Wavelength / !m
SWIR active
1.57
imaging system
MWIR
4.0
warning sensor
LWIR
10.0
warning sensor
Apeltule exposure time
diametel/mm
/ms
125
0.1
200
1
200
0.1
图 3 是在海拔 5 m 处水平传输 8 km~不同湍流强
Key words"Atmospheric turbulence% IR sensors% Modulation transfer function% Resolution
收 稿 日 期 2005-06-23 修 订 日 期 2005-08-02 * 基金项目 国家高技术 八六三 计划基金资助项目
作 者 简 介 朱 文 越 (1976- ) 男 安 徽 颍 上 人 博 士 生 主 要 从 事 激 光 大 气 传 输 和 大 气 光 学 特 性 的 研 究
2
度不仅与温度场的起伏 CT 密切相关, 而且与风速存 在较强的相关性O
2
90%的 CH 值及短波红外OSWIRO~中波红外OMWIRO和 长波红外OLWIRO探测器的 参 数 ;由 于 风 速 变 化 不 大 , 实际计算时,取平均值 2 m/sO
表 2 红外探测器系统参数 tab.2 Parameters of the IR sensors
第3期
朱文越等!大 气 光 学 湍 流 对 光 电 探 测 器 性 能 的 影 响
355
!引言
大气光散射~吸收和湍流效应等造成接收靶面上 的光强起伏, 降低了探测器的信噪比和空间分辨率, 导致光电系统在实际大气环境中的使用性能下降0 在 评 价 光 学 系 统 性 能 时 ,一 般 采 用 调 制 传 递 函 数 <MTF> 来描述探测器的空间频率响应, 而采用点扩展函数 <PSF>的 标 准 偏 差 来 表 征 系 统 的 分 辨 率 0D. L.Fried J. W.Goodman 和 M.C.Roggemann 等 人 较 全 面 地 讨 论 了 大 气 湍 流 对 光 学 成 像 的 影 响 [1~3],E. Azoulay 建 立 了 光 电 系 统 设 计 参 数 和 大 气 湍 流 之 间 的 定 量 关 系 [4~6], 这 些理论为评估光电系统在湍流大气中的性能奠定了 基 础 0 大 气 折 射 率 起 伏 的 结 构 常 数 Cn2 < 或 称 光 学 湍 流>反映了湍流大气对光传输的影响程度,一般采用 局地温度脉动或空间平均的光学参量起伏两种方法 测 量[7,8]0
2
探测器的有效口径0 对于均匀路径<水平光传输>,Cn
视为常数,球面波的横向相干长度 0 为:
-3/5
0=
2
21.614Cn
L
2
(3)
2
对于大气边界层的斜程传输,Cn 是高度的函数, 一般
可 以 用 Tatarskii 模 式 来 描 述[8]:
2 -4/3
2
Cn0 h 不 稳 定
Cn <h>= 2 -2/3
h H
dh
(5b)
0
式 中 : 为 天 顶 角 ;H=L'sec 0
点 扩 展 函 数 的 标 准 偏 差 PSF 被 用 来 描 述 大 气 湍
流导致的探测器的空间分辨率的退化, 可以通过将
MTF 拟 合 为 高 斯 函 数 来 求 解 :
TFturb=exp -
f
Reff
5/3 fit
22 2
= exp<-2 PSF f >=
基于光波振幅起伏的闪烁法对沿海某地冬季和 夏季近海面的光学湍流强度进行了较长时期的测量, 给 出 了 月 平 均 风 速 和 Cn2 的 概 率 分 布 值 <PDV>, 并 且 计算了典型红外探测器空间频率响应及分辨率随传 输距离和湍流强度等的变化关系0
"理论
MTF 定 量 地 表 征 了 光 电 系 统 频 率 响 应 能 力 的 退 化程度0 对于成像系统而言,由于大气湍流的影响而 导 致 的 与 时 间 有 关 的 MTF 可 以 表 示 为[4~6]:
5/3
MTFturb< , >=exp - Reff < >
(1)
式 中 : 为 空 间 频 率 , 周/rad; 为 真 空 中 的 波 长 ; 有 效
相 干 长 度 Reff < >为 :
1/3
Reff <
>=
0
1+0.37
0
D0 +vt
(2)Βιβλιοθήκη 式中:vt 为横向风速; 为曝光时间;D< >=D0 +vt ,为
ZHU Wen!yue, MA Xiao!shan, RAO Rui!zhong
(Atmospheric Optics Center, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences !Hefei 230031, China)
声 风 速 仪[11]0 图 1 是 在 沿 海 某 地 海 拔 5 m 处 大 气 表 层
2
测量得到的 Cn 和风速的平均日变化, 图 2 是累积概
率分布0
据图可知:海边
2
Cn
的平均值在
10 -16! 10 -13
之
356
红外与激光工程
第 35 卷
间,属于弱湍流和中等湍流,比内陆要低 1~2 个数量
1 e
(6)
fit
式中: = 为函数拟合0 因此,湍流受限的分辨率为:
= turb 2 PSF=0.21 Reff !!!!!!!!!!!!!!!!!!!(7)
对于口径为 D 的光学系统,其衍射受限的分辨率 optic=1.22 /D,调 制 传 递 函 数 [9]为 :
2 TF( ) = diff-ltd
第 35 卷第 3 期 Vol.35 No.3
红外与激光工程
2006 年 6 月
Infrared and Laser Engineering !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Jun. 2006
大气光学湍流对光电探测器性能的影响 *
朱文越!马晓珊!饶瑞中
(中 国 科 学 院 安 徽 光 学 精 密 机 械 研 究 所 大 气 光 学 中 心, 安 徽 合 肥 230031)
表1~表 2 分别给出冬~夏季累积出现 概 率 50%和
表 L 折射率结构常数的累积概率分布值 tab.L Cumulative probability distribution value of
the refractive index structure constants
Summer Winter
摘要"采用激光闪烁仪和超声风速计对沿海某地冬#夏季的大气光学湍流和风速进行了较长时期 的 测 量!得 到 了 其 平 均 的 统 计 特 征 $ 并 据 此 分 析 了 大 气 折 射 率 结 构 常 数 的 累 积 出 现 概 率 为 50%和 90% 时大气湍流对光电探测器性能的影响$ 结果表明"(1) 对于水平传输!大气湍流对短波和中波红外成像 系统的影响随着传输距离或湍流强度的增加而超过系统的衍射受限占主要地位! 对长波红外告警系 统 的 影 响 可 以 忽 略 $ (2) 对 于 斜 程 传 输 !大 气 湍 流 的 影 响 随 天 顶 角 的 增 加 而 增 加 !在 天 顶 角 小 于 60!的 情 况 下 !大 气 湍 流 对 系 统 性 能 影 响 的 变 化 不 超 过 45%%而 在 天 顶 角 超 过 60!之 后 !大 气 湍 流 的 影 响 迅 速 增加!其影响最大可以超过 3 倍$
!0
arccos -
0
0
1-( / 0 )2 !! 0 其他
(8)
其中对于非相干成像系统,截止频率 0 =D/ 0
# 实验和计算结果
2
实验中 Cn 的测量采用自行研制的多波长激光闪 烁 仪 [10], 水 平 传 输 距 离 为 1 000 m, 光 路 高 度 约 5 m0
测 量 风 速 的 仪 器 为 加 拿 大 Campbell 公 司 的 CSAT3 超
2
图 1 不 同 季 节 CH 和 Vw 的 日 变 化
2
Fig.1 Diurnal variation of CH and Vw during different seasons
2
图 2 不 同 季 节 CH 和 Vw 的 出 现 概 率 月 平 均 结 果
2
Fig.2 Cumulative freguency of occurrence of CH and Vw measured for a time period of one month during different seasons
(4)
Cn0 h 稳 定
而沿路径 L 的斜程横向相干长度 0 表示为:
(1) 探测器在地面,目标位于高度 H<向上搜索>
0=
2
1.46k sec
H
2
Cn <h>
H-h H
0
-3/5 5/3
dh
(5a)
(2) 探测器在高度 H,目标位于地面<向下搜索>
-3/5
H
5/3
!
0=
2
1.46k sec
2
Cn <h>