Fried参数测量中几个关键技术问题的探讨解读.pptx

Fried参数测量中几个关键技术问题的探讨参数测量中几个关键技术问题的探讨强希文强希文 宗宗 飞飞 许文强许文强 徐云岫徐云岫西北核技术研究所西北核技术研究所内内 容容 引言引言 Fried参数测量原理参数测量原理 Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求对对Fried参数参数计算公式的讨论计算公式的讨论测量不确定度分析与评定方法测量不确定度分析与评定方法结论结论引言引言引言引言光光波波在在实实际际湍湍流流大大气气中中传传输输时时，大大气气湍湍流流导导致致光光波波相相位位畸畸变变，空间相干性退化，只在一定区域内的光波是相干的空间相干性退化，只在一定区域内的光波是相干的。光学成像系统光学成像系统：分辨率分辨率激光大气传输：远场光斑时空分布激光大气传输：远场光斑时空分布激光大气通信：误码率激光大气通信：误码率Fried参参数数是是研研究究光光波波在在实实际际湍湍流流大大气气中中诸诸多多应应用用的的重重要要参参数数之一之一，描述描述了了光波空间相位相干性的最大距离。光波空间相位相干性的最大距离。定义：定义：光波受大气扰动相位畸变均方值为光波受大气扰动相位畸变均方值为1rad2的圆域直径。的圆域直径。引言引言在在测测量量系系统统研研制制、实实际际工工程程应应用用中中的的Fried参参数数测测量量中中，尚尚有有一一些些关关键键技技术术问问题题没没有有得得到到彻彻底底解解决决或或者者不不尽尽统统一一，从从而而限限制了相关应用。制了相关应用。这这些些问问题题包包括括Fried参参数数测测量量系系统统的的主主要要技技术术指指标标、Fried参参数的计算公式数的计算公式、测量不确定度分析与评定方法、测量不确定度分析与评定方法等等。为为了了满满足足今今后后与与天天文文光光学学观观测测、空空间间目目标标探探测测与与识识别别、激激光光大大气气通通信信等等相相关关工工作作的的要要求求，需需要要规规范范Fried参参数数的的测测量量的的标标准准，从从而而保保证证测测量量数数据据的的合合理理性性、可可靠靠性性，为为相相关关工工程程应应用提供真实、可信的测量数据。用提供真实、可信的测量数据。Fried参数测量参数测量原理原理：DIMMFried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求1.采样频率采样频率宋正方研究员通过理论分析和实验研究认为宋正方研究员通过理论分析和实验研究认为注注：(1)对对于于整整层层Fried参参数数测测量量，当当望望远远镜镜接接收收孔孔径径为为12cm时时，0.150Hz带带宽宽的的频频谱谱分分量量为为整整个个频频谱谱(0.01100Hz)的的90.6%。只只有有足足够的高频响应够的高频响应(f 50Hz)才能可靠地进行图像抖动的测量。才能可靠地进行图像抖动的测量。(2)对对于于均均匀匀光光路路上上的的图图像像抖抖动动，当当望望远远镜镜接接收收孔孔径径为为12cm时时，0.150Hz带宽的频谱分量为整个频谱带宽的频谱分量为整个频谱(0.01100Hz)的的98.3%。这这样样，根根据据Nyquist采采样样准准则则，测测试试仪仪器器的的采采样样频频率率理理论论上上应应不不小小于于100fps(即即2f)；而而实实际际工工程程应应用用中中，一一般般采采样样频频率率取取为为35倍的最高响应频率。倍的最高响应频率。注注:宋正方宋正方.星象抖动的时域频谱星象抖动的时域频谱.天体物理学报天体物理学报,1995,15(3):275 281Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求1.采样频率采样频率美美国国海海军军研研究究实实验验室室Eun Oh等等人人注注在在2004年年发发表表的的文文章章中中指指出出，利利用用差差分分像像运运动动方方法法测测量量给给出出的的Fried参参数数数数据据与与仪仪器器的的采采集集帧帧频频有有着着较较大大的的关关系系。当当采采集集帧帧频频较较低低时时，由由于于图图像像的的平平均均效效应应，给给出的出的Fried参数数据较大。参数数据较大。建议建议：在大多数情况下，仪器的采集帧频应不小于在大多数情况下，仪器的采集帧频应不小于300fps；在考虑在考虑实际实际情况情况时时，仪器的，仪器的最低最低采样频率不小于采样频率不小于150fps。注注:Eun Oh,et al.Developing a portable NRL fast frame rate seeing monitor.2004,NRL Release Number 04 1226 1544Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求2.采样时长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。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。研研究究结结果果表表明明注注，整整层层测测量量与与均均匀匀光光路路情情况况在在低低频频方方面面的的要要求求相相当当，频频率率小小于于0.1Hz的的大大气气湍湍流流占占全全部部大大气气湍湍流流能能量量份份额额大大约约为为0.6%。所以，所以，频率小于频率小于0.1Hz的大气湍流在测量中是可以忽略的。的大气湍流在测量中是可以忽略的。如如果果所所考考虑虑的的大大气气湍湍流流脉脉动动的的最最低低频频率率为为fl0.1Hz，那那么么，采采样样的的最最低低频频率率应应为为fl/20.05Hz。由由于于小小于于0.1Hz的的大大气气湍湍流流能能量量份份额额基基本本可可以以忽忽略略，所所以以在在此此给给出出计计算算每每个个Fried参参数数数数据据所所需需的的仪仪器采样时长应不小于器采样时长应不小于20s。注注:宋正方宋正方.星象抖动的时域频谱星象抖动的时域频谱.天体物理学报天体物理学报,1995,15(3):275 281Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求3.计算每个计算每个Fried参数所需的样本量参数所需的样本量若若大大气气湍湍流流脉脉动动的的最最高高频频率率为为fu，则则理理论论上上采采样样频频率率应应不不小小于于2fu。若若大大气气湍湍流流脉脉动动的的最最低低频频率率为为fl，则则采采样样的的最最低低频频率率应应为为fl/2。根根据据采采样样的的最最高高频频率率和和最最低低频频率率确确定定采采样样数数列列注注1的长度为的长度为N4fu/fl。对对于于整整层层Fried参参数数测测量量情情况况注注2，可可取取fl0.1Hz，fu50Hz，则则N4fu/fl2000。实实质质上上，这这也也与与上上述述的的结结论论相相一一致致，即样本量即样本量=采样频率采样频率采样时长采样时长=100fps20s=2000。注注1:张兆顺张兆顺.湍流湍流.北京北京:国防工业出版社国防工业出版社,2002.01,pp.42 43注注2:宋正方宋正方.星象抖动的时域频谱星象抖动的时域频谱.天体物理学报天体物理学报,1995,15(3):275 281Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求4.曝光时间曝光时间大大气气湍湍流流时时间间频频率率中中的的高高频频部部分分是是与与测测试试仪仪器器的的曝曝光光时时间间密密切切相相关关的的。由由于于受受到到仪仪器器的的灵灵敏敏度度和和快快门门速速度度的的限限制制实实际际观观测测中中,很很少讨论少讨论Fried参数测量的曝光时间。参数测量的曝光时间。直直到到1990s,不不少少研研究究者者从从理理论论上上和和实实验验上上开开始始对对不不同同曝曝光光时时间间得得出的出的Fried参数进行研究。参数进行研究。Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求4.曝光时间曝光时间在在风风向向与与两两子子瞳瞳连连线线平平行行、垂垂直直和和成成45角角时时的的影影响响结结果果,在在不不同同风速时风速时,不同曝光时间与不同曝光时间与1ms 曝光得出的曝光得出的r0 的比值。的比值。风速风速/m.s-1曝光时间曝光时间/ms风向风向平行子瞳连线平行子瞳连线与子瞳连线成与子瞳连线成45角角垂直子瞳连线垂直子瞳连线1551.071.061.05101.201.181.17201.701.481.401051.031.031.02101.181.101.08201.321.301.24551.021.011.00101.041.031.02201.111.101.09251.001.001.00101.011.011.01201.031.021.02Fried参数测量参数测量对技术指标的要求对技术指标的要求4.曝光时间曝光时间容容易易看看出出，在在风风速速小小的的情情况况下下，曝曝光光时时间间对对r0的的测测量量影影响响不不大大，这与大气湍流的冻结理论相一致，即风速越大这与大气湍流的冻结理论相一致，即风速越大,冻结时间越短。冻结时间越短。而而大大气气湍湍流流的的时时间间特特性性可可用用格格林林伍伍德德时时间间常常数数 0描描述述，其其含含义义为为在在该该时时间间范范围围内内大大气气湍湍流流状状态态保保持持基基本本不不变变。Fried参参数数仪仪利利用用子子瞳瞳对对光光波波波波前前进进行行采采样样，进进而而测测量量Fried参参数数。那那么么，为为了了“冻冻结结”这这种种大大气气湍湍流流引引起起的的波波前前畸畸变变，就就要要求求曝曝光光时时间间必必须须不不大大于于格格林林伍德时间常数。否则，就会导致测量值大于真实值的情况。伍德时间常数。否则就会导致测量值大于真实值的情况。所所以以，可可以以认认为为光光波波通通过过大大气气湍湍流流造造成成的的波波前前畸畸变变在在格格林林伍伍德德时时间间常常数数范范围围内内是是基基本本不不变变的的，因因此此，测测试试仪仪器器的的曝曝光光时时间间应应不不大大于于沿沿测测量量光光路路上上的的格格林林伍伍德德时时间间常常数数。这这样样，可可避避免免由由于于测测试试仪仪器的曝光时间较长所带来的测量值与真实值的不一致。器的曝光时间较长所带来的测量值与真实值的不一致。对对Fried参数参数计算公式的讨论计算公式的讨论差差分分像像运运动动方方差差法法：已已经经得得到到了了公公认认；但但Fried参参数数的的计计算算公公式式始始终终没没有有统统一一，作作为为Fried参参数数仪仪测测量量数数据据处处理理的的基基础础和和计计算算Fried参参数的基本依据，数的基本依据，Fried参数计算公式必须足够的准确。参数计算公式必须足够的准确。与测试仪器参数相关的计算公式为：与测试仪器参数相关的计算公式为：谭徽松等人谭徽松等人注注认为，该公式给出的认为，该公式给出的r0值是偏大的值是偏大的。注：注：谭徽松谭徽松,岑学奋岑学奋,钱铜铃钱铜铃.用用DIMM测视宁度的几个问题测视宁度的几个问题.云南天文台台刊云南天文台台刊,2002,(1):3846对对Fried参数参数计算公式的讨论计算公式的讨论根根据据M.Sarazin等等人人的的研研究究结结果果注注，分分别别给给出出沿沿平平行行于于两两子子瞳瞳连连线方向的线方向的Fried参数参数r0l和垂直于两子瞳连线方向的和垂直于两子瞳连线方向的Fried参数参数r0t：注：注：Sarazin M,Roddier F.The ESO differential image motion monitor.Ast ron Ast rophys,1990,227:294 对对Fried参数参数计算公式的讨论计算公式的讨论对对Fried参数参数计算公式的讨论计算公式的讨论 分别取子瞳直径和子瞳中心间距分别取子瞳直径和子瞳中心间距D=5cm,d 10cm,15cm;D=8cm,d 16cm,24cm;D=10cm，d 20cm,25cm，利用上述公式，利用上述公式计算所得的计算所得的r0/r0l 及及r0/r0t值均近似等于值均近似等于1.0。D/cmd/cmr0/r0lr0/r0t10200.9560.95410251.0031.0018160.9560.9548241.0381.0365100.9560.9545151.0381.036对对Fried参数参数计算公式的讨论计算公式的讨论 当沿测量路径的大气湍流各向同性时，上述结果则很容易理解。当沿测量路径的大气湍流各向同性时，上述结果则很容易理解。那么，为了避免沿测量路径部分大气湍流各向异性所带来的影响，那么为了避免沿测量路径部分大气湍流各向异性所带来的影响，认为所测认为所测Fried参数为这两个相互垂直方向上测量的平均值：参数为这两个相互垂直方向上测量的平均值：Fried参数测量不确定度分析与评定方法参数测量不确定度分析与评定方法测量测量不确定度分析与评定的依据：不确定度分析与评定的依据：Fried参数测量不确定度分析与评定方法参数测量不确定度分析与评定方法 测量测量不确定度来源不确定度来源：(1)望远镜焦距引入的不确定度，根据望远镜主、副镜参数计算给出；望远镜焦距引入的不确定度，根据望远镜主、副镜参数计算给出；(2)望远镜子瞳中心间距引入的不确定度由测量工具的不确定度计算望远镜子瞳中心间距引入的不确定度由测量工具的不确定度计算给出；给出；(3)望远镜子瞳直径引入的不确定度由测量工具的不确定度计算给出；望远镜子瞳直径引入的不确定度由测量工具的不确定度计算给出；(4)质心起伏方差引入的不确定度由光电探测器的读出噪声、光子噪质心起伏方差引入的不确定度由光电探测器的读出噪声、光子噪声、背景噪声以及不完全采样造成的不确定度计算给出。声、背景噪声以及不完全采样造成的不确定度计算给出。测量不确定度合成测量不确定度合成结论结论 对对Fried参参数数测测量量中中的的几几个个关关键键的的问问题题进进行行了了分分析析和和讨讨论论，提提出出了了Fried参参数数测测量量不不确确定定度度分分析析和和评评定定方方法法，规规范范了了Fried参参数数测测量量，为为Fried参参数数测测量量方方法法国国家家军军用用标标准准建建立立提提供了基础。供了基础。目前，该成果已经应用于国家军用标准目前，该成果已经应用于国家军用标准的制定的制定。敬请批评指正！Prof.Xiwen Qiang Northwest Institute of Nuclear TechnologyEmail:xiwen_Mobile:[phone]