一種對大氣湍流高度和角度非等暈波前誤差同步測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)信息測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對大氣湍流高度非等暈和角度非等 暈波前誤差同步測量的裝置及方法，其具體為基于雙大視場哈特曼傳感器的大氣湍流高度 非等暈和角度非等暈波前誤差同步測量的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于太陽輻射等因素引發(fā)的大氣湍流造成大氣折射率的隨機起伏，影響著地基天 文望遠鏡的光學(xué)系統(tǒng)性能。自適應(yīng)光學(xué)可以對目標(biāo)光波前進行對應(yīng)的校正。但是，用于實時 校正大氣湍流的天文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通常需要一顆或多顆足夠量的信標(biāo)用于進行實時的 波前探測。信標(biāo)可以利用自然星，即目標(biāo)本身或其附近的量星，稱自然信標(biāo);也可以利用激 光人造激發(fā)產(chǎn)生，稱人造信標(biāo)。產(chǎn)生人造信標(biāo)的方法有兩種:一種是利用大氣層中的氣體分 子，利用激光激發(fā)使其產(chǎn)生瑞利散射，稱瑞利信標(biāo)，受大氣中氣體分布的限制，其高度一般 不會超過30km;另一種是利用大氣中間層的鈉原子，利用鈉黃光激發(fā)使其產(chǎn)生共振散射，稱 鈉信標(biāo)，其高度即鈉層的高度一般在90-120km之間。
[0003] 然而，在信標(biāo)實際的使用過程中，由于信標(biāo)與被觀測目標(biāo)之間高度及角間距的差 異，因而信標(biāo)光到達望遠鏡表面和目標(biāo)光到達望遠鏡表面在大氣中經(jīng)過的路徑也不盡相 同，由此造成的利用信標(biāo)光探測到的波前擾動與實際被觀測目標(biāo)的波前擾動之間差異，稱 為非等暈波前誤差。非等暈波前誤差分兩種，一種是由于信標(biāo)與被觀測目標(biāo)之間不同高度 所造成，稱高度非等暈(或聚焦非等暈)波前誤差；另一種時由于信標(biāo)與被觀測目標(biāo)之間的 角間距造成，稱角度非等暈波前誤差。通常，在利用人造信標(biāo)進行探測時，由于其有限高度 和使用中與被觀測目標(biāo)的角間距，其非等暈誤差是由高度非等暈誤差和角度非等暈誤差共 同構(gòu)成。分別了解和掌握利用人造信標(biāo)探測中高度非等暈誤差和角度非等暈誤差，對于天 文自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化設(shè)計十分重要。
[0004] 目前，對信標(biāo)探測非等暈誤差的理論分析主要有兩種方法，一種是利用梅林變換， 結(jié)合橫向光譜濾波方法進行解析分析，另一種是利用搭建大氣相位屏進行數(shù)值求解。然而， 理論分析簡歷在一定的大氣環(huán)境條件基礎(chǔ)上，所利用的大氣模型、計算方法、邊界條件等都 會影響其與實際結(jié)果之間的準(zhǔn)確性。對信標(biāo)波前探測非等暈誤差的實驗測量上，目前僅有 對集合了高度非等暈誤差和角度非等暈誤差的綜合測量，暫未見將高度非等暈誤差和角度 非等暈誤差區(qū)分出并進行同步測量的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，結(jié)合人造信標(biāo)技術(shù)，提供了一種對 大氣湍流高度和角度非等暈波前誤差同步測量的裝置及方法，該方法適用與對高度非等暈 誤差、角度非等暈誤差、以及結(jié)合高度非等暈誤差和角度非等暈誤差的綜合非等暈誤差的 同步測量，并給出高度非等暈誤差和角度非等暈誤差兩者對綜合非等暈誤差的影響及兩者 之間相關(guān)性。同時，結(jié)合波前探測中傾斜信號對傾斜鏡進行控制，減小利用人造信標(biāo)不能探 測到的低階波前相差的影響，進一步減小了實驗中的測量誤差。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種對大氣湍流高度和角度非 等暈波前誤差同步測量裝置，包括望遠鏡（1)、縮束模塊(2)、高速傾斜鏡(3)、分光鏡(4)、低 階哈特曼傳感器模塊(5);其特征在于:還包括高階大視場雙哈特曼傳感器模塊(6)，所述高 階大視場雙哈特曼傳感器模塊(6)由兩路獨立的第一高階大視場哈特曼傳感器(7)和第而 高階大視場哈特曼傳感器(8)，以及第二分光鏡(27)和反射鏡(28)組成;其中，第一高階大 視場哈特曼傳感器(7)由第一濾光片（15)、第一匹配透鏡組（16)、第一空間光闌（17)、第一 高階微透鏡陣列組（18)、第一 CCD相機（19)、第一數(shù)據(jù)采集計算機(20)組成;第二高階大視 場哈特曼傳感器(8)由第二濾光片（21)、第二匹配透鏡組(22)、第二空間光闌（23)、第二高 階微透鏡陣列組(24)、第二CCD相機(25)、第一數(shù)據(jù)采集計算機(26)組成;第二分光鏡(27) 將由自然信標(biāo)A和自然信標(biāo)B組成的雙星系統(tǒng)回光反射進入第一高階大視場哈特曼傳感器 (7) ，經(jīng)過第一濾光片（15)濾除人造信標(biāo)信號，并由第一匹配透鏡組（16)縮束至合適口徑， 由第一空間光闌（17)濾除其他空間光影響，經(jīng)過第一高階微透鏡陣列組（18)后得到光斑子 陣列圖像由第一 CCD相機（19)接收并由第一數(shù)據(jù)采集計算機(20)采集;第二分光鏡(27)將 人造信標(biāo)回光透射并經(jīng)反射鏡(28)反射進入第二高階大視場哈特曼傳感器(8)，經(jīng)過第二 濾光片（21)濾除雙星系統(tǒng)信號，并由第二匹配透鏡組（22)縮束至合適口徑，由第二空間光 闌（23)濾除其他空間光影響，經(jīng)過第二高階微透鏡陣列組(24)后得到光斑子陣列圖像由第 二CCD相機(25)接收并由第二數(shù)據(jù)采集計算機(26)采集;兩路CCD相機（19、25)由信號發(fā)生 器(9)進行同步觸發(fā)，并分別通過各自的數(shù)據(jù)采集計算機(20、26)記錄圖像數(shù)據(jù)。
[0007] 所述的一種對大氣湍流高度和角度非等暈波前誤差同步測量裝置，其特征在于： 所述低階哈特曼傳感器模塊(5)由匹配透鏡組（11)、低階微透鏡陣列組（12)、CCD相機（13)、 波前處理計算機（14)組成，經(jīng)第一分光鏡(4)透射的雙星系統(tǒng)回光由低階匹配透鏡組（11) 縮束至合適口徑，經(jīng)低階微透鏡陣列組（12)成像后獲得的成像光斑子陣列圖像由低階CCD 相機(13)采集，通過波前處理計算機(14)經(jīng)波前復(fù)原計算后提取傾斜分量用以控制高速傾 斜鏡(3)。
[0008] -種對大氣湍流高度和角度非等暈波前誤差同步測量方法，其特點是：需按下面 具體步驟實現(xiàn)對大氣湍流高度非等暈和角度非等暈波前誤差同步測量：
[0009] (a)選取角間距在10角秒以內(nèi)的雙星系統(tǒng)，該雙星系統(tǒng)由自然信標(biāo)A和自然信標(biāo)B 組成，調(diào)節(jié)望遠鏡（1)光軸至雙星系統(tǒng)的中心位置，調(diào)節(jié)人造信標(biāo)激光發(fā)射望遠鏡（10)光軸 使得人造信標(biāo)指向雙星系統(tǒng)中的自然信標(biāo)A位置；
[0010] (b)望遠鏡（1)接收由自然信標(biāo)A和自然信標(biāo)B組成的雙星系統(tǒng)和人造信標(biāo)的回光， 經(jīng)縮束模塊(2)后由高速傾斜鏡(3)反射到第一分光鏡(4)上，一部分能量的回光透射進入 低階哈特曼傳感器模塊(5)，另一部分能量的回光反射進入高階大視場雙哈特曼傳感器模 塊(6);
[0011] (C)透射進入低階哈特曼傳感器模塊（5)的回光由低階匹配透鏡組（11)縮束至合 適口徑，經(jīng)低階微透鏡陣列組（12)成像后獲得的成像光斑子陣列圖像由低階CCD相機（13) 采集，通過波前處理計算機（14)采集，將所采集雙星系統(tǒng)的成像子光斑陣列圖像中提取出 自然信標(biāo)A的子光斑陣列圖像，并通過波前復(fù)原算法計算得到的波前擾動的傾斜分量，用該 傾斜分量控制尚速傾斜鏡(3)，以提尚系統(tǒng)穩(wěn)定性及減小后端測量誤差；
[0012] (d)進入高階大視場雙哈特曼模塊(6)的回光經(jīng)第二分光鏡(27)反射后將由自然 信標(biāo)A和自然信標(biāo)B組成的雙星系統(tǒng)回光反射進入第一高階大視場哈特曼傳感器(7)，經(jīng)過 第一濾光片（15)濾除人造信標(biāo)信號，并由第一匹配透鏡組（16)縮束至合適口徑，由第一空 間光闌（17)濾除其他空間光影響，經(jīng)過第一高階微透鏡陣列組（18)后得到光斑子陣列圖像 由第一 CCD相機（19)接收并由第一數(shù)據(jù)采集計算機(20)采集;經(jīng)第二分光鏡(27)透射后將 人造信標(biāo)回光透射并經(jīng)反射鏡(28)反射進入第二高階大視場哈特曼傳感器(8)，經(jīng)過第二 濾光片（21)濾除雙星系統(tǒng)信號，并由第二匹配透鏡組（22)縮束至合適口徑，由第二空間光 闌（23)濾除其他空間光影響，經(jīng)過第二高階微透鏡陣列組(24)后得到光斑子陣列圖像由第 二CCD相機(25)接收并由第二數(shù)據(jù)采集計算機(26)采集;兩路CCD相機（19、25)由信號發(fā)生 器(9)進行同步觸發(fā)，并分別通過各自的數(shù)據(jù)采集計算機(20、26)記錄圖像數(shù)據(jù)。
[0013] (e)所采集到的雙星系統(tǒng)的子光斑陣列圖像經(jīng)過提取后分別得到自然信標(biāo)A與自 然信標(biāo)B的子光斑陣列圖像;通過波前復(fù)原算法分別對自然信標(biāo)A、自然信標(biāo)B和人造信標(biāo)三 者的子光斑陣列圖像進行復(fù)原計算，得到該三者的復(fù)原波前結(jié)果及各階Zernike系數(shù)，比較 自