Fried参数测量中几个关键技术问题的探讨解读.ppt

Fried参数测量中几个关键技术问题的探讨，对强希文宗飞许文强徐云峯西北核技术研究所、内容、引言Fried参数测量原理Fried参数测量技术指标的要求是Fried参数计算公式的探讨测量不确定度分析和评价方法的结论、引言、引言、 当光波在实际湍流大气中传播时，大气湍流引起光波相位失真，空间相干退化，只有一定区域内的光波是相干的。 光学成像系统：分辨率激光大气传输：远场点时空分布激光大气通信：差错率Fried参数是研究光波在实际湍流大气中应用的重要参数之一，描述了光波空间相位相干性的最大距离. 定义：光波受到大气干扰的相位变形的平均值为1rad2的圆域直径。 引言Fried参数测量在测量系统开发和实际工程应用中的应用受到限制，因为一些关键技术问题尚未完全解决或统一。 这些问题包括Fried参数测量系统的主要技术指标、Fried参数计算公式、测量不确定度的分析和评价方法等。 今后，为满足天文光学观测、空间目标探测与识别、激光大气通信等相关工作的要求，必须规范Fried参数测量标准，保证测量数据的合理性、可靠性，为相关工程的应用提供真实可靠的测量数据。 Fried参数测量原理：对DIMM、Fried参数测量技术指标的要求，采样频率宋正方研究员在理论分析和实验研究中指出： (1)对于全层Fried参数测量，望远镜的接收口径为12cm时，0.150Hz的带宽的光谱成分为全光谱(0.150Hz ) 图像抖动的测量只能以充分的高频响应(f50Hz )可靠地进行。 (2)对于均匀光路上的像抖动，望远镜的接收口径为12cm时，0.150Hz的带宽的光谱成分是全光谱(0.01100Hz )的98.3%。 因此，根据Nyquist采样标准，在实际工程应用中，测试设备的采样频率理论上必须大于或等于100fps (即2f )，典型的采样频率为3至5倍的最高响应频率。 注：宋正方.星像抖动的时域光谱.天体物理学报告，1995，15 (3) :275281，对Fried参数测定的技术指标的要求，采样频率美国海军研究室EunOh等注在2004年发表的文章中，用差分像运动法测定的Fried参数数据在收集帧率为低的情况下，图像的平均效果可以较大地提供Fried参数的数据。 建议：在许多情况下，在设备的收集帧速率必须大于或等于300fps的实际情况下，设备的最低采样频率不小于150fps。 注：EunOh，et al.deventingportablenrlfastframeerateingmonitor.2004，NRLReleaseNumber04-12261544，Fried参数测量对技术指标的要求，采样时间研究结果表明，全层测量相当于均匀光路状况的低频面要求，频率不足0.1Hz的大气湍流占全大气湍流能量份额的比例约为0.6%。 因此，测量中可以忽略频率小于0.1Hz的大气湍流。 如果假设大气湍流脉动的最低频率是fl=0.1Hz，则采样的最低频率是fl/2=0.05Hz。 由于小于0.1Hz的大气湍流能量分配几乎可以忽略，因此计算每个Fried参数数据所需的设备采样时间不得少于20秒。 注：宋正方形.星像抖动的时域频谱.天体物理学报告，1995，15 (3) :275281，Fried参数测量对技术指标的要求，计算每个Fried参数所需的样本量，如果大气湍流脉动的最高频率为fu，则理论上采样频率为fu 假设大气湍流脉动的最低频率为fl，则采样的最低频率为fl/2。 根据采样的最高频率和最低频率，将采样数列注1的长度决定为N=4fu/fl。 在全层Fried参数测量的情况下注2，设fl=0.1Hz、fu=50Hz、N=4fu/fl=2000。基本上，这与上述结论相匹配，即，采样量=采样频率采样时间=100fps20s=2000。 注1:张兆顺.湍流.北京：防卫工业出版社，2002.01，pp.4243，注2:宋正方形.星像抖动时域光谱.对天体物理学信息，1995，15 (3) :275281，Fried参数测量技术指标的要求由于受到设备灵敏度和快门速度的限制，实际观测中很少讨论Fried参数测定的曝光时间。 直到1990s，许多研究者都开始研究由曝光时间获得的Fried参数，无论是理论上还是实验上。 Fried参数测量了对技术指标的要求，曝光时间测量了风向与双子瞳平行、垂直和45度时的影响结果，风速不同时，曝光时间测量了1ms曝光得到的r0的比率。 Fried参数测量对技术指标的要求，曝光时间易懂。 风速较小时，曝光时间对r0的测定影响不大。 这与大气湍流的冻结理论一致，风速越大冻结时间越短。 大气湍流的时间特性可以用格林伍德时间常数0描述，意味着大气湍流状态在该时间范围内基本不变。 Fried参数利用光子瞳对光波的波前进行采样，并测量Fried参数。 为了“冻结”大气湍流引起的波前畸变，曝光时间必须小于或等于绿光时间常数。 否则，测量值可能会大于实际值。 因此，可以认为光波通过大气湍流引起的波前变形在绿木时间常数的范围内大致一定，因此测量仪的曝光时间请控制在沿测量光路的绿木时间常数以下。 因此，可以避免由于测定器的曝光时间长而导致的测定值与真实值的不一致。 Fried参数计算公式的讨论、差分图像运动方差法：虽然已经公认的Fried参数计算公式并不总是统一的，Fried参数测量数据处理的基础和计算Fried参数的基本依据，Fried参数计算公式必须十分准确关于测量仪器参数的计算公式，tan惠松等人注给出的r0值很大。 注： tan惠松、岑学奋、钱铜铃. DIMM测宁度的几个问题.云南天文台台刊，2002，(1):3846，Fried参数计算公式的探讨，根据M.Sarazin等人的研究结果注 与双子光瞳接线方向平行Fried参数r0l和与双子光瞳接线方向垂直的Fried参数r0t :注： SarazinM、roddierf.thesosediffiderialimagemotionmonitor.astronastrophys，1990，220 ，D=8cm，d=16cm，24cm； D=10cm、d=20cm、25cm，用上式计算r0/r0l和r0/r0t的值大致等于1.0 . 对、Fried参数计算公式的讨论在沿测量路径的大气湍流各向同性的情况下，能够容易地理解上述结果。 因此，为了避免沿测定路径部分的大气紊流各向异性的影响，可以认为测定的Fried参数是在这两个垂直方向测定的平均值：Fried参数测定不确定度分析和评价方法、测定不确定度分析和评价的依据：Fried参数测定不确定度分析和评价方法， 测量不确定度源： (1)望远镜焦距导入的不确定度由望远镜主、副镜参数计算得出；(2)导入望远镜瞳孔中心间距离的不确定度由测量工具的不确定度计算得出；(3)导入望远镜瞳孔直径的不确定度由测量工具的不确定度计算得出；(4) 由光电检测器读出噪声、光子噪声、背景噪声、以及由不完全采样计算不确定度来给出引入了重心起伏方差的不确定度。测量不确定度合成：结论：对Fried参数测量中的一些重要问题进行了分析和讨论，提出了Fried参数测量不确定度分析和评定方法，规范