白天天空背景对昼夜大气相干长度仪数据影响

Ｌ ｉ ．ｉ ， ０ ａ．ｏ ｇ ，Ｉ Ｇ Ｘ ＨＥ Ｑ ａ． ａ ， Ｅ Ｆ ｎ ＷＵ Ｙ ｎｈ ｉ Ｕ Ｑａ ｑａ ｎ ｎ Ｈ Ｕ Ｚ ｉ ｎ ＪＮ ｕ ， ｉ ｍｉ ｈ ｏ ｏ Ｈ ｅ ｇ ， ａ —ｕ ’
（ ． ｅ ａ ｏａ ｒ ｏ ｔ ｏｐ ｅ ｃＣ ｍ ｏ ｉｏ ｎ ｐｉ ｌ ａ ｉ ｉ ， ｈｎ ｓ ｃｄ ｍｙｏ ｃ ｎ ｅ １ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙ ｆ ｍ ｓ ｈ ｒ ｏ ｐ ｓ ｉｎａ ｄ Ｏ ｔ ａ Ｒ ｄａ ｏ Ｃ ｉｅ ｅＡ ａ ｅ ｆ ｉ ｃ ， ｏ Ａ ｉ ｔ ｃ ｔｎ Ｓ ｅ
４ ４ ， 大 了选 星跟 踪 范 围， 实 了该 消噪方 法 应用 于 提 高仪 器 测 量 精度 的可 行 性和 白天 星 ３％ 扩 证 像 质心提 取 的准确 性 。 关 键词 ： 大气 光学 ； 夜 大气相 干长 度仪 ； 差分 析 ； 空 背景 ； 昼 误 天 图像 抑 噪
中 图分类 号 ： Ｐ ９ Ｔ３１ 文 献标 识码 ： Ａ Ｄ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ —０ ８ ２ １ ． ８ ０ ９ ＯＩ １ ． ９ ９ ｊｉ ．０ １５ ７ ．０ ２ ０ ． １ ｓ
度 。本 文针 对 白天 强 天 空 背 景 光 环 境 下 Ｃ Ｄ 图像 Ｃ 传感器 噪声 的特 点 建立 仿 真 模 型 ， 据 实 际测 量 要 根
２
ｍ ： 一
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Ｌ （） ３
将式 （） 入公式 （ ）根据误差传递公式 ， ３代 １， 白
天强 光背 景引 入 的大气相 干 长度 相对误 差 为 ：
Ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｋ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ ｏ ａ ａ ｏ ａ － ｉ ｈ ｔ ｏ ｐ ｒ ｃ ｎ ｅ ｃ ｆｓ ｙ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｎ ｄ ｔ ｆ ｄ ｙ ｎ ｇ ｔ ａ ｍ ｓ ｈｅ ｉ ｌ
ｃ ｈ ｒ ｎ ｅ ｌｎ ｔ ｏ ｔ ｒ ｏ ｅ ｅ ｃ ｅ ｇ ｈ ｍ ｎｉ ｏ
星像质心的相对位置方差 ， 、 纵 横向两方 向上计算 ｒ ｎ
的公 式 ｊ 如下 ： ｒ ， ２ （ ． ７ Ｄ一 一０ ０ ６ ｄ ） ｆ ｎ ：［ Ａ 厂 ０ １９ ’ ． ９ ８ 一 。 ２ ］
（） １ ｒ ０ ：『 Ａ 厂 ０ １９ １ —０ ０ ４ ｄ ３ ２ ／ ２ （ ． ７ ＤＩ ３ ． １ ５ 厂） ５ ， ］ （） ２
ｓ ｙ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｉｈ ｎ ｄ ｙ ｉ ， ｕ ｓ ｆｒ ｒ ｎ ｉ ｇ ｅ ｏｓｎ ｔ ｏ ｈ ｃ ｓ ｓ ｉ ｂ ｅ ｆ ｒ ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｐ ｌ ａ ｋ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ ｌ ｔｉ ａ ｔ ｇ ｍｅ ｐ ｔ ｏ ｗａｄ ａ ｍａ ｅ ｄ ｎ ｉｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ ｗ ｉｈ ｉ ｕ ｔ ｌ ｎ ｉｅ ｒ ｇ ａ ｐ ｉ — ａ ｏ ｉ ｃ
法是 将 Ｃ Ｄ原 图 ｆ ，） Ｃ （ Ｙ 中一 个 像 素 的灰 度值 和该 像素 所取 的邻 域 ５中 Ⅳ个 像 素 的灰 度值 相 加 ， 后 然 求其 均值 作 为新 图 ｇ ，） （ Ｙ 中该 点 的灰度 值 ， 公式 如
ｔｏ Ｎｕｍｅ ｃ ｌｓｍｕ ａｉｎ ｉ ｍａ ｅ． ｉｎ． ｉ ｒ ａ ｉ ｌ ｔ ｓ ｏ ｄ Ｔｈｅ ｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ｔ ｔ ｄ ｎ ｉｉ ｍｅｈ ｄ ａ ｅｆｃ ｉｅｙ ｅ ｔａ ｎ ｉ ａ ｅ ｎｏｓ ｅ ｕｌｓ ｓ ｗ ｈａ ｈｅ ｅ ｏ ｓｎｇ ｔｏ ｃ ｎ ｆｅ ｔｖ ｌ ｒ ｓｒ ｉ ｍ ｇ ｉｅ
ａ ｈｅｍ ａ ｉ ｔｔ ｘｍｕｍ ｋ ｒｇ ｔ ｓ ｎｄ ｅ ｐａ ｓ ｔｅ ｒ ｎｇ ｆｓ ｌ ｃｉｎ ｆｒｔａ ｋｎｇ ｓａ ． ｓ ｙ ｂ ｉ ｈｎｅ ｓａ ｘ ｎｄ ｈ ａ ｅ ｏ ｅ ｅ ｔ ｒ ｃ ｉ ｔｒ ｏ ｏ
Ｋｅ ｒ ｓ ａｍｏ ｐ ｅ ｃｏ ｔ ｓ ｄ ｙ ｎｇ ｔ ｔ ｓ ｈ ｒｃｃ ｈ ｒ ｎ ｅｌｎ ｈ ｍｏ ｉ ｒ ｅｒ ｒａ ａｙ ｉ ； ｋ ａ ｋ ｏ ｎ ；ｍａ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｔ ｓ ｈ ｒ ｐ ｉ ； ａ — ｉｈ ｍｏ ｐ ｅ ｏ ｅｅ ｃ ｇ ｎ ｔ ； ｒｏ ｎ ｌ ｓｓ ｓ ｙ ｂ ｃ ｇ ｕ ｄ ｉ ｇ ｉ ｃ ａ ｉ ｅｔ ｏ ｒ
白天 天 空 背 景对 昼 夜 大气 相 干 长 度仪 数据 影 响
陆茜茜 ， 侯再 红 靖 ， 旭 贺巧妙 ， ， 何 枫 吴延 徽 ，
（． １ 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 ２ ０ ３ ３０ １
２ 中 国 科 学 院 研 究 生 院 ， 京 １０ ４ ） ． 北 ００ ９
昼 夜 大气 相 干 长 度 仪 采 用 双 孔 径 差 分 像 运 动 （Ｉ Ｄ ＭＭ） 原理 测 量 大 气 相 干 长度 ｒ ＇ １是 其 实 法 ｎ图 验 系统 示 意图 。在 与两 子 孔径 中心 连线 平 行 （ 即纵 向位 置 ） 垂直 （ 和 即横 向位 置 ） 的方 向上 分别 计 算两
Ａｎ ｉＩ ｓｉｕ ｅｏ ｔｃ ｎｄ Ｆｉ ｅ Ｍ ｅ ｈａ ｉ ｓ Ｃｈ ｎ ｓ ａ ｍ ｙ ｏ ｉｎ ｅ， ｆｉ２３ ０３１， ｉ ａ； ｈｕ ｎ ｔｔ ｔ ｆＯｐ ｉｓ ａ ｎ ｃ ｎ ｃ ， ｉ ｅ ｅ Ａｃ ｄｅ ｆＳｃｅ ｃ Ｈｅｅ ０ Ｃｈ ｎ
ｃ ｕ ｅ ｙｓ ｙ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ａ ｔ ａ ｓｄ ｂ ｋ ａ ｋ ｒｕ ｄｉ ｄ ｙｉ ｎ ｍｅ， ｋ ｓｔ ｅ ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔ ｒｏ ｄ ｃ ｏ １ ４ ４ ｍａ ｅ ｈ ａ ｕ ｅ ｎ ｒ ｒ ｅ ｕ ｅ ｔ ． ３ ％ ｗ ｅ ｂ ｅ ｖｎ ｇ ｉ ｄ ． ｅ ｒ ｈ ｎ ｏ ｓ ｒ ｉ ｇｍａ ｎ ｔ ｅ ３ ５ ｕ
９２ ２
激 光 与 红 外
第４ ２卷
白天天 空背 景光 亮 度 高 ， 夜 大 气相 干 长度 仪 昼 采 集 的图像 含有 大量 噪声 ， 噪 比大 大低 于夜 晚观 信
景下 Ｃ Ｄ噪声 引起双像 质心纵 向位置方差为 ： Ｃ ， 仪器测 出的双像 质 心纵 向位 置方差 为 ， 么 真正 那
２ Ｇ ａｕｔ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｈｎｓ ｃｄｍｙｏ Ｓ ｉ ｃｓＢ ｉｎ ０ ０９ Ｃ ｉａ ． ｒｄａ ｎｖ ｓｙ ｆ ｉｅｅＡ ａ ｅ ｆ ｃ ｎｅ ， ｅｉｇ１０ ４ ， ｈｎ ） ｅ ｅ ｉ Ｃ ｅ ｊ
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摘 要 ： 夜 大气 相干 长度仪 实 现 了全 天候 连 续观 测恒 星 ， 一种 大 气相干 长度 的 常规观 测仪 昼 是 器 。 主要分 析 了白天 天 空背景 光 引起 的大气相 干 长度 测 量 误 差 ， 出 了适 合 于工 程 应 用 的 图 提
像 消 噪方 法 ， 并进 行 了数值 仿 真 ， 果表 明 ： 消 噪方 法 能有 效 抑 制 白天 天 空背 景 引起 的 图像 结 该 传 感器 噪 声 ， 其在 最大 天 空亮度观 测 ３ ５等 星 时所 引起 的大 气 相干 长度 测 量 误 差减 小到 １ 使 ． ．
ｎｏｓ ｕ ｐｒ ｓｉ ｎ ｉｅ ｓ ｐ ｅ ｓｏ
１ 引 言
察 恒 星的方 式 。 白天 以 星光 为 信 标 ， 噪 比远不 及 信
观 测太 阳 ， 天空 背景对 测量 精度 影 响较大 ， 需考 虑不 同信 噪 比时的测量 误 差 。昼 夜 大气相 干 长度仪 通过
在整 层大 气激 光传 输和 自适应 光 学相位 校正 技
导星 、 跟踪 及 动 态 测 量 等 任 务 ， 由于 星 体 位 置 不 可 知， 系统跟 踪运 算 量 较 大 。根 据 大气 湍 流 倾 斜 项 的 特征频 率 ， Ｃ Ｃ Ｄ相 机 的采 样 速度 为 ３ ｓ 当有 薄 云 ０ｆ ， ／ 进入 视场 时需 对 天空 背 景 实 时 重构 ， 图像 处 理 速 度 要够 快 。 因此 ， 用运算 量小 、 采 处理 速 度快 的邻 域平 均法 与 阈值分 割法 来抑 制 噪声提 取 目标 。邻 域 平均
基金项 目： 国家“ ６ ” ８ ３ 高科技项 目资助。 作者简介 ： 陆茜茜 （ ９５一） 女 ， １８ ， 硕士 研究生 ， 主要从 事大气 湍 流光学测量仪器设计 的研究。Ｅｍａ ：ｑａｌ＠１３ ｔｍ － ｉ ｑｉｎｕ ６ ．ｏ ｌ 收 稿 日期 ：０ １１－３； 订 日期 ：０２０ —３ ２ １ －２１ 修 ２ １ －１１
术 领域里 ， 大气 相 干 长度 是 用 来 描 述 大气 湍 流 强 度 的重要参 量 。天文 观 测 中 ， 常 把 大气 相 干 长 度 也 当作视 宁度 的度量 ， 天 文 台建 台选 址 的重 要 指 标 是 之一 。 目前 ， 广泛 使用 的整 层 大 气相 干长 度 测 量 仪 器采取 晚上 观ｉ 叵星 ， 贝 白天 观 测 太 阳边 缘 一 点 的 观 测方式 ｊ 白天 以太 阳光 为 信 标 ， 噪 比非 常 。 信
ｉ ｓ ｕ ｎ ｏ ｍｅ ｓ ｒ ｈ ｔ ｓ ｈ ｒ ｏ ｅ ｅ ｃ ｅ ｇｈ Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｍａ ｎｙ ａ ａｙ ｅ ｈ ａ ｕ ｅ ｎ ｒｏ ａ ｓ ｄ ｂ ｎ ｔ ｍｅ ｔｔ ａ ｕ ｅ ｔ ｅ ａｍｏ ｐ ｅ ｃ ｃ ｈ ｒ ｎ ｅ ｌ ｎ ． ｈ ａ ｅ ｉ ｌ ｎ ｌ ｚ ｓ ｔｅ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｒ ｒｃ ｕ ｅ ｙ ｒ ｉ ｔ ｅ
由大 气湍 流扰 动引 起 的双像 质心 纵 向位置 方差 为 ：
２
＝
测 ， 重影 响大气 相 干长度 的测 量精 度 。与此 同时 ， 严
恒星 的微 弱信标 光 完全 淹 没 在 天 空 背景 光 中 ， 图像 对 比度 极低 ， 目标 图像 的识 别 与 计 算 带来 很 大难 给
高， 但不 能实 现连续 观测 ， 别是 大气 相干长 度呈 现 特 转换 时刻 特征 的晨 昏 时段 不 能 观测 ， 而转 折 区 的数 据 又尤 为重 要 。为 获 取晨 昏时 段 数 据 ， 出全 天观 提
增加轴线光 阑， 利用光谱滤波、 图像抑噪等方法 ， 可 在 白天 强天 空背 景 光 环 境下 切 换 不 同的恒 星 观 测 ， 信 标光选 择 范 围广 ， 天空部 分有 云仍 可观测 ， 现 了 实 整 层大 气相 干长 度 的昼夜 不 问断测量 。
△ｒ ／ｒ ｆ ３ ２ ｏ ０ ＝ △ ２） ／
．
．
（） ４
求 提 出噪声 抑制 与 目标 提 取 方 法 ， 出了 仿 真计 算 给
结果。
３ 图像抑 噪预 处理 昼 夜 大气相 干 长度仪 在实 际应 用 中要 同时 完成
２ 白天天 空背 景 引入 的数 据误 差分 析
第４ ２卷 第 ８期
２１ ０ ２年 ８月
激 光 与 红 外
ＬＡＳ ＥＲ ＆ Ｉ ＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ ． ２， ． １ ４ Ｎｏ ８
Ａｕｇ ｔ ２ ２ ｕｓ ， ０１
文章编号 ： ０— ７ （０２０ － ２－ １ １ ０８ ２１）８ ９１ ４ ０ ５ － ０ ０
・ 电技 术 与 系统 ・ 光