СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПО АНАЛИЗУ МЕРЦАНИЯ ЗВЕЗД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01S17/95 G01N21/41 

Изобретение относится к области физики атмосферы и предназначено для измерения спектра флуктуаций оптического сигнала, прошедшего турбулентную атмосферу, оценки параметров турбулентности с целью ее дальнейшей компенсации средствами адаптивной оптики при зондировании космического мусора лазерно-локационными станциями наземного базирования.

Из существующею уровня техники известны несколько способов измерения параметров атмосферной турбулентности [Atmospheric Turbulence and its Influence on Adaptive Optics. Mike Campbell. 2009], таких как DIMM. SLODAR, SCIDAR.

DIMM заключается в получении двух изображений одной звезды, за счет прохождения излучения звезды через апертурную маску с двумя диафрагмами с известным расстоянием между ними, измерении смещений центров тяжести каждого изображения и вычислении дисперсии разности смещений центров тяжести двух изображений. В качестве детектора используется видеокамера. Данный способ позволяет определять величину радиуса пространственной когерентности r₀, а при наличии метрологических данных о скорости ветра позволяет оценить время когерентности τ₀. Не позволяет восстанавливать профиль турбулентности.

SCIDAR заключается в наблюдении на короткой экспозиции двойных звезд, находящихся на известном уловом расстоянии друг относительно друга и анализе изменения картины световых вспышек от кадра к кадру. В качестве детектора используется видеокамера. Данный способ позволяет определять временные характеристики атмосферной турбулентности, такие как время когерентности τ₀ и частоту Гринвуда ƒ_G. Также позволяет восстанавливать профиль турбулентности. Данный метод трудозатратен, имеет ограничение, обусловленное поиском подходящих звезд, а также предполагает использование больших телескопов с апертурой >1 м и наличие быстродействующей видеокамеры.

SLODAR во многом аналогичен SCIDAR и заключается в получении изображений двойных звезд, находящихся на известном уловом расстоянии друг относительно друга, измерении локальных наклонов волнового фронта при помощи датчика Шака-Гартмана, В качестве детектора используется видеокамера. Метод имеет аналогичное ограничение, обусловленное поиском подходящих звезд, и не предполагает определения частотных характеристик турбулентной атмосферы.

Наиболее близким аналогом выбран способ исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания естественных звезд при наблюдении наземным телескопом через турбулентную атмосферу, представленный в статье [Combined MASS-DIMM instrument for atmospheric turbulence Studies V, Kornilovl, A. Tokovinin, Моn, Not. R. Astron. Soc. 000, 1 - 11, 2007]. Способ заключается в том, что осуществляют наведение оптической оси приемного узла на естественную одиночную звезду с магнитудой m и для заданной конфигурации фильтра пространственных частот, представляющего собой набор концентрических кольцевых апертур А, В, С, D различного размера, расположенных в плоскости входного зрачка приемного телескопа, регистрируют оптический сигнал блоком фотодетекторов, состоящим из 4-х фотоэлектронных умножителем в режиме счета фотонов, с которых одновременно с помощью счетчиков импульсов за время накопления t в течение времени регистрации Т выполняют счет электрических импульсов, производят обработку данных о флуктуации скорости счета дня каждого кольца А, В, С, D и их комбинаций АВ, АС, АD, ВС, ВD, CD, вычисляют 10 сцинтилляционных индексов s² (4 нормальных и 6 дифференциальных), которые приближают интегралом турбулентности J_s с учетом весовых функций W_F, характеризующих высотную зависимость для заданной апертуры, в рамках модели шести тонких турбулентных слоев с высотами h₁ - 0.5. 1, 2, 4, 8, и 16 км, что позволяет восстановить профиль турбулентности C²_n(h₁), для последующего определения пространственно-временных характеристик атмосферной турбулентности.

Также для реализации способа представлено устройство для исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания естественных звезд, включающее систему наведения, интегрированную в моторизированную монтировку, на которую устанавливается приемный узел, представляющий собой телескоп типа Касеегрен с линзой Фабри в место штатного окуляра, оптически связанной с фильтром пространственных частот, выполненною в виде набора миниатюрных концентрических зеркал, расположенных под некоторым углом относительно оптической оси приемного телескопа, ряда поворотных зеркал и четырех фотодетекторов типа фотоэлектронный умножитель, электрически связанных через счетчик импульсов с блоком управления, причем для облегчения ручного наведения, центрирования и фокусировки в устройстве в фокальной плоскости приемного телескопа, имеется откидное зеркало, за которым следует окуляр для оператора.

Основная задача способа исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания естественных звезд заключается в вычислении профиля структурной характеристики показателя преломления С_n². Способ не предполагает определения частотных характеристик турбулентной атмосферы, лишь позволяет оценить постоянную времени τ₀, на основании временною анализа флуктуации сигнала в наименьшей апертуре А.

Недостатком способа исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания звезд является ограниченные эксплуатационные возможности, связанные с невозможностью расширить область спектра регистрируемых флуктуаций оптического сигнала, обусловленное использованием устройства с фотодетектором, обладающим низкой чувствительностью. Применение фотоэлектронных умножителей с двущелочным фотокатодом с максимумом спектральной чувствительности смещенным в синюю область спектра, обладающим низким квантовым КПД - не более 20% в спектральном диапазоне peгистрации, приводит к увеличению времени накопления сигнала, что сужает спектр регистрируемых флуктуации из-за усреднения сигнала, а также увеличивает погрешность расчета сцинтилляционных индексов s².

Другим недостатком является то, что блок фотодетекторов работает в широком спектральном диапазоне Δλ~100 нм, что согласно [The verification of the MASS spectral response. V. Koraikn. 2006 http://www.ctio.noao.edu] приводит к ошибке расчета весовых функций W_F, и случае неправильного определения спектрального отклика при наблюдении звезд различных спектральных типов и. как результат, к увеличению погрешности при восстановлении профиля турбулентности.

Технический результат изобретения заключается в расширении эксплуатационных возможностей сцинтилляционных детекторов за счет увеличения диапазона измерения спектра флуктуаций оптического сигнала, дополнительного определения частотных характеристик и уменьшения погрешности измерений.

Указанный технический результат в способе достигается тем, что осуществляют наведение оптической оси приемного узла на естественную одиночную звезду с магнитудой m, для заданной конфигурации фильтра пространственных частот регистрируют оптический сигнал фотодетектором, с которого с помощью счетчика импульсов за время накопления t в течение времени регистрации Т выполняют счет электрических импульсов, производят обработку данных о флуктуации скорости счета, по которым вычисляют сцинтилляционный индекс, с дальнейшей оценкой значения структурной характеристики показателя преломления С_n² для последующего определения пространственно-временных характеристик атмосферной турбулентности, новым является то, что предварительно до peгистрации определяют рассогласование оптических осей системы наведения с фотодетектором и выполняют их точную юстировку, после чего при помощи набора диафрагм задают диаметр приемной апертуры, регистрацию оптического сигнала осуществляют в узком спектральном диапазоне, дополнительно после вычисления сцинтилляционного индекса при помощи спектрального анализа дискретных сигналов методом скользящего окна Уэлча выполняют расчет значения спектральной плотности мощности в диапазоне частот от 1/T до ½ 1/t ДЛЯ различных пространственных масштабов атмосферной турбулентности, с дальнейшей оценкой частоты Гринвуда в приближении модели турбулентности Хафнагеля-Волли, при этом оценку частоты Гринвуда и оценку усредненного значения структурной характеристики показателя преломления С_n² выполняют с учетом фактора апертурного усреднения.

Указанный технический результат в устройстве достигается тем, что включает систему наведения, оптически связанные приемный узел, фильтр пространственных частот, фотодетектор электрически связанный через счетчик импульсов с блоком управления, новым является то, что устройство дополнительно содержит, установленные после приемного узла, выполненною в виде объектива приемного телескопа, светоделитель и оптически связанные с ним интерференционный светофильтр, размещенный перед фотодетектором, который выполнен на базе лавинного фотодиода в Гейгеровском режиме, и видеокамеру электрически соединенную с блоком управления, а в качестве фильтра пространственных частот используют апертурную маску с набором диафрагм различного размера, установленную на объективе приемного телескопа.

Также система наведения может быть выполнена в виде размешенною перед приемным узлом подвижного зеркала в моторизированной оправе, либо вся оптическая часть устройства может быть установлена на моторизированную монтировку.

Влияние отличительных признаков патентной формулы способа на вышеуказанный технический результат.

Благодаря тому, что предварительно до регистрации определяют рассогласование оптических осей системы наведения с фотодетектором и выполняют их точную юстировку, удастся минимизировать ошибку, связанную неравномерной чувствительностью фотодетектора и, как результат, уменьшить погрешность измерений.

Использование набора диафрагм для ограничения диаметра приемной апертуры, позволяет упростить конструкцию устройства и минимизировать случайную ошибку, связанную с юстировкой оптических элементов.

Регистрация оптического сигнала в узком спектральном диапазоне позволяет уменьшить ошибку расчета весовых функций W_F, в случае неправильного определения спектрального отклика при наблюдении звезд различных спектральных типов.

Благодаря тому, что дополнительно после вычисления сцинтилляционного индекса при помощи спектрального анализа дискретных сигналов методом скользящего окна Уэдча выполняют расчет значения спектральной плотности мощности в диапазоне частот от 1/Т до ½ 1/t для различных пространственных масштабов атмосферной турбулентности, определяют фактор aпертурного усреднения, который в дальнейшем используется для оценки частоты Гринвуда в приближении модели турбулентности Хафнагедя-Волли, и усредненного значения структурной характеристики показателя преломления С_n², позволяет уменьшить погрешность измерений и дополнительно определить частотные характеристики турбулентной атмосферы, что расширяет эксплуатационные возможности.

Влияние отличительных признаков патентной формулы устройства на вышеуказанный технический результат.

Дополнительное содержание в устройстве, установленного после приемного узла, выполненного в виде объектива приемного телескопа, светоделителя позволяет разделить световой поток на два что позволяет установить видеокамеру и использовать ее для коррекции наведения оптической оси приемного узла на естественную звезду, а также для точной юстировки оптической схемы, что в свою очередь

Использование оптически связанного с приемным узлом интерференционного светофильтра, размещенного перед фотодетектором, позволяет сузить спектральный диапазон регистрации оптического излучения для уменьшения ошибки расчета весовых функций W_F, в случае неправильного определения спектрального отклика при наблюдении звезд различных спектральных типов.

Использование фотодетектора на базе лавинного фотодиода в Гейгеровском режиме, позволяет сократить время накопления сигнала при том же потоке квантов, что в свою очередь позволяет увеличить диапазон измерения спектора флуктуаций оптического сигала, что позволяет расширить эксплуатационные возможности.

Использование в качестве фильтра пространственных частот апертурной маски с набором диафрагм различного размера, установленную на объективе приемного телескопа, позволяет упростить конструкцию устройства и минимизировать случайную ошибку, связанную с юстировкой оптических элементов.

Выполнение системы наведения в виде размещенного перед приемным узлом подвижного зеркала в моторизированной оправе, либо установка всей оптической части устройства на моторизированную монтировку, позволяет химизировать архитектуру устройства под требуемые задачи.

Рассмотрим вариант реализации предлагаемого изобретения, представленного на фигуре, где схематично изображено устройство, и на которой позициями обозначены: 1 -естественная одиночная звезда, 2 - система наведения, 3 - приемный узел, 4 - фильтр пространственных частот, 5 - фотодетектор, 6 счетчик импульсов, 7 - блок управления. 8 - светоделитель, 9 - интерференционный светофильтр, 10 - видеокамера.

Устройство включает в себя систему наведения 2 в виде моторизированной монтировки аль-азимутального типа с плоским зеркалом, позволяющую направлять оптическую ось приемного узла 3, выполненного в виде объектива приемного телескопа типа Кассегрен с апертурой 8 дюймов, на естественную одиночную звезду 1. На объективе приемного телескопа установлена апертурная маска, состоящей из набора диафрагм круглой формы различною диаметра и, выполняющую роль фильтра пространственных частот (ФПЧ) 4. В плоскости выходной апертуры приемного телескопа последовательно устанавливают светоделитель 8 типа «оптический кубик» и интерференционный светофильтр 9, установленный перед фотодетектором 5, типа лавинный фотодиод в Гейгеровском режиме, электрически связанный через счетчик импульсов 6 с блоком управления 7. Также устройство содержит оптически связанную со светоделителем видеокамеру 10 типа ICCID и электрически соединенную с блоком управления 7.

Работа способа исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания звезд осуществляется следующим образом, согласно схеме представленной на фигуре. Вначале при помощи блока управления 7, используя специальное программное обеспечение (СПО) управления моторизированной монтировкой системы наведения 2 выполняют установку оптической оси приемного узла 3 в направлении на естественную одиночную звезду 1 с магнитудой ≤1^m. Далее, используя СПО автоматизированной юстировки, определяют рассогласование оптических осей видеокамеры 10 и фотодетектора 5, оптически связанных через светоделитель 8, и выполняют их точную юстировку. Затем при помощи СПО счетчика импульсов 6 последовательно для каждой диафрагмы ФПЧ 4 в течение времени Т выполняют запись числа TTL импульсов с фотодетектора 5, который непосредственно регистрируем излучение звезды 1 в полосе пропускания Δλ=3 нм интерференционного светофильтра 9 с максимумом пропускания на длине волны λ=532 нм с высоким временным разрешением порядка 1 нс за время счета t. Далее используя оконный метод спектрального анализа дискретных сигналов Уэлча выполняют обработку данных о флуктуации скорости счета и вычисляют значение спектральной плотности мощности в диапазоне частот от 1/Т до ½ 1/t для различных пространственных масштабов атмосферной турбулентности, с дальнейшей оценкой частоты Гринвуда в приближении модели турбулентности Хафнагеля-Волли. При этом оценку частоты Гринвуда и оценку усредненного значения структурной характеристики показателя преломления С_n² выполняют с учетом фактора апертурного усреднения.

К настоящему времени на предприятии проведена конструкторская проработка и создано устройство для исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания звезд, на котором реализован способ и определены пространственно-временные характеристики атмосферной турбулентности. Данное изобретение позволило улучшить эксплуатационные возможности сцинтилляционных детекторов за счет увеличения диапазона измерения спектра флуктуаций оптического сигнала, дополнительного определения частотных характеристик и уменьшения погрешности измерений.

Способ заключается в том, что осуществляют наведение оптической оси приемного узла на естественную одиночную звезду, регистрируют оптический сигнал фотодетектором, с которого с помощью счетчика импульсов за время накопления t в течение времени регистрации Т выполняют счет электрических импульсов, производят обработку данных о флуктуации скорости счета, по которым вычисляют сцинтилляционный индекс и оценивают значения структурной характеристики показателя преломления С_n² для последующего определения пространственно-временных характеристик атмосферной турбулентности. До регистрации определяют рассогласование оптических осей системы наведения с фотодетектором и выполняют их юстировку, задают диаметр приемной апертуры, регистрацию оптического сигнала осуществляют в узком спектральном диапазоне. После вычислений сцинтилляционного индекса выполняют расчет значения спектральной плотности мощности в диапазоне частот от 1/Т до ½ 1/t для различных пространственных масштабов атмосферной турбулентности, осуществляют оценку частоты Гринвуда и усредненного значения структурной характеристики показателя преломления C_n² с учетом фактора апертурного усреднения. Технический результат - увеличение диапазона измерения спектра флуктуации оптического сигнала, определение частотных характеристик и уменьшение погрешности измерений. 2 н.п. ф-лы., 1 ил.

1. Способ исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания звезд, заключающийся в том, что осуществляют наведение оптической оси приемного узла на естественную одиночную звезду с магнитудой m, для заданной конфигурации фильтра пространственных частот регистрируют оптический сигнал фотодетектором, с которого с помощью счетчика импульсов за время накопления t в течение времени регистрации Т выполняют счет электрических импульсов, производят обработку данных о флуктуации скорости счета, по которым вычисляют сцинтилляционный индекс, с дальнейшей оценкой значения структурной характеристики показателя преломления С_n² для последующего определения пространственно-временных характеристик атмосферной турбулентности, отличающийся тем, что предварительно до регистрации определяют рассогласование оптических осей системы наведения с фотодетектором и выполняют их точную юстировку, после чего при помощи набора диафрагм задают диаметр приемной апертуры, регистрацию оптического сигнала осуществляют в узком спектральном диапазоне, дополнительно после вычисления сцинтилляционного индекса при помощи спектрального анализа дискретных сигналов методом скользящего окна Уэлча выполняют расчет значения спектральной плотности мощности в диапазоне частот от 1/Т до ½ 1/t для различных пространственных масштабов атмосферной турбулентности, с дальнейшей оценкой частоты Гринвуда в приближении модели турбулентности Хафнагеля-Волли, при этом оценку частоты Гринвуда и оценку усредненного значения структурной характеристики показателя преломления С_n² выполняют с учетом фактора апертурного усреднения.

2. Устройство для исследования атмосферной турбулентности по анализу мерцания звезд, включающее систему наведения, оптически связанные приемный узел, фильтр пространственных частот, фотодетектор электрически связанный через счетчик импульсов с блоком управления, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит, установленные после приемного узла, выполненного в виде объектива приемного телескопа, светоделитель и оптически связанные с ним интерференционный светофильтр, размещенный перед фотодетектором, который выполнен на базе лавинного фотодиода в Гейгеровском режиме, и видеокамеру, электрически соединенную с блоком управления, а в качестве фильтра пространственных частот используют апертурную маску с набором диафрагм различного размера, установленную на объективе приемного телескопа.