名称：一种基于多子孔径成像的大气等晕角测量方法
技术领域：
本发明涉及一种大气等晕角测量方法，特别是一种适用于具有不同尺寸的圆形和方形子孔径的多子孔径成像的大气等晕角测量方法。
背景技术：
大气湍流是一种非均匀的随机介质,光在湍流大气中传输,受大气折射率起伏变化的影响，光波的相位和振幅同时发生随机起伏，从而产生波前畸变，引起光强闪烁、质心漂移以及光斑破碎等一系列的湍流效应。等晕角是表征大气湍流的特征参数之一，它描述在某一圆锥区域内大气湍流相关的最大角度，即在等晕角范围内大气路径上湍流造成的畸变基本相同，反映了通过大气到达观测点的光波波前的角度相关性。
G. C. Loos 和 C. B. Hogge 在 1979 年出版的 APPLIED OPTICS 第 18 卷第 2654-2661页的论文“大气瑞流和等晕角 ”(G. C. Loos and C. B. Hogge, “Turbulence of the upperatmosphere and isoplanatism”，AppI. Opt, Vol. 18, 2654-2661,1979)中给出了星光闪烁的强度和等晕角之间具有反向相关性，并通过推导得出当采用直径为O. Ilm圆形接收孔径时星光闪烁方差与等晕角具有相同的高度权重函数，可通过湍流大气中光闪烁效应测量方法，即星光闪烁法测量等晕角。此时的直径O. Ilm圆形孔径也被称为星光闪烁法的等晕角测量孔径(isoplanometer)。F. D. Eaton 和 W. A. Peterson 等在 1985 年出版的 APP LIED OPTICS 卷 24 第3264-3273页的论文“等晕角直接测量及相关的大气条件”(F. D. Eaton and ff. A. Peterson,^Isoplanatic angle direct measu rements and associated atmosphericconditions”，AppI. Opt, Vol. 24，3264-3273，1985)中推导出在等晕角测量孔径下，波长为O. 5μπι时，直接由星光信号闪烁方差计算等晕角的公式为θ() = PC [丨og( ] + σ； / <- S >2)]~'V5(I}式中，A2为星光信号方差，〈S〉为星光信号的平均值，PC为常数，通过实验数据拟合出 PC=O. 9676。由于星光闪烁法方法简便，可实现性强，目前成为工程中测量等晕角所广泛采用的方法。例如中国科学院安徽光机所研制的等晕角测量仪，可参考1994年5月发表在《强激光与粒子束》的一篇论文，题为《大气相干长度与等晕角的测量》，杨高潮著。但是上述星光闪烁法测量等晕角要求在等晕角测量孔径下进行，即仅适用于O. Ilm的圆形接收口径光学系统，如果不能满足测量要求，由于孔径的平滑作用，测量得到的等晕角会有很大误差。因此在采用大口径望远镜测量时通常需要在前端安装直径为O. Ilm的圆孔形挡板。自适应光学系统主要用来克服大气湍流对光波传播造成的影响，因此与大气湍流密切相关。由于大气湍流随时随处不同，所以在自适应光学系统视场角范围内实现同光路共光轴测量大气等晕角能更好地反映系统的校正性能和工作状况。目前哈特曼波前探测器被广泛应用于自适应光学系统之中。这是一种多子孔径成像探测器，通常由微透镜阵列和CCD光电传感器组成。微透镜阵列对接收孔径进行分割采样，每个子透镜作为一个子孔径，将光束聚焦成一个光斑阵列，由CCD探测器探测到各个子孔径内的光强变化数据。这样每个探测子孔径以及相应的CCD子区域就构成了一个有限接收孔径的强度探测系统。在采用哈特曼波前传感器时，大多数情况下波前传感器探测子孔径为方形，而不是圆形。且由于光学系统不同，采用的接收口径和子孔径数目和布局不同，子孔径的尺寸也不同，通常不能满足等晕角测量孔径的要求。因此，在类似哈特曼波前传感器的多子孔径成像探测器中无法直接采用传统的星光闪烁法测量等晕角。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种多子孔径成像探测器测量大气等晕角的方法，适用于具有不同尺寸的圆形或方形的测量孔径的情形，且简单，易实现，能直接应用于以多子孔径成像系统作为探测器的光学系统，减小了其测量误差。 本发明技术解决方案一种多子孔径成像探测器测量大气等晕角的方法，其特点在于基于方形孔径的大气等晕角星光闪烁测量方法，以及圆形和方形孔径在不同孔径尺寸下等晕角的计算修正因子，使湍流大气中光闪烁效应测量等晕角方法能适用于具有不同尺寸的圆形和方形子孔径的多子孔径成像探测器，实现步骤如下(I)根据多子孔径成像探测器子孔径布局确定测量孔径形状及尺寸。子孔径在全孔径上可以规则排布，也可以任意排布，也可以方形和圆形同时排布。测量孔径可以采用单个子孔径或多个子孔径组合；(2)若为直径D的圆形测量孔径，常数PC=O. 9676，并由公式y =-4D3+14. 6D2+7. 3D+0. I(I)求出孔径尺寸等晕角修正因子Y ；(3)若为边长A的方形测量孔径，常数PC=O. 4，并由公式y=-0. 12A3+11A2+11. 2A-0. I(2)求出孔径尺寸等晕角修正因子Y ；(4)探测器可以是(XD、CMOS等面成像器件，对多子孔径同时测量，也可以用PMT、PSD、ro等单元探测器件，对多个子孔径分别测量。假设采用CCD或其它类似光电测量器件对多子孔径内聚焦的光成像测量，统计测量孔径对应CCD子区域内对应的像素灰度值之和的起伏方差
Iframeσ] = --[ (S - < S >f(3)
framex 1
^ j 一1其中frame为统计时间内的CXD总帧数，Sj为第j帧图像的对应CXD子区域内像素的光强灰度值之和，〈S〉为统计时间内的对应CCD子区域内像素的平均光强值；(5)计算等晕角，带入步骤(2)或(3)所确定的PC和Y值θ0 = PC[log( I + σ' < S >2 )Γ 5 j-(4)(6)对探测器上多个测量孔径重复步骤(1)-(5)，在一个统计时间内得到多个θ 0,进行估计平均，得到此统计时间上的大气等晕角测量值。对子孔径在全孔径上的排布方式没有限制，子孔径可以规则排布，也可以任意排布，也可以方形和圆形同时排布。对探测器件没有限制，探测器是(XD、CMOS等面成像器件，对多子孔径同时测量，或采用PMT、PSD、ro等单元探测器件，对多个子孔径分别测量。本发明的原理及依据是光波在湍流大气中的光强起伏一般称为闪烁，闪烁强度随探测面积的增大而减小，这种效应一般称为孔径平滑作用。因此当测量孔径的形状及尺寸不满足等晕角测量孔径条件时，所测量到的星光信号的闪烁方差会由于孔径平滑作用而改变，从而影响等晕角的测量。因此本发明的核心一是在测量孔径形状为方形时的等晕角星光闪烁测量方法对于有限平面波，在弱湍流条件下，内尺度'〈〈(L/k)"2时忽略湍流内尺度影响，可以使用Kolmogorov谱
权利要求
1.一种基于多子孔径成像的大气等晕角测量方法，其特征在于实现步骤如下 (1)根据多子孔径成像探测器子孔径布局确定测量孔径形状及尺寸，测量孔径采用单个子孔径或多个子孔径组合； (2)若为直径D的圆形测量孔径，常数PC=O.9676，并由圆形孔径在不同尺寸下的等晕角修正因子计算公式，求出等晕角孔径尺寸修正因子Y ; Y=-4D3+14. 6D2+7. 3D+0. I(I) (3)若为边长A的方形测量孔径，常数PC=O.4，并由方形孔径在不同尺寸下的等晕角修正因子计算公式，求出等晕角孔径尺寸修正因子Y ;Y=-0. 12A3+11A2+11. 2A-0. I(2) (4)统计测量孔径对应C⑶子区域内的像素灰度值之和的起伏方差
2.根据权利要求I所述的一种基于多子孔径成像的大气等晕角测量方法，其特征在于对子孔径在全孔径上的排布方式没有限制，子孔径可以规则排布，也可以任意排布，也可以方形和圆形同时排布。
3.根据权利要求I所述的一种基于多子孔径成像的大气等晕角测量方法，其特征在于对探测器件没有限制，探测器是CCD、CMOS面成像器件，对多子孔径同时测量，也可以采用PMT、PSD、PD单元探测器件对多个子孔径分别测量。
全文摘要
一种基于多子孔径成像的大气等晕角测量方法，利用多子孔径成像原理，结合湍流大气中光闪烁效应测量方法，来确定大气等晕角。引入了方形孔径的大气等晕角星光闪烁测量方法，以及圆形和方形孔径在不同孔径尺寸下的等晕角计算修正因子，使该方法能适用于具有不同尺寸的圆形和方形子孔径的多子孔径成像系统。本发明的方法流程简单，易实现，能直接应用于以多子孔径成像系统作为探测器的光学系统，例如以哈特曼作为探测器的自适应光学系统中，实现与其同光路共光轴测量，拓展了现有的光闪烁效应测量等晕角的应用范围，减小了其测量误差。
文档编号G01C1/00GK102901483SQ20121039565
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者郑文佳, 李新阳, 鲜浩, 李梅 申请人:中国科学院光电技术研究所