Fried参数测量中几个关键技术问题的探讨分析.ppt

Fried参数测量中几个关键技术问题的探讨 强希文 宗 飞 许文强 徐云岫 西北核技术研究所 内 容 引言 Fried参数测量原理 Fried参数测量对技术指标的要求 对Fried参数计算公式的讨论 测量不确定度分析与评定方法 结论 引言 引言 光波在实际湍流大气中传输时，大气湍流导致光波相位畸变，空间相干性退化，只在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：远场光斑时空分布 激光大气通信：误码率 …… Fried参数是研究光波在实际湍流大气中诸多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：光波受大气扰动相位畸变均方值为1rad2的圆域直径。 引言 在测量系统研制、实际工程应用中的Fried参数测量中，尚有一些关键技术问题没有得到彻底解决或者不尽统一，从而限制了相关应用。 这些问题包括Fried参数测量系统的主要技术指标、Fried参数的计算公式、测量不确定度分析与评定方法等。 为了满足今后与天文光学观测、空间目标探测与识别、激光大气通信等相关工作的要求，需要规范Fried参数的测量的标准，从而保证测量数据的合理性、可靠性，为相关工程应用提供真实、可信的测量数据。 Fried参数测量原理：DIMM Fried参数测量对技术指标的要求 采样频率 宋正方研究员通过理论分析和实验研究认为[注]： (1) 对于整层Fried参数测量，当望远镜接收孔径为12cm时，0.1～50Hz带宽的频谱分量为整个频谱(0.01～100Hz)的90.6%。只有足够的高频响应( f ≥ 50Hz)才能可靠地进行图像抖动的测量。 (2) 对于均匀光路上的图像抖动，当望远镜接收孔径为12cm时，0.1～50Hz带宽的频谱分量为整个频谱(0.01～100Hz)的98.3%。 这样，根据Nyquist采样准则，测试仪器的采样频率理论上应不小于100fps(即2f)；而实际工程应用中，一般采样频率取为3～5倍的最高响应频率。 注: 宋正方. 星象抖动的时域频谱. 天体物理学报, 1995, 15(3): 275 ～ 281 Fried参数测量对技术指标的要求 采样频率 美国海军研究实验室Eun Oh等人[注]在2004年发表的文章中指出，利用差分像运动方法测量给出的Fried参数数据与仪器的采集帧频有着较大的关系。当采集帧频较低时，由于图像的平均效应，给出的Fried参数数据较大。 建议： 在大多数情况下，仪器的采集帧频应不小于300fps； 在考虑实际情况时，仪器的最低采样频率不小于150fps。 注: Eun Oh, et al. Developing a portable NRL fast frame rate seeing monitor. 2004, NRL Release Number 04 – 1226 ～ 1544 Fried参数测量对技术指标的要求 采样时长 根据各态历经理论可知，采样时长与大气湍流的低频特性相关。 研究结果表明[注]，整层测量与均匀光路情况在低频方面的要求相当，频率小于0.1Hz的大气湍流占全部大气湍流能量份额大约为0.6%。所以，频率小于0.1Hz的大气湍流在测量中是可以忽略的。 如果所考虑的大气湍流脉动的最低频率为fl＝0.1Hz，那么，采样的最低频率应为fl/2＝0.05Hz。由于小于0.1Hz的大气湍流能量份额基本可以忽略，所以在此给出计算每个Fried参数数据所需的仪器采样时长应不小于20s。 注: 宋正方. 星象抖动的时域频谱. 天体物理学报, 1995, 15(3): 275 ～ 281 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 若大气湍流脉动的最高频率为fu，则理论上采样频率应不小于2fu 。若大气湍流脉动的最低频率为fl，则采样的最低频率应为fl/2。根据采样的最高频率和最低频率确定采样数列[注1]的长度为N＝4fu/fl。 对于整层Fried参数测量情况[注2] ，可取fl＝0.1Hz，fu＝50Hz，则N＝4fu/fl＝2000。实质上，这也与上述的结论相一致，即样本量=采样频率×采样时长=100fps×20s=2000。 注1: 张兆顺. 湍流. 北京: 国防工业出版社, 2002.01, pp. 42 ～ 43 注2: 宋正方. 星象抖动的时域频谱. 天体物理学报, 1995, 15(3): 275 ～ 281 Fried参数测量对技术指标的要求 曝光时间 大气湍流时间频率中的高频部分是与测试仪器的曝光时间密切相关的。由于受到仪器的灵敏度和快门速度的限制, 实际观测中,很少讨论Fried参数测量的曝光时间。 直到1990s, 不少研究者从理论上和实验上开始对不同曝光时