[发明专利]一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于太阳图像运动的大气湍流测量装置和太阳图像监测方法，属于大气光学技术领域。

背景技术

高分辨率观测太阳活动区对发展太阳物理学极为重要。大口径地基太阳望远镜需配备多层共轭自适应光学系统，以扩大其观测视场。但太阳多层共轭自适应光学系统的设计与优化需要测量白天大气湍流的长期分布规律。

目前，应用于太阳台址的白天大气湍流测量装置的原理主要包括：测量太阳边缘或表面目标抖动、太阳闪耀或太阳表面目标闪耀。例如：太阳边缘图像运动监测仪，通过测量太阳边缘抖动，能够得到整个大气视宁度及大气湍流廓线；太阳差分图像运动监测仪，通过测量太阳边缘或表面目标抖动，能够得到整个大气视宁度；而太阳闪耀仪，基于宽目标闪耀原理，能够测量近地面层大气湍流廓线；太阳闪耀及遥感仪截取太阳表面双目标，模拟夜间双星，利用双星闪耀原理，能够获得中高层大气湍流廓线和风速廓线。相对太阳闪耀仪，太阳图像运动监测仪能够测量白天整个大气湍流廓线和整个大气视宁度，并在国内外太阳台址中得到重要应用。例如：法国尼斯天文台太阳视宁度监测仪(MISolFA，MONITEURIMAGESOLAIREFRANCOALGERIEN)[MISolFA:aGeneralizedSolarSeeingMonitor，A.Irbah，AbstractsfromSF2A-2001:Semainedel'AstrophysiqueFrancaise]，利用旋转棱镜形成太阳边缘双像，但双像间会引入小角度偏离，同时太阳漂移也会引入太阳边缘双像间角度偏移，因此MISolFA需要使用数据处理的方法纠正此偏移，并要剔除不一致的数据点，避免其污染结构函数；中国云南天文台太阳差分图像运动监测仪(SDIMM，SolarDifferentialImageMotionMonitor)[白日视宁度监测仪和在抚仙湖的初步观测结果,刘忠，云南天文台台刊]，采用楔镜偏转光线功能形成太阳边缘双像，硬件保证完全差分的太阳边缘运动，排除了风和其他原因造成的边缘双像间相对运动，但由于SDIMM仅观测太阳部分边缘，太阳漂移会引起太阳边缘倾斜或飘离SDIMM视场。上述两种仪器均需配置价格昂贵的大口径镜筒(如16英寸镜筒)和太阳导向装置以确保其可靠工作；此外，两种仪器均只有一个基线，可用的原始数据相对不多，且仅能观测太阳部分边缘，需通过仔细装调以确保边缘双像平行，现场装调要求极高。

目前，差分月亮边缘运动湍流廓线(PML，ProfilerofMoonLimb)技术取得重要进展，例如法国尼斯大学PML[FirstresultsofthePMLmonitorofatmosphericturbulenceprofilewithhighverticalresolution，A.Ziad，Astronomy&Astrophysics]克服了MOSP(MonitorofOuterScaleProfile)不敏感地面层大气湍流的缺点，可同时获得地面层大气湍流和中等分辨率的整个大气湍流廓线。目前的太阳视宁度监测仪主要利用MOSP原理，通过测量太阳边缘横向到达角起伏的角距离结构函数，反演结构函数和湍流强度的关系，获得大气湍流廓线。但是，PML利用道威棱镜翻转来自某一子孔径的月亮边缘像，最终形成月亮边缘双像，这是准硬件差分，不仅具有MISOLFA的缺点，而且像SDIMM一样仅观测月亮部分边缘。因此PML需要利用后期数据处理纠正月亮边缘双像间偏移。

基于太阳图像运动的大气湍流测量装置充分利用上述仪器的优点，并弥补不足。首先，基于太阳图像运动的大气湍流测量装置能够获取完全差分的太阳边缘运动，而图像监测方法实时处理横向角距离的太阳差分边缘运动。其次，基于太阳图像运动的大气湍流测量装置能够实时计算太阳位置的修正量，通过自动导向适配器反馈给赤道仪，实现装置自动追踪太阳。再次，图像监测方法计算不同基线上横向角距离的太阳边缘差分抖动，基于大气湍流和差分抖动的关系直接得到整个大气视宁度，并利用反演算法得到中等分辨率大气湍流廓线。最后，基于太阳图像运动的大气湍流测量装置能够观测整个太阳表面，不但可以直接作为太阳导向装置，而且可以通过图像处理对准边缘双像，降低仪器现场装调要求，能够满足长期运行的需要。目前，现有仪器中鲜见此类测量装置。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提供一种能够同时测量整个大气视宁度和中等分辨率大气湍流廓线的白天大气湍流测量装置及其太阳图像监测方法。