1.2m望远镜自适应光学系统中激光导引星聚焦非等晕性

分析了云南天文台1．2m望远镜61单元自适应光学系统上如果配置激光导引星，由信标上方以及信标下方采样不完整性造成的聚焦非等晕性误差大小。为了减小聚焦非等晕性误差，可以采用投射多重信标方法。同时讨论了多重信标方法造成的信标位置测量误差和圆锥倾斜误差两种额外误差，理论分析并数值模拟了当投射2～5颗钠导星和瑞利导星时其误差大小。结果表明：随着导星高度以及导星数的增加，该方法可以有效地减小聚焦非等晕性误差，对于钠导星其误差小于1rad^2。

基于同步探测的脉冲钠导星聚焦非等晕性实验研究

本文提出在大气Greenwood时间常数内采用同步探测技术实现钠导星聚焦非等晕性测量,开展了脉冲体制钠导星探测实验,实现了对大气平流层顶端钠导星和同路径自然星可见光波段的哈特曼点阵的同步探测,并获得钠导星回光单帧波面,从波面一致性对比、Zernike系数比较、模拟成像校正等方面对实验结果进行较全面分析.实验结果表明,在当前实验条件下,虽然脉冲钠导星的单帧哈特曼点阵的成像对比度较低,制约了波面恢复精度,但同步测量的两组波面始终能保持相似性,其Zernike系数在前36阶一致性较好,模拟结果表明钠导星探测波面有助于实现对自然星成像的有效校正,扣除波面恢复误差后的聚焦非等晕性方差小于0.1rad2,十分接近理论结果.

时域分析自适应光学中的非等晕性

本文利用时域分析方法讨论了自适应光学中的非等晕性以及相位梯度法克服非等晕性的适用性,并将位相补偿和位相梯度法补偿情况下的剩余位相结构函数和Strehl比的一般表达式,统一用传递函数H(f)来描述。该关系式不仅可分析非等晕性,同时可讨论大气平均风场和系统响应带宽对自适应光学系统补偿效率的影响。

人造信标自适应光学系统中的非等晕性

推导了人造信标自适应光学系统对激光大气传输湍流效应进行位相补偿时信标光与主激光间的剩余位相结构函数，讨论了人造信标自适应光学系统中的非等晕性—聚焦非等晕性。

瑞利信标非等晕性误差测量试验研究

人造信标为自适应光学大气湍流校正提供信标光源，在天文望远镜、激光传输领域可发挥重要作用，但也存在着一些无法克服的局限性，非等晕性误差就是其一。世界各国对非等晕性误差开展了大量的理论研究工作，但鲜有实际测量试验的公开报道。提出了非等晕性误差的测量方法，详细介绍了自主研发的人造信标非等晕性误差测量系统，采用两路高灵敏度EMCCD构成哈特曼波前传感器同时测量瑞利信标回光波前与自然星回光波前，分别开展了8—18km高度瑞利信标聚焦非等晕性误差测量试验、12km信标高度0～100μrad偏角瑞利信标非等晕性误差测量试验，并获取了较为准确的测试结果。

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.

宽视场望远镜大气非等晕性的数值分析

为了减少非等晕性对望远成像系统性能的影响,扩大系统的有效视场,对宽视场望远成像系统的非等晕性进行了研究。首先采用多层相位屏法实现了非等晕成像的数值模拟,然后利用数值模拟系统计算了典型大气条件下(大气相干长度r0=0.1m)轴中心点与偏离轴θ角度目标点两者间的畸变波前均方差值,分析了系统口径D分别为1m、2m和4m对应畸变波前均方差值随偏离角度θ的变化情况。分析结果表明,畸变波前有倾斜项时,系统口径D越大,畸变波前均方差值随角度θ的增加上升得越慢,非等晕性的影响越小;去掉倾斜畸变时,系统口径D越大,畸变波前均方差值随角度θ的增加上升得越快,非等晕性的影响越严重。倾斜非等晕性随系统口径的增加而减少,对大口径的望远成像系统(D≥5m)主要考虑高阶波前畸变对成像的影响。

自适应光学中的非等晕性

本文讨论了自适应光学中非等晕域对补偿效果的影响,提出了一种减小非等晕性误差的新方法—位相梯度法。分析结果表明,该方法可显著增大有效校正的角范围,使非等晕性误差的影响大大减小。我们预期位相梯度法有望解决自适应光学中信标的非等晕性问题。

研究自适应光学非等晕性的统一方法

利用横向谱滤波方法,给出研究自适应光学非等晕性的一般关系式。在特殊场合,对这些一般关系式进行解析求解,获得与经典理论一致的结果。进一步定义了与自适应光学系统非等晕性有关的一些特征量。在一般应用场合,这些一般关系式只能求得数值解。以激光测月自适应光学系统为例,说明了所述一般关系式在研究自适应光学非等晕性问题方面的应用。

激光导引星大气湍流波前非等晕性误差的像差模式分解

激光导引星概念解决了自适应光学技术的信标问题 ,同时带来了无法克服的非等晕性误差。将高度聚焦非等晕性误差和角度非等晕性误差统一起来考虑 ,分析激光导引星的大气湍流波前各阶模式的非等晕性误差 ,并给出了解析模型。同时分析了瑞利导星和钠导星的大气湍流波前的模式非等晕性相对误差 ,在没有角度偏离的情况下 ,90km的钠导星的模式非等晕性误差明显小于 15km的瑞利导星 ,但是它对角度的敏感程度却远远大于瑞利导星。采用激光导引星的自适应光学系统用于大气湍流的校正 ,选择较低阶的模式校正就可以达到较好的效果 ,而且即使目标与导引星的偏角大于等晕角 。

激光导引星倾斜探测的非等晕性

传统的激光导引星(LGS)由于激光发射与接收光路的限制,导致难以利用激光导引星来探测大气倾斜量变化。其中重要的一个解决方案就是利用辅助望远镜,从侧面对激光导引星进行探测,从观测到的激光导引星带状拖影中提取出大气倾斜信息。随着激光带拖影长度的增加,必然导致其出现非等晕现象。给出了激光导引星带状拖影上两球面波之间的Zernike多项式展开系数角度相关函数。从相关性的角度分析了导引星高度、大气湍流强度以及接收望远镜口径对激光导引星带状拖影的非等晕性的影响。此外,基于激光导引星倾斜探测方案的非等晕限制,给出了Na层激光导引星倾斜量探测方案中的辅助望远镜视场限制。

自适应光学系统的几何非等晕性

利用横向谱滤波方法给出了研究自适应光学几何非等晕性的一般关系式。在特殊场合,对这些一般关系式进行解析求解,可获得与经典理论一致的结果;一般情况下,则只能求得数值解。以离焦分量也由自然信标子系统校正的特殊激光导星自适应光学系统为例,说明了所述一般关系式在研究自适应光学几何非等晕性方面的应用。

获取非等晕幸运短曝光图像的概率研究

通过湍流大气进行短曝光成像,存在一定的概率能够获得接近系统衍射极限分辨率的图像,瞬间的波前畸变可以忽略不计。通过设计不同望远镜口径的短曝光成像观测实验,应用基于灰度梯度统计的像质评价函数对序列短曝光图像进行了像质评价,并运用归一化处理来研究非等晕条件下获取幸运短曝光图像的概率。处理结果验证了"幸运图像"的获取概率随着口径的增加而逐渐下降,与Fried得出的概率公式中概率随着口径和大气相干长度的比值的增大而呈指数级下降的模式基本吻合,且通过图像分块的进一步分析表明,在非等晕条件下获得"幸运区域"的概率比等晕条件下获得"幸运图像"的概率大。

稳态热晕非等晕效应的数值分析

运用高斯光束展开的方法,分析圆对称平顶光束在大气传输中的热晕及其非等晕效应。通过对热晕及非等晕效应引起的波前畸变作泽尼克多项式展开,得到了各阶泽尼克系数,进而求得热晕校正残差,数值计算得到的热晕拟合校正残差与现有理论公式得到的结果基本一致。对非等晕效应的数值模拟结果表明:在热畸变参数较小,且给定口径尺寸的情况下,热晕角度非等晕校正残差与非等晕角θ的平方成正比,热晕聚焦非等晕校正残差与信标高度的1.71次幂成反比。

利用变形反射镜和激光导星扩大校正视场

为了扩大自适应光学(AO)系统的校正视场,在主要湍流层的共轭面上设置两个变形反射镜(DM),即采用分层共轭自适应光学(MCAO)的方法。主湍流层的共轭面位置设置两个变形反射镜和激光导星可以将湍流层上不同高度位置产生的波前畸变进行分离,并使焦距非等晕性几乎完全消除。在自适应光学系统中,角度的非等晕性产生的波前误差主要取决于校正的模式数、大气介质折射率结构常数(Cn2)的分布和系统的几何尺寸。结果表明:对于孔径为3.5m的望远镜,利用两个变形反射镜能够达到3弧分的校正视场。

分层共轭自适应光学系统扩大校正视场的方法研究

为了扩大自适应光学(AO)系统的校正视场,本文分析了在主要湍流层的共轭面上设置多个变形反射镜(DM),即采用分层共轭自适应光学(MCAO)的方法。在自适应光学系统中,角度的非等晕性产生的波前误差主要取决于校正的模式数、大气介质折射率结构常数(C2n)的分布和系统的几何尺寸。文中阐述了一种基于泽尼克多项式空间校正函数的非等晕性计算方法,并进一步给出了在多激光导星(LGS)配合下,用一个夏克-哈特曼(SH)曲率传感器测量两个湍流层强度起伏的算法。结果表明,对于孔径为3.5m的望远镜,利用两个变形反射镜能够达到3弧分的校正视场。

离轴点信标非等晕误差的数值模拟

采用数值模拟的方法分析了不同离轴角距离、不同大气湍流强度及激光出光口径下,信标的纯角度非等晕误差对激光发射自适应光学系统(AO)校正效果的影响。同时针对离轴点信标,提出了一种去除整体倾斜的准直方法。数值模拟结果表明,在其他条件不变的情况下,信标离轴角距离越大,口径越大湍流强度越强,点信标离轴引起的纯角度非等晕误差越大,但较(θ/θ0)5/3偏小,与理论分析符合较好。通过数据拟合得出,当出光口径一定时,纯角度非等晕误差仅与θ/θ0有关。给出了纯角度非等晕误差与θ/θ0的定量关系,为快速评价角度非等晕误差提供了模型支持。

自适应光学

O43 94032315时域分析自适应光学中的非等晕性=Anisopla-natism in adaptive optics:evaluation in timedomain[刊,中]/王英俭(中科院安微光机所)∥强激光与粒子束.—1993,5(4).—551～556利用时域分析方法讨论了自适应光学中的非等晕性以及相位梯度法克服非等晕性的适用性。

其他应用

TN249//G306 2003053531我国激光技术领域成果专利保护亟待加强=On thepatent protection for laser technical achievements in ourcountry[刊,中]/杨哲(国家知识产权局专利局物理发明审查部.北京(100088))//中国激光.-2003,30(2).-189-192简述了激光技术发展的现状,详细介绍了国内外激光技术领域专利申请的状况,提出了我国激光技术成果专利保护方面的对策。表6参4(李瑞琴)

月球激光测距自适应光学系统回波统计分析

以强度起伏Gamma-Gamma分布模型为基础,研究月球激光测距自适应光学系统的回波统计性质。建立了包含整个测距光束传播过程的光场强度或回波光子数涨落的完全统计描述即概率密度函数的具体表达式。以此为基础,计算了一般条件和场景下激光测月的回波光子数平均值、起伏方差、概率密度函数、累积概率函数等一系列统计量,从而获得系统性能改善的基本的定量估计。