大气湍流对光学系统图像分辨力的影响

　　1　引　言

　　成像光学系统的图像分辨力一方面取决于系统自身的设计、制造和装调;另一方面会受到很多外界因素的影响。如对地-空和空-地光学系统来说,成像系统和待成像物体之间存在大气湍流,湍流会在一定程度上对系统分辨力产生影响。这里所说的地-空系统,即用地面望远镜对天体进行观测的系统;空-地系统是指以卫星、飞机等飞行器为平台的光学遥感器对地面目标的成像。

　　大气湍流对天文观测的困扰及人们试图克服这种困扰所做的努力持续了数百年之久。有效地提高分辨力的自适应光学(AO)的概念于20世纪50年代被提出来了[1],并于20世纪70年代得到了迅速地发展[2]。到了1982年,第一台实用化的AO望远镜问世[3]。目前,世界上几乎所有的大型天文观察站均在使用这类装置。1987年,J Beckers提出了多层共轭自适应光学(MCAO)的概念,经过10多年的发展和完善,很多大型望远镜都在计划采用它[4],有些已经采用了MCAO系统[5]。

　　相比之下,光学遥感只有几十年的历史,关于湍流对其影响的认识远不及天文成像那样深刻,相关文献也很少见。然而,由于遥感在国民经济的众多领域及现代国防建设中具有极其重要的意义,所以它已越来越受到关注。

　　2　评定大气湍流是否影响光学系统图像分辨力的依据

　　描述大气湍流光学效应的物理量是:光学系统最大口径的相关长度r0;等晕角θ0;格林伍德频率fG。其中相关长度r0是评定大气湍流是否影响光学系统图像分辨力的主要依据。因此通过计算r0可以得到大气湍流对光学系统图像分辨力的影响。一定的大气折射率结构常数C2n(h)的高度分布对地-空观测系统来说,由于大气湍流层靠近观测系统,远离被测目标,因此光波被视为平面波,则[6]

　　而空-地观测系统的情况正好相反,大气湍流层靠近被测目标,远离观测系统,因此光波为球面波,此时的r0为[7]

　　r0与C2n(h)的高度分布密切相关。(h)反映了大气湍流的强弱状况。目前国内外常见的大气湍流模型为HV21:

　　以上的HV21为强湍流模型; Modified HV为弱湍流模型;中国合肥的湍流模型是安徽光机所实地探测并经理论模拟计算得到的,它所反映的大气湍流最弱。选用上述三个模型对r0进行计算是极具有代表性的。

　　3　空-地观测系统相关长度的计算及结果

　　选择上述三种大气湍流模式,其波长λ=0.55μm,从距地面200m开始,每200m计算一个r0,一直算到500km。大气相关长度与观测高度的关系如图1所示。

　　从图1可以看出,当大气湍流模型为HV21,观测高度在15km以下时,大气相关长度为十几到四十几个厘米,并做起伏性的变化;当观测高度在15km以上时,大气相关长度随观测高度的增加而增大;当观测高度在50km以上时,大气相关长度的数值超过1m;当观测高度为500km时,大气相关长度达到10m以上。当大气湍流模型为Modified HV,观测高度在15km以下时,大气相关长度为60~180cm,并做起伏性的变化;当观测高度在15km以上时,大气相关长度随观测高度的增加而增大;当观测高度在50km以上时,大气相关长度的数值超过3m;当观测高度为500km时,大气相关长度在30m以上。对合肥地区的大气湍流模型来说,当观测高度在9km以下时,大气相关长度为360~480cm,并做起伏性的变化;当观测高度在10km以上时,大气相关长度随观测高度的增加而增大;当观测高度在50km以上时,大气相关长度的数值超过8m;当观测高度500km时,大气相关长度在80m以上。