长曝光与短曝光.doc

长曝光与短曝光11S011037邬佳杰摘要:本文主要研究光在湍流大气的传播问题,采用傅里叶变换法求出了在此情况下的长曝光传递函数,给出了大气湍流在谱假设下成像系统长曝光传递函数的理论值,同时还给出了短曝光的光传递函数,基于空间目标为点目标的假设,提出了一种湍流大气成像系统长曝光和短曝光传递函数的测量方法。关键词:长曝光、短曝光、函数、大气湍流。流体的运动主要分为层流和湍流,层流属于规则运动,湍流则属于不规则运动。大气湍流是大气中一种不规则的随机运动,湍流每一点上的压强、速度、温度等物理特性等随机涨落。大气湍流最常发生的3个区域是:大气底层的边界层内,对流云的云体内部,大气对流层上部的西风急流区内。大气湍流运动中伴随着能量、动量、物质的传递和交换,传递速度远远大于层流,因此湍流中的扩散、剪切应力和能量传递也大得多。大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件:其动力学条件是空气层中具有明显的风速切变;热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度,其中最有利的条件是上层空气温度低于下层的对流条件,在风速切变较强时,上层气温略高于下层,仍可能存在较弱的大气湍流。理论研究认为,大气湍流运动是由各种尺度的涡旋连续分布叠加而成。光学传递函数()一直是评价成像器件或系统成像质量的主要手段,下面会对两种曝光过程的传递函数进行论述。一、长曝光1基本概念所谓长曝光,就是在天文成像中,往往需要几秒、几分,甚至几小时对相应的物体进行成像,长时间曝光对大气涨落效应起平均的作用。长曝光成象的光学传递函数()频带较窄,是窄带平滑函数,有利于微光照相记录。长曝光大气光学传递函数是在一些非常严格的假设条件下进行的:即,忽略了光束的几何弯曲和衍射效应,仅仅考虑最小的湍流旋涡引起折射率涨落而使通过它的光束产生一个延迟。更全面地讨论非均匀媒质对在其中传播的波的影响。惊讶的发现一般理论的结果与前面用简单分析方法所得结果相同。2长曝光的光学传递函数根据傅里叶变换的性质,在傅里叶空间频率中可求得空间频率分布。假定光学系统的光学传递函数是圆对称的,则大气长曝光的光学传递函数为:式中,为焦距;是无大气时系统的光学传递函数,对于无像差系统,为其中,为无像差系统的通光孔径公式,的单位为每弧度的周数。通过以上方程可以得到大气长曝光的光学传递函数为二、短曝光1基本概念由于长时间平均的方式下收集一个像所需的曝光时间很难精确规定。第一个困难是所要求的积分时间与像收集过程中所呈现的大气状态有关。困难之二是所需时间和涉及的具体空间频率有关。因此,我们采用“冻结瑞流”假设(即Taylor假设),即像质的变坏是由于不变的折射率扰动图样在局部风力条件的作用下漂移过成像路径而引起的。所以在实际过程中,,进行成像。短曝光成象的点扩散函数PSF是一锯齿状的带宽更窄的函数,光强起伏大,相应的光学传递函数OTF的振幅和相位随空间频率有明显的涨落,空间频率范围宽,图像分辨率高。图1长曝光与短