СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА ДЛЯ КОРРЕКЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 2020 года по МПК G01W1/00 G01N21/17 G01J9/00 

Изобретение относится к области астрономических наблюдений с высоким пространственным разрешением и может быть использовано для дистанционного определения вертикальных профилей показателя преломления воздуха, а также в устройствах дистанционного зондирования турбулентных характеристик атмосферы, например, в лидарах.

Известен способ измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха [2], заключающийся в расчете усредненных во времени пространственных кросскорреляционных функций дифференциальных смещений центров тяжести субизображений от двух разнесенных на некоторый угол источников света, формирующихся одновременно в поле зрения каждой субапертуры датчика волнового фронта. Сохранение угла между наблюдаемыми световыми источниками в процессе измерений ограничивает высотное разрешение метода, плюс к этому способ налагает ограничение на точность расчета вследствие различий в геометрии разнесенных протяженных источников.

Наиболее близким к заявляемому способу измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений в реальном времени является способ [1], заключающийся том, что вертикальные профили показателя преломления воздуха измеряют по локальным наклонам волновых фронтов от двух разнесенных на известный угол светящихся объектов (фрагментов на солнечном изображении), находящихся в поле зрения одного телескопа, с помощью двух одинаковых датчиков волнового фронта. Рассчитывают усредненные во времени пространственные кросскорреляционные функции локальных наклонов волновых фронтов от двух источников света, которые регистрируют с помощью двух датчиков от скрещенных оптических пучков в разных частях поля зрения астрономического телескопа. Определяют автокорреляционную функцию локальных наклонов волнового фронта на одном из датчиков. По усредненным по времени кросскорреляционным функциям локальных наклонов двух волновых фронтов и автокорреляционной функции локальных наклонов на одном из датчиков волнового фронта оценивают характеристику показателя преломления воздуха.

Формула для расчета вертикального профиля характеристики показателя преломления воздуха по этому способу выглядит следующим образом:

где, усредненная по времени пространственная кросскорреляционная функция

взаимная корреляционная функция для выбранного датчика

δi и δj - расстояния между субапертурами (участков на апертуре телескопа), индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат, - локальные наклоны волнового фронта на субапертуре i,j камеры (1), - локальные наклоны волнового фронта на субапертуре i+δi, j+δj камеры (2), O(δ(δδj) - число пересекающихся освещенных субапертур на одном из датчиков волнового фронта, <> - знак усреднения по временной реализации, F - знак Фурье преобразования, - знак обратного Фурье преобразования, р - матричная весовая функция, имеющая размерность м^-2/3, N и М - общее количество субапертур вдоль каждой из произвольно выбранных перпендикулярных осей координат.

Способ измерений, описанный в прототипе, обладает следующими недостатками: измерения возможны лишь на нескольких уровнях высот, число которых ограничено количеством субапертур датчиков волнового фронта, необходимо регистрировать дрожание двух разнесенных на известный угол светящихся астрономических объекта с помощью двух датчиков волнового фронта, требуется наличие двух и более источников света близких по форме и размеру, разнесенных на заданные углы. На солнечном изображении вероятность существования таких объектов в поле зрения датчика волнового фронта невелика.

Предлагаемое техническое решение измерения вертикальных профилей характеристики показателя преломления воздуха основано на том, что сканирование атмосферных слоев выполняют просвечивающими оптическими лучами за счет естественного движения светила по небосводу вследствие суточного вращения Земли. На рисунке 1 показана схема способа измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений.

Измерения локальных наклонов волновых фронтов на каждой субапертуре выполняют с помощью одного датчика волнового фронта, работающего по одному источнику света произвольной формы и размера, позиция которого изменяется за счет суточного вращения Земли. Пересечения световых пучков формируют между положением пучка в начальный момент времени и последующим положением пучка вследствие суточного движения объекта по небосводу. На втором шаге расчетов положение опорного пучка смещено на угол (на один шаг по времени). Далее, по данным измерений локальных наклонов волнового фронта рассчитывают усредненные по отдельным временным интервалам пространственно-временные кросскореляционные функции локальных наклонов, формируемых в скрещенных оптических пучках, в начальный момент и последующие моменты времени. Из зарегистрированного набора оптических пучков выбирают все скрещенные пучки, «точки пересечения» которых располагаются на разных высотных уровнях по лучу зрения. Длину временного интервала определяют исходя из минимальной высоты измерений профиля характеристик показателя преломления воздуха. Количество пересечений пучков выбирают в соответствии с заданным пространственным разрешением положения расчетных уровней по вертикали. Нижняя высота определения единичного профиля - 20 м, что по времени измерений занимает до 20 с. Пространственное разрешение способа возрастает за счет высокой дискретизации углов во времени и ограничивается скоростью регистрации датчика волнового фронта и угловым смещением наблюдаемого объекта во времени. Ранжирование «точек пересечения» световых пучков, разнесенных по апертуре телескопа и времени регистрации, связанного с углом между последовательными положениями пучков выполняют согласно соотношению:

где D - диаметр входного зрачка телескопа, h - высота слоя, n - число выбранных субапертур датчика волнового фронта, θ(t) - переменный угол между источниками световых пучков в разные моменты времени, α - зенитный угол Солнца. Полученные амплитуды пространственно-временных кросскореляционных функции показателя преломления воздуха, привязанные к высотным уровням, позволяют рассчитать вертикальный профиль характеристики показателя преломления воздуха по формуле (1):

где пространственно-временную кросскорреляционную функцию локальных наклонов волновых фронтов C(δi,δj,δt) находят по формуле (2):

взаимнокорреляционную функцию A₁((δi,δj,δt) определяют по формуле (3)

δi и δj - расстояния между субапертурами, индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат, s_0,0 - локальные наклоны волнового фронта на опорной субапертуре с координатами (0,0) в момент времени t=0, s_δi,δj,δt - локальные наклоны волнового фронта на субапертуре сдвинутой на шаг относительно исходной, в том числе, на субапертурах в последующие моменты времени O(δ(δδj) - число пересекающихся субапертур на датчике волнового фронта, <> - знак усреднения по временной реализации, F - знак Фурье преобразования, - знак обратного Фурье преобразования, N и M - общее количество субапертур вдоль каждой из произвольно выбранных перпендикулярных осей координат, K - матричная весовая функция, имеющая размерность м^-2/3. Определение матричной весовой функции производится по данным интегральных значений амплитуды искажений волнового фронта. Высоты атмосферных слоев определяются по формулам

Способ был реализован на Большом солнечном вакуумном телескопе (БСВТ) Байкальской астрофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН. Датчик волнового фронта был установлен в параллельном пучке в плоскости, сопряженной с плоскостью апертуры телескопа. Датчик имел 8×8 субапертур и цифровую камеру с размером матрицы 7×7 мм, 740×480 пиксел, частота 100 кадров в секунду. В качестве источника света использовался край солнечного изображения. Полные серии измерений занимали ~ 45 сек, при этом на восстановление единичного вертикального профиля затрачивалось ~ 15 сек. Использование одного датчика волнового фронта позволило сохранить плотность светового потока на каждой субапертуре и, как следствие, повысить точность измерений локальных наклонов волнового фронта. По сравнению с аналогом при прочих равных условиях точность измерений возросла более чем в 2 раза. Кроме этого, что важно, увеличилось число высотных уровней более чем в 10 раз.

По данным измерений локальных наклонов волнового фронта заявляемым способом были получены вертикальные профили характеристики показателя преломления воздуха по измерениям локальных наклонов волнового фронта в узловых точках пересечений световых пучков.

На рисунке 2 показаны примеры вертикальных профилей характеристики показателя преломления воздуха, рассчитанные по данным измерений локальных наклонов волнового фронта, 28.06.2018. Полученные вертикальные профили характеристики показателя преломления позволяют рассчитать аналогичные профили для других характеристик показателя преломления воздуха.

Верификация результатов измерения предлагаемым способом была выполнена путем сравнения изменений приведенных к зениту значений радиуса Фрида, обозначающего средний линейный размер неоднородности показателя преломления [3], и интегральной величины характеристики показателя преломления воздуха.

На рисунке 3 (верхняя фигура) показаны изменения приведенных к зениту средних значений радиуса Фрида r₀ в дневное время, рассчитанные по измерениям датчика волнового фронта Шака-Гартмана. По оси абсцисс показано время наблюдений, по оси ординат - значения радиуса Фрида. Непрерывной кривой показано изменение средних значений радиуса Фрида, определенных по дрожанию субизображений по 52 парам разнесенных субапертур. Заливкой показаны средние квадратические отклонения значений радиуса Фрида. Оценка радиуса Фрида производилась по данным измерений дрожания края солнечного изображения, выполненных за 28.06.2018.

На нижней фигуре рисунка 3 показаны изменения интегральной величины характеристики показателя преломления воздуха k, рассчитанной по данным измерений локальных наклонов волнового фронта, 28.06.2018. По оси абсцисс отложено время, по оси ординат - k.

Анализ рис. 2 и 3 показывает, что значения радиуса Фрида, определенные в слое от 0 до 20 км, имеют тенденцию к уменьшению при возрастании величины k, характеризующей степень развитости турбулентности и наоборот. Характер изменений этих величин указывает на реалистичность результатов измерений применяемым способом.

Характер распределения характеристик показателя преломления воздуха по вертикали согласуется с полученными данными выполненных лидарных наблюдений вертикальной структуры воздушных течений. Экспериментальные исследования в месте расположения БСВТ, выполненные с помощью Stream Line lidar, позволили выявить особенности течений в нижнем слое атмосферы. Был подтвержден двухслойный характер изменений скорости и направления ветра с высотой. Полученные из измерений оценки высот повышенной интенсивности турбулентности заявляемым способом оказались в согласии с характерными высотами, определяемыми из лидарных измерений.

Источники информации:

1. Wilson R.W. "SLODAR: measuring optical turbulence altitude with a Shack-Hartmann wavefront sensor" / MNRAS Volume 337, Issue 1, 2002. pp. 103-108.

2. Townson M.J. "Correlation wavefront sensing and turbulence for solar adaptive optics / A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy" / University of Durham. United Kingdom. 2016. P. 139.

3. Hickson P. "Fundamentals of atmospheric and adaptive optics" / The University of British Columbia, Department of Physics and Astronomy. 2008. P. 68.

Изобретение относится к области астрономических наблюдений с высоким пространственным разрешением и может быть использовано для дистанционного определения вертикальных профилей показателя преломления воздуха. Измерение характеристики показателя преломления воздуха выполняют по пространственно-временной кросскорреляционной функции локальных наклонов волновых фронтов от одного объекта солнечного изображения, сдвигающегося за счет суточного вращения Земли на определенные углы в каждый из последующих моментов времени. При этом измеряют локальные наклоны волновых фронтов на солнечном изображении в скрещенных оптических пучках. Вертикальный профиль характеристики показателя преломления воздуха определяют по следующему выражению:

где C(δi, δj, δt) - пространственно-временная кросскорреляционная функция локальных наклонов волновых фронтов, A₁(δi, δj, δt) - взаимнокорреляционная функция, δi и δj - расстояния между субапертурами, δi и δj - расстояния между субапертурами (участков на апертуре телескопа), индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат, δt - временной промежуток между отсчетами, F - знак фурье-преобразования, - знак обратного фурье-преобразования, K - матричная весовая функция, имеющая размерность м^-2/3, определение матричной весовой функции производится по данным интегральных значений амплитуды искажений волнового фронта, высоты атмосферных слоев определяются по формулам где α - зенитный угол Солнца. Технический результат заключается в повышении пространственного разрешения и расширении области применимости. 3 ил.

Способ измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений, заключающийся в том, что измеряют локальные наклоны волновых фронтов на солнечном изображении в скрещенных оптических пучках, отличающийся тем, что измерение характеристики показателя преломления воздуха выполняют по пространственно-временной кросскорреляционной функции локальных наклонов волновых фронтов от одного объекта солнечного изображения, сдвигающегося за счет суточного вращения Земли на определенные углы в каждый из последующих моментов времени, вертикальный профиль характеристики показателя преломления воздуха определяют по следующему выражению:

где C(δi, δj, δt) - пространственно-временная кросскорреляционная функция локальных наклонов волновых фронтов, A₁(δi, δj, δt) - взаимнокорреляционная функция, δi и δj - расстояния между субапертурами, δi и δj - расстояния между субапертурами (участков на апертуре телескопа), индексами i, j обозначены позиции субапертур на апертуре вдоль произвольно выбранных ортогональных осей координат, δt - временной промежуток между отсчетами, F - знак Фурье-преобразования, - знак обратного Фурье-преобразования, K - матричная весовая функция, имеющая размерность м^-2/3, определение матричной весовой функции производится по данным интегральных значений амплитуды искажений волнового фронта, высоты атмосферных слоев определяются по формулам где α - зенитный угол Солнца.