專利名稱：天文光學望遠鏡偏振濾波方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電探測技術領域，具體涉及一種可附加于天文光學望遠鏡的偏振濾波裝置，可用于天文觀測時的大氣背景濾波，提高白晝天文觀測的效果和延長白天觀測的時間。
背景技術：
在天文學領域，天文光學望遠鏡是最主要的星體光學觀測手段。而地基觀測時無法避免大氣的影響，其中大氣散射是影響觀測效果的一個重要因素。正是由于此原因，地基天文觀測的選址都是基于遠離城市和建在高海拔地點的原則。
白晝太陽光入射地球大氣層而發生散射和吸收。其中，在大氣窗口進行天文觀測，大氣的散射輻射是影響星體觀測的主要因素之一，使得星體光信號淹沒在強烈的大氣散射輻射背景中，大大降低了星體觀測的信噪比，給利用天文光學望遠鏡進行星體觀測帶來了極大的困難。
由于白晝地球大氣散射輻射的強烈干擾，到目前為止，天文觀測一般選擇在夜間進行，或者由衛星攜帶進入空間軌道，在沒有大氣的太空進行星體觀測，其主要目的就是避免大氣散射輻射的影響。因此，地基白晝天文星體觀測資料獲取較為困難。
目前，除了依據星體目標與大氣背景的光譜特性差別，采用光譜濾波提高星體探測信噪比外，還沒有辦法能夠更好地抑制大氣層的散射背景，減小對觀測天體信號的影響，使地基天文星體觀測能夠在白晝進行。
發明內容
本發明能夠提供一種天文光學望遠鏡偏振濾波方法與裝置，安裝于天文望遠鏡接口之上，在白晝進行天文觀測時，通過偏振濾波的手段，在對目標信號有較小的衰減的條件下，很大程度上抑制大氣散射背景，從而達到相對提高星體觀測信噪比的目的，有效地提高白晝天文觀測的效果。
本發明的技術方案如下
天文光學望遠鏡偏振濾波方法，其特征在于在和天文光學望遠鏡同光軸安裝有一個單通道偏振輻射計，視場為望遠鏡的三倍左右，通過單通道偏振輻射計來快速獲取目標信號偏振角方向與偏振度的偏振態數據；在望遠鏡的后端面與觀測接口之間的光路中依次安裝偏振片、衰減片和濾光片，濾光片用于光譜濾波，衰減片用于減弱整體光強以適合白晝天文觀測的要求；將輻射計測得的偏振角方向與偏振片的檢偏角進行對比，旋轉偏振片的位置，使得偏振片的檢偏方向與大氣偏振方向相垂直，從而達到有效抑制大氣散射輻射的干擾，提高星體觀測的信噪比。
所述的單通道偏振輻射計視場為望遠鏡的2.5-3.5倍。
天文光學望遠鏡偏振濾波裝置，其特征在于包括有光學部件轉接筒，轉接筒是由大筒與小筒組成的臺階形狀，小筒內壁套裝有軸承，軸承內安裝有一齒圈，齒輪圈內安裝有偏振片，大筒的臺階部位安裝有步進電機，大筒內安裝有和步進電機轉軸同軸的主動齒輪和編碼器，主動齒輪和齒輪圈嚙合，小筒后端通過螺紋連接有一鏡筒，鏡筒內安裝有濾光片與衰減片。
本發明的工作原理及過程1、大氣散射輻射偏振特性描述太陽光在傳播過程中，與地球大氣發生相互作用，產生光的散射和吸收。其中，光在大氣中的散射輻射具有顯著的線偏振特性，也即大氣背景往往有很高的線偏振度。
理論上，在晴朗無云天氣條件下，太陽的地平經圈內，當散射角(定義為觀測方向與太陽的夾角)逐漸增加為90°時，大氣的偏振度也是逐漸增加的過程，直至100％，隨后當散射角再逐漸增大時，大氣的偏振度呈逐漸下降趨勢。然而，由于大氣粒子多次散射的影響，實測大氣偏振度往往小于100％，且有Babinet，Brewster，Arago等三個中性點的存在。
目前，根據光譜偏振輻射計的實測結果，在太陽的地平經圈內的大氣偏振度最大可達70％。但是，當觀測方向偏離地平經圈時，大氣偏振態變化較為復雜，實測大氣偏振態是一種較好的方法。
2、本發明的現測方法由于大氣散射具有顯著的偏振特性，而作為最主要觀測目標的自然發光的恒星，其輻射偏振特性較弱；反射太陽光的行星，若自身沒有大氣層，其光學反射的偏振特性也是很弱的，這兩種行星的偏振特性與大氣背景相比可以忽略不計。在分析本發明的使用效果時，以零偏振度的假設來分析天體目標的光學輻射。
本發明使用偏振片進行濾波，偏振片的檢偏方向需要隨時根據觀測天區大氣背景的偏振特性進行調整。檢偏方向不同時，大氣背景的輻射透過率是不同的當偏振片的檢偏方向與大氣偏振方向相垂直時，可以對觀測天區大氣背景有最大的抑制作用；而如果忽略目標輻射的偏振特性，則認為目標輻射的透過率不隨檢偏方向的改變而變化。
3、偏振角度值的獲取本發明的關鍵內容是獲取偏振角度值，只有在偏振角度值被準確獲取之后才能正確地旋轉偏振濾波片到理想的角度，才能獲得最好的背景抑制效果。
偏振角θ值的獲取過程說明假設I0、I60、I120分別是單通道偏振輻射計0度、60度、120度三個方向獲得的光強量值，那么，可根據公式(1)-(3)計算出目標的斯托克斯參量I、Q、UI=23(I0+I60+I120)---(1)]]>Q=23(2I0-I60-I120)---(2)]]>U=23(I60-I120)---(3)]]>再根據公式(4)-(10)計算出正確的θ角度值Q>0andU≥0→θ=12arctg(UQ)---(4)]]>Q<0andU≥0→θ=12arctg(UQ)+90---(5)]]>Q<0andU<0→θ=12arctg(UQ)+90---(6)]]>Q＝0 and U＞0→θ＝45° (7)Q>0andU<0→θ=12arctg(UQ)+180---(8)]]>
Q＝0 and U＜0→θ＝135° (9)Q＝0 and U＝0→/ (10)要實現最大背景抑制只要將濾波偏振片的透光軸方向旋轉到θ+90°即可實現背景偏振濾波。
4、偏振濾波的光學設計一般大口徑天文望遠鏡系統后端面到焦點的距離為200mm左右，因此，本發明在后端面和觀測接口之間的光路中放置有可旋轉的偏振片、波段濾光片、能量衰減片等。在鏡筒的后端安裝有CCD成像裝置，由于鏡筒的位置可以通過螺紋調焦，故能滿足CCD成像清晰的要求。
可以根據需要來選擇偏振鏡及濾光片的光譜范圍，考慮到大氣特性，在665nm波段的觀測效果最佳。由于偏振鏡和濾光片都是平板玻璃，對整個望遠系統的成像質量影響很小，所以基本上不需要進行光學設計優化。
轉接筒外的臺階上安裝有步進電機，通過步進電機轉動，通過主動齒輪和齒輪圈的轉動，帶動偏振片旋轉。同時，為了實時檢測偏振片的位置，糾正偏振片位置誤差，需要安裝精度較高的絕對值光電編碼器，光電編碼器是以數字化信息將角度值以編碼形式輸出，具有精度高，量程大，結構緊湊，安裝方便，工作可靠、多種數字輸出等許多優點。由于編碼器的安裝是與步進電機同軸的，在步進電機與旋轉機構之間的同步帶輪傳動比確定時，通過讀取編碼器的輸出信號就可以知道檢偏片的準確位置。
5、偏振片檢偏方向的調整由于安裝有大氣散射偏振輻射計，其光軸與望遠鏡主光軸平行，視場要求為望遠鏡視場的3倍左右，其功能是實時獲取觀測天區的大氣偏振態數據。
觀測星體時，大氣偏振態數據傳輸到DSP控制單元，其根據定時器或望遠鏡主機工作指令進行模擬量的數字化、數據采集及運算，獲取偏振度和偏振角的偏振態數據，DSP控制單元將測量得到的大氣偏振角方向與偏振片檢偏角相對比，若兩值差距小于容忍精度誤差，則偏振片不動，否則通知步進電機伺服機構旋轉偏振片，使偏振片透光軸與當前大氣偏振角相垂直，從而達到有效抑制大氣散射輻射的干擾，提高星體觀測的信噪比。
在實際的工作環境中，為防止步進電機失步情況的出現，本發明在電機的轉軸上增加了高精度的絕對值光電編碼器，實現濾波偏振片位置的實時檢測，在每次旋轉之后會將實時檢測的位置數據與DSP控制單元程序中記憶的正確位置作出對比，當判斷出已經出現失步情況時，DSP程序就會發出位置糾正信號以及步進電機的合適工作脈沖。
6、計算采用偏振濾波技術改善星體探測信噪比增益的能力計算條件a、大氣偏振度按20％和70％兩種情況計算，b、星體目標的偏振度很小，可以認為是無偏振的。
設WP、WP′為包括偏振片引起的透過率以及目標與背景偏振差異的偏振因子，一般來說，偏振片的透過率約0.3～0.4，它只影響像面上的光功率，而偏振特性的差異將改變星體探測信噪比，所以星體探測信噪比增益為WP/WP′。
式中，Bt-目標輻亮度，Bb-背景輻亮度。
當大氣偏振度為20％時，星體目標偏振因子為WP＝1，大氣背景偏振因子為WP′＝1-0.2＝0.8，則由于偏振帶來星體探測信噪比增益為WP/WP′＝1.25。
當大氣偏振度為70％時，星體目標偏振因子為WP＝1，大氣背景偏振因子為WP′＝1-0.7＝0.3，則由于偏振帶來星體探測信噪比增益為WP/WP′＝3.3。
大氣偏振態的變化受到觀測時的大氣狀況、氣溶膠動力學等諸多因素的影響，要求地基白晝星體偏振濾波觀測的大氣偏振態獲取必須采用實時測量的方式。
本發明還突破了天文觀測的時間局限性，可以大大延長觀測時間，使得地基天文星體觀測能夠在白晝進行。
圖1是本發明工作結構示意圖。
圖2是本發明振濾波裝置結構圖。
圖3是本發明為地基恒星目標偏振濾波觀測與常規強度觀測對比度。
具體實施例方式
天文光學望遠鏡偏振濾波裝置，其特征在于包括有光學部件轉接筒11，轉接筒11安裝在轉接板1上，轉接筒11是由大筒與小筒組成的臺階形狀，小筒內壁套裝有軸承12，軸承12內安裝有一齒圈6，齒圈6內安裝有偏振片2，大筒的臺階部位安裝有步進電機5，大筒內安裝有和步進電機5轉軸同軸的主動齒輪4和編碼器3，主動齒輪4和齒圈6嚙合，小筒后端通過螺紋連接有一鏡筒9，鏡筒9內安裝有濾光片8與衰減片7。鏡筒9后端有接口，接CCD攝像機，鏡筒后端的接口也可以是諸如照相接口、目視接口等。大氣散射偏振輻射計的偏振器透光軸與偏振濾波裝置的偏振器透過光軸選取相同的基準軸。
天文光學望遠鏡偏振濾波方法，其特征在于在和天文光學望遠鏡同光軸安裝有一個單通道偏振輻射計，視場為望遠鏡的2.5-3.5倍，通過單通道偏振輻射計來快速獲取目標信號偏振角方向與偏振度的偏振態數據；在望遠鏡的后端面與觀測接口之間的光路中依次安裝偏振片、衰減片和濾光片，濾光片用于光譜濾波，衰減片用于減弱整體光強以適合白晝天文觀測的要求；將輻射計測得的偏振角方向與偏振片的檢偏角進行對比，旋轉偏振片的位置，使得偏振片的檢偏方向與大氣偏振方向相垂直，從而達到有效抑制大氣散射輻射的干擾，提高星體觀測的信噪比觀測星體時，大氣偏振態數據傳輸到DSP控制單元，其根據定時器或望遠鏡主機工作指令進行模擬量的數字化、數據采集及運算，獲取偏振度和偏振角的偏振態數據，DSP控制單元將測量得到的大氣偏振角方向與偏振片檢偏角相對比，若兩值差距小于容忍精度誤差，則偏振片不動，否則通知步進電機伺服機構旋轉偏振片，使偏振片透光軸與當前大氣偏振角相垂直，從而達到有效抑制大氣散射輻射的干擾，提高星體觀測的信噪比。
在實際的工作環境中，為防止步進電機失步情況的出現，本發明在電機的轉軸上增加了高精度的絕對值光電編碼器，實現濾波偏振片位置的實時檢測，在每次旋轉之后會將實時檢測的位置數據與DSP控制單元程序中記憶的正確位置作出對比，當判斷出已經出現失步情況時，DSP程序就會發出位置糾正信號以及步進電機的合適工作脈沖。
2004年7月23，對飛馬座的α星進行偏振濾波觀測和常規強度觀測對比試驗，圖3為地基恒星目標偏振濾波觀測與常規強度觀測對比度。
目標與背景對比度定義為 式中，Bt目標輻亮度，Bb為背景輻亮度。
權利要求
1.天文光學望遠鏡偏振濾波方法，其特征在于在和天文光學望遠鏡同光軸安裝有一個單通道偏振輻射計，視場為望遠鏡的三倍左右，通過單通道偏振輻射計來快速獲取目標信號偏振角方向與偏振度的偏振態數據；在望遠鏡的后端面與觀測接口之間的光路中依次安裝偏振片、衰減片和濾光片，濾光片用于光譜濾波，衰減片用于減弱整體光強以適合白晝天文觀測的要求；將輻射計測得的偏振角方向與偏振片的檢偏角進行對比，旋轉偏振片的位置，使得偏振片的檢偏方向與大氣偏振方向相垂直，從而達到有效抑制大氣散射輻射的干擾，提高星體觀測的信噪比。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的單通道偏振輻射計視場為望遠鏡的2.5-3.5倍。
3.天文光學望遠鏡偏振濾波裝置，其特征在于包括有光學部件轉接筒，轉接筒是由大筒與小筒組成的臺階形狀，小筒內壁套裝有軸承，軸承內安裝有一齒圈，齒輪圈內安裝有偏振片，大筒的臺階部位安裝有步進電機，大筒內安裝有和步進電機轉軸同軸的主動齒輪和編碼器，主動齒輪和齒輪圈嚙合，小筒后端通過螺紋連接有一鏡筒，鏡筒內安裝有濾光片與衰減片。
全文摘要
本發明是一種天文光學望遠鏡偏振濾波方法與裝置，將大氣散射偏振輻射測量計安裝于主望遠鏡鏡身上，通過單通道偏振輻射計來快速獲取目標信號偏振角方向與偏振度的偏振態數據；將輻射計測得的偏振角方向與偏振片的檢偏角進行對比，旋轉偏振片的位置，使得偏振片的檢偏方向與大氣偏振方向相垂直，從而達到有效抑制大氣散射輻射的干擾，提高星體觀測的信噪比。提高白晝地基天文星體觀測的效果，延長白晝地基天文星體觀測的時間，還能增加白晝天文觀測的數據，促進天文研究的進步，在地基天文觀測中有較廣闊的應用前景。
文檔編號G01J4/00GK1825159SQ20061003793
公開日2006年8月30日 申請日期2006年1月20日 優先權日2006年1月20日
發明者孫曉兵, 洪津, 駱冬根, 楊偉鋒, 荀毓龍, 喬延利, 葉松 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所