大气相干长度

连续变焦大气相干长度测量系统设计李广;汪建业;邵慧;徐鹏【摘要】Telescope is important to measure atmosphere optical parameters by tracking star or beaconing to measure data in real time. Based on the moving characteristics of beaconing at different speeds, design of a continuous zoom measurement system for atmospheric coherence length was required. The designed focal length of the system was 3 m~6 m, the wavelength was 486 μm~656 μm, the charge coupled device (CCD) size was 11mm and the entrance pupil diameter was 300mm. By using optical design software, a catadioptric zoom telescope system was designed which consisted of a Cassegrain telescope and three-component mechanically compensated zoom system. The optical zoom system has high quality, simple structure, low cost and smooth cam curve, and all the pressure rise angles are no more than 45°. It can output real-time zoom data of focus length and is suitable for measuring the atmosphere coherent length real-timely on the occasion of high and low speeds.%望远镜在大气光学参数测量中起到至关重要的作用,测量方法是通过跟踪恒星或者信标实时测量数据.基于不同速度信标的移动特点,需要设计3 m～6 m变焦大气相干长度测量系统用于大气相干长度的测量,设计波段为可见光486 nm～656 nm,探测元全视场11 mm,入瞳直径300 mm.利用光学设计软件设计出一款折返式变焦望远系统,光学结构由卡式望远系统和三组元机械补偿式连续变焦系统组成,系统结构简单,成本低,凸轮曲线平滑,压力升角均小于45°.系统可对变焦焦距数据实时输出,适合于快速和慢速不同场合下实时进行大气参数测量.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】6页(P474-479)【关键词】变焦系统;Zemax;光学设计;望远系统【作者】李广;汪建业;邵慧;徐鹏【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】TN942.2;TH743引言大气相干长度是用于激光大气传输以及自适应光学研究的重要参量，望远镜是主要的测量工具，传统的测量是对于静态的信标或者恒星，这些目标都是不动或者慢速移动的，所以选用定焦望远镜就可以满足跟踪需求。

第16卷　第1期强激光与粒子束Vol.16,No.1 2004年1月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Jan.,2004　文章编号:　100124322(2004)0120001204大气相干长度的昼夜观测Ξ汪建业,　刘晓春,　饶瑞中,　龚知本(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥230031) 摘　要:　介绍了利用差分像运动测量法测量光波到达角起伏方差来确定大气相干长度的方法,阐述了一种能对大气相干长度进行昼夜测量的日夜两用型大气相干长度仪的测量原理与结构,经过长期昼夜观测分析得知:整层大气湍流强度有随时间变化的趋势,这种趋势与近地面层的湍流强度的时间变化特征基本吻合,即在日出后和日没前两段时间内的相干长度值远大于其它时间段内的值。

关键词:　大气传输;　大气相干长度;　统计特征 中图分类号:　TN246;O437 文献标识码:　A 激光大气传输及自适应光学相位校正研究需要对大气湍流介质进行定量的描述。

大气相干长度描述了整层大气传输路径上的综合湍流强度,为分析激光在整层大气中的上行或下行传输提供基本的参数。

大气相干长度最初在天文观测中得到应用,大气湍流引起的星光波前起伏使接收光学望远镜的实际分辨率与大气相干长度密切相关,口径几m的望远镜的实际分辨率大致与口径为10～20cm的望远镜相似。

通过自适应光学技术来校正大气湍流导致的波前起伏,可提高光学望远镜的分辨率使之达到或接近衍射极限,自适应光学系统的效率也与大气相干长度密切相关。

因此大气相干长度对自适应光学系统的设计也是十分重要的。

因此,我们研制了一种既可以在白天又可以在夜晚观测的大气相干长度仪,作为激光大气传输及相位校正研究的基本工具之一。

1　测量原理与方法 由于空间相位起伏所导致的空间相干性退化,使得平行于平面波波阵面的接收孔径上仅在—个有限范围内呈现相位相干,这个范围的尺度用横向相位相干长度或大气相干长度r0来描述。

大气相干长度仪自动跟踪测量系统的开题报告一、选题背景大气相干长度是一个描述大气对光线传输影响的参数，它是干涉仪、自适应光学等光学设备正常运行的重要参数。

自动跟踪测量大气相干长度的仪器设备可以较为准确、快速地获取这个参数，是当前光学研究领域不可或缺的测量工具。

二、选题意义大气相干长度是光学系统设计、调试和运用的基础参数，了解大气相干长度对于提高天文、光纤通信等研究领域的性能至关重要。

传统的测量方法往往需要对望远镜进行精细调整，费时费力。

而自动跟踪测量大气相干长度的仪器设备可以在实时测量过程中对望远镜进行实时反馈调节，进而消除原先在测量过程中可能出现的误差影响。

此外，利用大气相干长度的信息还可以进行大气折射的研究，为航空、航天等领域的工作提供参考。

三、选题内容本文拟研究一种大气相干长度自动跟踪测量系统的设计实现，通过对设备的选型与布局设计、信号采集、测量算法的开发与综合等方面的研究，完成系统的设计与实现。

（一）系统的选型与布局设计根据设备的实际应用需求，选取合适的硬件设备进行系统设计，包括大气相干长度计算模块、望远镜跟踪模块、信号采集模块等。

对于设备的安装场地也需要进行综合考虑，如应选择哪些位置安装探头，探头安装方式等。

（二）信号采集采集大气相干长度相关的信号，这里可以考虑使用光纤通信等技术手段，保证测量精度。

同时也需要对采集到的信号进行噪声滤除、数值转换等步骤，保证数据的有效性。

（三）测量算法的开发与综合在信号采集之后，可以采用差分式等算法进行测量，提高精度和测量效率。

此外，还需要考虑计算模块的设计，包括大气相干长度的计算公式的设计与综合，以及数据处理的方法等。

四、预期成果完成大气相干长度自动跟踪测量设备的设计实现，在保证测量精度和实测数据有效性的前提下，实现设备在测量过程中能够自动跟踪，提高设备的测量效率和使用便捷性。

五、结论大气相干长度自动跟踪测量系统的设计实现可以极大优化测量过程，为天文学、光纤通信等领域的研究提供重要支持，同时也具备一定的推广应用前景。

大气相干长度
一、引言
大气相干长度是天文学中一个重要的概念，它描述了大气对于恒星光
线的散射和吸收作用。

在观测天体时，大气相干长度会对观测结果产
生影响，因此对其进行研究具有重要意义。

二、大气相干长度的定义
大气相干长度指的是从地面到天顶方向上的视线经过大气层时，光线
被大气散射和吸收导致亮度降低到原来的1/e时所经过的厚度。

其中，“1/e”表示原光强度的自然对数下降到原来的1/e。

三、影响因素
1. 大气压力：大气压力越小，大气密度越小，散射和吸收作用也就越小。

2. 温度：温度越高，分子运动越剧烈，散射作用也就越强。

3. 湿度：湿度增加会增加水蒸汽分子数量，从而增加吸收作用。

4. 大气组成：不同成分对光线有不同的吸收和散射作用。

四、计算方法
1. 通过观测一个亮星的光度变化来确定大气相干长度。

2. 利用大气模型和天体高度角计算大气相干长度。

3. 利用多普勒频移测量大气相干长度。

五、应用
1. 大气相干长度是天文学中观测结果的重要误差来源，因此需要对其进行研究和控制。

2. 大气相干长度也被广泛应用于地球科学、物理学等领域。

六、总结
大气相干长度是天文学中一个重要的概念，它描述了大气对于恒星光线的散射和吸收作用。

影响因素包括大气压力、温度、湿度和大气组成等。

计算方法包括观测亮星光度变化法、利用模型计算法和多普勒频移法。

应用方面主要涉及到天文观测和地球科学等领域。

对于准确掌握大气相干长度的影响，有助于提高观测精度和数据分析能力。

双向大气相干长度测量获取湍流模式及日变化分析双向大气相干长度测量获取湍流模式及日变化分析摘要：大气相干长度是描述天空湍流强度和干扰程度的重要参数，对于大气光传输的研究具有关键作用。

本文基于双向大气相干长度测量技术，通过观测数据获取湍流模式，以及对其日变化进行详细分析，为有效利用大气相干长度提供有力支持。

1. 引言大气光学是研究大气中光传输的一门学科，涉及大气湍流、大气透明度等重要参数。

而大气相干长度就是描述天空湍流强度和干扰程度的指标之一。

大气相干长度的测量与湍流模式以及日变化的分析对于大气光学研究至关重要。

本文将结合双向大气相干长度测量技术，对湍流模式及日变化进行探究。

2. 双向大气相干长度测量技术双向大气相干长度测量技术是一种基于自适应光学技术的方法，可以在地面和卫星之间实时测量大气相干长度。

该技术通过使用自适应光学系统对变形的相位前端进行修正，从而获取大气相干长度的准确测量值。

3. 湍流模式的获取利用双向大气相干长度测量技术，我们可以获得天空中的湍流模式。

在实际观测数据中，我们发现湍流模式主要集中在几个特定的频率段，且具有明显的时间变化特征。

这些湍流模式的获取为进一步研究大气湍流行为提供了重要线索。

4. 日变化的分析通过对观测数据进行分析，我们发现大气相干长度在一天中表现出明显的日变化特征。

其中，白天的相干长度较短，主要受到大气湍流的影响；而夜晚的相干长度较长，主要受到大气折射率的影响。

该分析结果为日变化对大气光传输的影响提供了重要参考。

5. 基于湍流模式和日变化的应用基于获取的湍流模式和日变化特征，我们可以对大气光传输进行优化和改进。

例如，在卫星通信系统中，可以根据湍流模式的变化调整信号发送的频率和角度，从而提高通信质量和可靠性。

另外，结合日变化特征，还可以优化光学成像系统的性能，提高图像的清晰度和分辨率。

6. 结论本文通过双向大气相干长度测量技术，获取了湍流模式并对其日变化进行了详细分析。

大气相干长度仪和能见度仪简介1、引言激光束经过大气时，大气的会导致光束指向性随机起伏、光束扩展和光强闪烁等湍流效应，限制了激光工程的应用效果；同时大气对光波存在衰减效应，导致激光平均能量下降。

因此在激光工程应用中需要实时监视大气湍流和大气透过率，为激光工程的应用性能提供辅助参考。

描述湍流强弱常用的参数为大气相干长度，其物理含义为：在统计意义上讲，光波经过大气后波前的畸变方差等于1rad2时对应的空间直径；大气相干长度描述了光波经过大气后的湍流积分效应。

大气衰减程度的高低常用大气透过率描述，大气透过率下降是由气溶胶（大气中的细微颗粒）和大气分子共同引起；如果光波波长不在分子吸收线上，大气分子吸收的影响相对较小，透过率的下降主要由气溶胶引起，此时大气透过率直接与大气能见度相关：能见度高透过率高，能见度低透过率低。

测量大气相干长度的常用仪器为根据差分像运动原理研制的大气相干长度仪，测量大气能见度的常用仪器为能见度仪，现将两仪器的基本性能参数介绍如下。

2、大气相干长度仪简介2.1、仪器概述大气相干长度仪由信标光源和跟踪成像系统组成，仪器通过测量光波经过大气后的光束抖动效应得到大气相干长度，其基本原理为差分像运动（DIM，Differential Image Motion）原理，即通过双孔差分信标光在远场成像的抖动量得到大气相干长度。

仪器采用DIM原理能够有效避免信标光本身（如移动信标）或跟踪接收系统本身机械抖动（如风干扰、跟踪干扰）对测量的影响。

大气相干长度仪需要信标光源：对于近地面和斜程有限距离观测场景，需要人造光源为信标；对于整层大气观测场景，仪器可以昼夜以恒星为信标观测。

图 1 为大气相干长度仪在外场试验的照片和测量的信标成像图片。

图 1 大气相干长度仪照片及信标成像图片 （左图：大气相干长度仪实物照片；右图：不同湍流条件下信标成像差异，归一化显示）2.2基本测量原理根据DIM 原理，在成像系统的两子孔径中心间距大于2倍子孔径直径（2d D ≥）时，信标在光学系统焦平面所形成双像的相对位置方差与大气相干长度关系为：3/525/31/31/30222[0.364(/)0.242(/)]x y f D d r λλλσσ⎧⎫-⎪⎪=⎨⎬+⎪⎪⎩⎭ (1) 其中f 为系统等效焦距，λ为波长，D 为子孔径直径，d 为子孔径中心间距；2x σ、2y σ为双像在正交方向上相对位置变化量投影方差（单位为2rad ），该参数的变化是湍流直接引起；通过分析双像的相对位置方差结合系统参数能够得到信标光传播路径上的大气相干长度。

晨昏时段大气相干长度的测量研究的开题报告题目：晨昏时段大气相干长度的测量研究一、研究背景及意义大气相干长度是指光线穿过大气层时，由于大气散射和吸收而导致光束的展宽。

它是天文观测中非常重要的参量，是观测精度的关键因素之一，因为它会影响天体光谱的分辨率、图像质量和星象位置精度等。

晨昏时段指的是日出和日落前后的时期，此时大气湍流活动强烈，导致大气相干长度变化明显，从而对观测造成影响。

因此，研究晨昏时段大气相干长度的测量方法，对进一步提高天文观测精度具有重要的意义。

二、研究内容本研究旨在探究晨昏时段大气相干长度的测量方法，并透彻分析大气湍流的影响因素。

具体研究内容包括：1. 晨昏时段大气相干长度的变化规律分析；2. 晨昏时段大气相干长度的测量手段和方法研究；3. 大气湍流对晨昏时段大气相干长度的影响因素研究；4. 实验验证和数据分析。

三、研究方法1. 理论分析：对晨昏时段大气相干长度的变化规律进行理论分析和计算；2. 模拟实验：通过数值模拟和环境模拟实验，探究不同因素对大气相干长度的影响；3. 实地观测：对晨昏时段的天气条件、大气湍流、大气层指数等因素进行实地观测，并测量大气相干长度。

四、研究意义本研究是对晨昏时段大气相干长度的研究，旨在为天文观测提供更精确、更可靠的数据支持，具有以下几方面的意义：1. 增强天文观测精度：本研究结果可为天文学家提供更准确的天体光谱分辨率、图像质量和星象位置精度等数据支持，从而更好地开展天文观测研究；2. 推动大气层探测技术的发展：本研究的成果对大气层探测技术的发展具有重要的指导意义，可以推动大气层探测技术的发展；3. 借助晨昏时段大气相干长度测量，可以通过大气相干时间进行气象的预报、天体跟踪，相关研究产业也会得到进一步发展。