Abstract
0 引 言
大气相干长度r0表征了光波大气传输路径上综合光学湍流强度,是用于天文观测、湍流成像、无线光通信、激光大气传输等领域研究中的重要光学湍流参量,其物理意义是,湍流大气中能实现衍射受限成像的光学系统口径上限[
笔者等之前的研究初步表明[
1 理论分析
通过测量到达角起伏可以计算得出大气相干长度,为了消除仪器观测中的抖动影响,差分像运动法被提出。像运动的实质是到达角起伏,也即波前倾斜项的起伏,将望远镜上两个子孔上的到达角做差分,可以将望远镜的抖动去掉。显然,差分到达角的方差为两孔径上的到达角方差之和(纯湍流引起的到达角起伏,已经扣除仪器抖动)减去两孔径上到达角的相关函数,物理意义十分明确。Sarazin & Roddier在研究DIMM原理时给出的计算公式为 [
式中:σl2、σt2为两子瞳波前差分到达角的纵向、横向方差(纵向是指两孔中心连线方向,横向为其垂直方向);D为子瞳直径;d为子瞳间距;λ为计算r0的取值波长,r0l对应于纵向方差算出的r0,r0t对应于横向方差算出的r0。在大气湍流局地均匀各向同性假设下,r0l、r0t统计上应该相一致,可以理解为变化趋势一致,数值大小相差不大;单次r0一般取两者的均值。文中将从实验中r0l、r0t统计上的趋势变化来验证计算公式的正确性。
上述Sarazin & Roddier计算公式在文中也称传统计算公式。对该公式进行推导分析可知 [
式中:qFp为广义超几何函数,可以通过数值软件计算得出。为了方便比较传统计算公式(其中系数0.179已校正为0.182)与新计算公式的差异,可以将两式改写为规格化模式:
如前所述,0.364λ2D−1/3r0−5/3是单孔上的到达角起伏方差,系数Kl、Kt称为归一化差分系数,为1减去两孔径上到达角起伏相关系数,分别代表两孔径上到达角纵向或横向差分后残余的起伏,物理意义明确。分别将传统计算公式(1)、(2)和新计算公式(3)对应的归一化差分系数设为KlO、KtO和KlN、KtN,计算出它们随d/D的变化关系如图1所示。从图中可以看出,随着d/D的增大,两种公式对应的系数越来越接近;当d/D≥2时,可以用传统计算公式近似Sasiela公式,但当d/D<2时,随着d/D的进一步减小,两公式系数差异越来越明显。
Figure 1.Comparison of the normalized differential coefficients. Dashed line:
显然,减小子孔直径D与间距d的值可以使DIMM小型化。对于整层大气观测,D大于3 cm就可以满足近场条件[
2 实验结果与分析
利用两个紧挨着的6 cm子孔面罩替换一台标准DIMM中的子孔面罩得到小型化DIMM的实验测试原型。将该小型化DIMM原型与另一台标准DIMM放在一起同时观测相同的恒星开展大气相干长度测量对比实验。实验自2019-09-28至2019-09-30在安徽省合肥市中国科学院大气光学中心楼顶实验平台进行,实验现场照片如图2所示。标准DIMM采用的是中国科学院安徽光学精密机械研究所的全自动大气相干长度仪,具有自动调焦、自动换星及跟踪功能,可以实现24 h无人值守全自动观测,其子孔直径为9 cm,间距为20 cm。它可以根据信标亮度,自动调整曝光时间,考虑到倾斜项时间平滑效应,曝光时间不超过10 ms。
Figure 2.Photos of experiment site. (a) Sub-aperture mask of mini DIMMprototype; (b) Mini DIMM prototype (left) and standard DIMM (right) measuring simultaneously
由于两台设备都是基于标准DIMM,利用该小型DIMM测试原型来开展对比实验,可以极大降低两台设备因主体望远镜的差异引起的误差问题。但是应该注意,该小型DIMM测试原型只是用于验证文中所述新计算公式在小孔径间距时的有效性,实际开发小型DIMM需要注意该测试原型与实际小型DIMM在光斑接收光路上的差异。标准DIMM采用的是较大口径(30 cm)的折反射式望远镜,焦距3 m左右;而小型DIMM需要用小口径(12 cm左右)折射式望远镜,焦距1 m左右。在相同成像器件下,1 m焦距的信标光斑尺寸比3 m焦距的小两倍,较少的光斑像素点在计算光斑质心时会带来一定误差[
对于DIMM的误差(这里讨论实际测量差分到达角方差的误差,由公式(4)可知大气相干长度的误差为差分到达角方差误差的0.6倍),主要有统计误差和像点质心探测误差。其中统计误差由采用有限样本数计算方差引起,占DIMM误差的绝大部分;质心探测误差主要由有限曝光时间、光学装置像差、天空背景噪声、CCD噪声(包含读出噪声、泊松噪声)等引起,一般比统计误差小一个量级。参考文献[10, 11, 13]对这些误差进行了更详细的讨论。
统计误差与样本数的平方成反比[
如前所述,在大气湍流局地均匀各向同性假设下,r0l、r0t统计上应该相一致,文中主要从实验中r0l、r0t统计上的趋势变化来验证计算公式的正确性。实验期间,2019年9月30日天气较好,有效观测时间段较长,观测恒星为Vega,仰角变化从43°~83°,且大气相干长度r0变化范围大,具有典型代表性。2019年9月30日,小型DIMM中利用传统公式与新公式计算得出的r0l、r0t分别如图3(a)、3(b)所示,标准DIMM中得出的r0l、r0t整体减去4(如果不下移,数据线会重叠乃至难以分辨)也已放入图中以便比较。
Figure 3.Comparison of the longitudinal and transverse atmospheric coherence length. (a)
如图3(a)所示,小型DIMM中,采用传统计算公式得出的纵向、横向大气相干长度r0l、r0t之间的差异明显,所有时间段内,r0l(黑色虚线)明显大于r0t(红色实线);而如图3(b)所示,采用新计算公式得出的r0l、r0t与标准DIMM中的r0l、r0t更趋于一致,除了在大致18:30–19:30时间段能看出微弱差异,其他时间段r0l、r0t基本重合,这符合大气湍流局地均匀各向同性的经典假设。由此验证,新计算公式比传统计算公式用在小型DIMM中更准确。取r0l、r0t的均值,得到最终的r0,小型DIMM(采用新计算公式)与DIMM的r0进行比较,结果如图4所示。从图4可以看出,两台装置的测量数据吻合度较高,进一步说明了小型DIMM测量结果的有效性。
Figure 4.Comparison of results measured by the DIMM and miniDIMM
传统计算公式用在小型DIMM中,造成纵向大气相干长度r0l明显大于横向r0t,究其原因,是因为两点的倾斜相关代替两孔径上的倾斜相关在d/D很小时不成立。当d/D=1时,两子孔径紧挨在一起,对于倾斜纵向分量,可以预见,两点的相关系数小于两孔径上的,从而导致归一化差分系数(等于1减去相关系数)KlO大于KlN(从图1中也能看出,在d/D=1时虚线KlO明显大于实线KlN);同理,对于倾斜横向分量,有KtO小于KtN(对应于图1中虚线KtO小于实线KtN)。又因为相干长度与归一化差分系数的0.6次方成正比,纵、横向归一化差分系数这一大一小的差异导致传统计算公式得出的纵、横向大气相干长度有较大偏差,纵向r0l明显大于横向r0t。
3 结 论
被广泛采用的DIMM传统计算公式用两点的到达角起伏相关来近似成两孔径上的到达角起伏相关,这种近似在孔径间距越小时误差越大。Sasiela给出的公式没有做这步近似,在小孔径间距时更准确,可以作为新计算公式采用,尤其是在小型DIMM中。从大气湍流局地均匀各向同性的特点出发,利用实验得出的纵向、横向大气相干长度进行对比,结果揭示了新计算公式比传统计算公式更准确,另外,大气湍流并不是时刻都能满足均匀各向同性条件,显示出大气湍流变化的复杂性。
文中实验是在标准DIMM主体望远镜上加小型DIMM面罩来验证小型DIMM原理上的可行性。今后在实际开发小型DIMM中需要注意它相对于标准DIMM的局限性。局限性主要有:小口径望远镜焦距相对更短,导致信标光斑像数点更少,将使得光斑质心计算误差增加;子孔间距太近意味着倾斜相关性好,将使得归一化差分系数较小(见图1),从而对设备的灵敏度要求更高;小接收孔径要求观测信标更亮才能有较好的信噪比,将会导致可以观测的时间段比标准DIMM少。
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