人造鈉信標(biāo)角度非等暈性實(shí)驗(yàn)研究

人造鈉信標(biāo)角度非等暈性實(shí)驗(yàn)研究

1非等暈性因素為了實(shí)時(shí)校正氣候水流導(dǎo)致的隨機(jī)、隨機(jī)波前畸形的自適應(yīng)光學(xué)，通常需要足夠的史料來(lái)提供由氣候水流引起的波前畸形信息，即信標(biāo)。然而，在實(shí)踐中，附近亮星的數(shù)量有限，嚴(yán)重限制了實(shí)際科學(xué)目標(biāo)附近光的天空覆蓋率。激光誘導(dǎo)星（lasemiuslase）是克服上述限制的有效技術(shù)方法，解決了自身光學(xué)在應(yīng)對(duì)低科學(xué)目標(biāo)中對(duì)光的響應(yīng)問題的辦公廳信息。理想情況下,人們總是希望信標(biāo)能夠提供與科學(xué)目標(biāo)光路盡可能完全相同的大氣湍流信息,以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)光路波前畸變像差的完全校正.然而,實(shí)際中產(chǎn)生人造信標(biāo)的高度有限,且可能與科學(xué)目標(biāo)之間存在空間角度偏離,必然帶來(lái)人造信標(biāo)回光探測(cè)光路與科學(xué)目標(biāo)光路之間經(jīng)歷大氣湍流波前畸變像差的差異(即非等暈誤差),進(jìn)而對(duì)自適應(yīng)光學(xué)的校正效果產(chǎn)生影響.人造信標(biāo)工作體制下的非等暈誤差主要包括兩類:一是人造信標(biāo)回光探測(cè)光路與科學(xué)目標(biāo)校正光路之間僅存在由空間高度差異所致的聚焦非等暈誤差;二是人造信標(biāo)回光探測(cè)光路與科學(xué)目標(biāo)光路之間存在由空間角度差異所致的(角度+聚焦)綜合非等暈誤差.目前,針對(duì)人造信標(biāo)非等暈問題的理論研究,以基于空間橫向譜濾波方法的解析推導(dǎo)基于本課題組前期對(duì)信標(biāo)非等暈問題的數(shù)值建模與仿真分析為了實(shí)際驗(yàn)證較大角度偏移(θ≈50μrad)條件下人造鈉信標(biāo)探測(cè)光路與科學(xué)目標(biāo)光路之間經(jīng)歷大氣湍流波前畸變模式的相關(guān)特性及其對(duì)自適應(yīng)光學(xué)的影響,本文開展了基于時(shí)序同步探測(cè)的實(shí)際大氣鈉信標(biāo)角度非等暈性實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究:在米級(jí)望遠(yuǎn)鏡(有效接收口徑Φ=1m)上,利用單個(gè)哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然星回光點(diǎn)陣以及50μrad角度偏移鈉信標(biāo)回光點(diǎn)陣的同步測(cè)量,分析了自然星、鈉信標(biāo)探測(cè)大氣湍流波前各階Zernike模式的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性,討論了50μrad角度偏移影響下鈉信標(biāo)探測(cè)大氣湍流波前的各階Zernike模式相對(duì)非等暈誤差統(tǒng)計(jì)特性,研究了所述非等暈誤差對(duì)目標(biāo)光路成像質(zhì)量的影響,最后依據(jù)實(shí)驗(yàn)大氣條件對(duì)所述非等暈誤差測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.2鈉信標(biāo)有限采樣高度下的聚焦非等暈方差理論上,基于空間橫向譜濾波方法式中,平移項(xiàng)非等暈方差σ由圖2可以看到:當(dāng)角度偏移θ=0時(shí),僅存在由于鈉信標(biāo)有限采樣高度所致聚焦非等暈效應(yīng),有效綜合非等暈方差演化為聚焦非等暈方差;對(duì)于Φ=1m有效接收口徑,伴隨鈉信標(biāo)角度偏移θ的增大,其角度非等暈影響相對(duì)聚焦非等暈影響將占據(jù)主導(dǎo)作用,導(dǎo)致鈉信標(biāo)有效綜合非等暈方差的迅速增大;對(duì)應(yīng)等暈角θ3哈特曼波前傳感器人造鈉信標(biāo)角度非等暈性同步測(cè)量原理如圖3所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)主要由望遠(yuǎn)鏡、鈉信標(biāo)激光器、信標(biāo)激光發(fā)射控制傾斜鏡、時(shí)序同步控制模塊、哈特曼波前傳感器及其配套波前處理機(jī)等組成.該實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)中的哈特曼波前傳感器由光學(xué)變倍系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤式機(jī)械快門裝置、陣列微透鏡、光學(xué)匹配系統(tǒng)、電子倍增型電荷耦合器件(electronmultiplyingchargecoupleddevice,EMCCD)探測(cè)器組成,如圖4所示.其中,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)自然星回光點(diǎn)陣與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)回光點(diǎn)陣的同步測(cè)量,我們?cè)O(shè)計(jì)哈特曼波前傳感器的子孔徑視場(chǎng)為21.9arcsec;轉(zhuǎn)盤式機(jī)械快門作為實(shí)現(xiàn)對(duì)特定高度范圍人造信標(biāo)散射回光進(jìn)行精確位置選通、且對(duì)近程雜光進(jìn)行有效抑制的技術(shù)手段大氣中間鈉層中心高度約90km,厚度可達(dá)15—20km在每個(gè)周期內(nèi),自單脈沖信標(biāo)激光出光時(shí)刻至脈沖前沿對(duì)應(yīng)選通起始高度共振信標(biāo)回光進(jìn)入哈特曼傳感器時(shí)刻(即單脈沖信標(biāo)激光出光之后的2×H×cscE/c時(shí)間段),機(jī)械快門控制哈特曼波前傳感器接收光路處于關(guān)門狀態(tài),即近程雜光抑制時(shí)間段;隨即機(jī)械快門開門,其控制哈特曼波前傳感器接收光路的開門時(shí)間段為自脈沖前沿對(duì)應(yīng)選通起始高度共振信標(biāo)回光進(jìn)入哈特曼傳感器時(shí)刻至脈沖后沿對(duì)應(yīng)選通終止高度共振信標(biāo)回光進(jìn)入哈特曼傳感器時(shí)刻(即脈沖前沿對(duì)應(yīng)選通起始高度共振信標(biāo)回光進(jìn)入哈特曼傳感器開始采集之后的2×?H×cscE/c+?t4結(jié)果與分析結(jié)合圖3所示的測(cè)量原理與測(cè)量系統(tǒng),開展了多發(fā)次的同步探測(cè)鈉信標(biāo)角度非等暈性實(shí)驗(yàn)測(cè)量.實(shí)驗(yàn)中,望遠(yuǎn)鏡對(duì)某方位、仰角754.1zern東南角波前預(yù)處理圖6(a)為實(shí)驗(yàn)中同步采集得到某同一時(shí)刻自然星目標(biāo)回光以及50μrad角度偏移鈉信標(biāo)回光的哈特曼點(diǎn)陣典型單幀圖像.其中,自然星目標(biāo)回光點(diǎn)陣位于哈特曼各子孔徑的視場(chǎng)中心附近,而50μrad角度偏移鈉信標(biāo)回光點(diǎn)陣則位于哈特曼各子孔徑的視場(chǎng)右下方.事后,通過對(duì)哈特曼單幀圖像各子孔徑內(nèi)雙目標(biāo)分別提取質(zhì)心的方式,如圖6(b)所示自然星回光點(diǎn)陣質(zhì)心“+”與鈉信標(biāo)回光點(diǎn)陣質(zhì)心“×”,以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻自然星目標(biāo)回光點(diǎn)陣以及50μrad角度偏移鈉信標(biāo)回光點(diǎn)陣的逐幀斜率計(jì)算與波前復(fù)原.采用Zernike模式波前復(fù)原算法對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取不同時(shí)間段的3組(編號(hào)1#—3#)哈特曼圖像序列分別進(jìn)行自然星回光點(diǎn)陣與鈉信標(biāo)回光點(diǎn)陣的波前復(fù)原,便可得對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)的二維波前序列;將對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的自然星復(fù)原波前φ通過對(duì)實(shí)驗(yàn)復(fù)原同一時(shí)刻自然星波前φ完成對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)二維波前序列的相關(guān)性分析,典型結(jié)果如圖8所示.這里,COV(φ由圖7和圖8可以看到:不同時(shí)間段的實(shí)驗(yàn)復(fù)原波前序列呈現(xiàn)出一個(gè)共同特征,就是同一時(shí)刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)的波前相關(guān)性隨時(shí)間演化呈現(xiàn)出較大起伏,某些時(shí)刻自然星與鈉信標(biāo)波前分布呈現(xiàn)較好的相關(guān)性,而某些時(shí)刻自然星與鈉信標(biāo)波前分布的相關(guān)性則較差,這一點(diǎn)與無(wú)角度偏移同軸信標(biāo)的純聚焦非等暈效應(yīng)不同,也符合實(shí)際大氣湍流隨機(jī)變化的特征.提取上述實(shí)驗(yàn)獲取不同時(shí)間段的3組復(fù)原波前序列(編號(hào)1#—3#),利用自然星復(fù)原波前減去對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的鈉信標(biāo)復(fù)原波前,即得對(duì)應(yīng)不同時(shí)間段的50μrad角度偏移鈉信標(biāo)的非等暈波前誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果,列于表1,其中λ表示0.589μm波段的波長(zhǎng).從表1中3組實(shí)驗(yàn)復(fù)原的自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)波前序列的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到:采集時(shí)間段的大氣條件在逐漸變好,對(duì)應(yīng)采集時(shí)間段的大氣湍流自然星波前RMS=0.53λ-0.49λ,而(自然星-鈉信標(biāo))的非等暈性波前誤差RMS=0.46λ-0.37λ,均略小于對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)號(hào)的大氣湍流自然星波前RMS,說明自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)波前的部分Zernike模式之間存在主導(dǎo)相關(guān)性,這也是第4.2節(jié)要討論的內(nèi)容.4.2自然星與鈉信標(biāo)波前zern東南角zern東南角的相關(guān)性分析通過對(duì)實(shí)驗(yàn)復(fù)原同一時(shí)刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)的波前序列對(duì)應(yīng)Zernike模式的相關(guān)運(yùn)算便可考察各采樣時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)復(fù)原波前對(duì)應(yīng)各階Zernike模式的相關(guān)性.其中,a3組實(shí)驗(yàn)復(fù)原的自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標(biāo)波前序列對(duì)應(yīng)各階Zernike模式的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示,隨著Zernike模式階數(shù)的增長(zhǎng),自然星與鈉信標(biāo)波前對(duì)應(yīng)模式的相關(guān)性總體呈現(xiàn)出振蕩下降趨勢(shì),即對(duì)應(yīng)低階模式的相關(guān)性好(如第j=3—9階Zernike模式的相關(guān)系數(shù)r4.3鈉信標(biāo)與自然星波前模式對(duì)比通過對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取同一時(shí)刻(自然星-鈉信標(biāo))非等暈誤差波前序列以及自然星波前序列的各階Zernike模式方差<a3組實(shí)驗(yàn)分別復(fù)原的自然星波前模式方差<a由圖10可以看到,50μrad角度偏移鈉信標(biāo)與自然星波前的低階模式之間仍然保持著一定的相關(guān)性.對(duì)于50μrad的角度偏移,由于非同軸鈉信標(biāo)偏離望遠(yuǎn)鏡接收孔徑內(nèi)自然星回光傳輸光路的大氣湍流誤采樣,導(dǎo)致其部分模式相對(duì)非等暈誤差的明顯增大,如圖10(a)所示9階以上基本為ε4.4鈉信標(biāo)波前模式融合階數(shù)與波前誤差提取實(shí)驗(yàn)得到的3組復(fù)原波前序列,并利用自然星復(fù)原波前減去對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的不同階次Zernike模式鈉信標(biāo)復(fù)原波前,即得50μrad角度偏移鈉信標(biāo)波前模式融合階數(shù)與波前誤差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,見表2.從表2可以看到:對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)發(fā)次,由于實(shí)驗(yàn)大氣條件的變化(大氣相干長(zhǎng)度r4.5鈉信標(biāo)角度非等暈性對(duì)目標(biāo)成像的影響為了評(píng)估角度偏移條件下鈉信標(biāo)非等暈誤差對(duì)目標(biāo)光路成像質(zhì)量的影響,在實(shí)驗(yàn)已獲取50μrad角度偏移鈉信標(biāo)的非等暈性波前誤差序列的基礎(chǔ)上,就其對(duì)目標(biāo)光路成像質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究.這里,主要以非等暈誤差對(duì)應(yīng)目標(biāo)成像波段PSF的峰值Strehl比實(shí)驗(yàn)獲取50μrad角度偏移鈉信標(biāo)的非等暈誤差對(duì)目標(biāo)成像PSF影響的典型單幀光斑(即利用50μrad角度偏移鈉信標(biāo)探測(cè)波前補(bǔ)償目標(biāo)成像光路波前畸變后的目標(biāo)成像PSF),如圖11(a)—(c)所示.所述非等暈誤差對(duì)目標(biāo)成像PSF峰值Strehl比、光學(xué)質(zhì)量β影響的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3.由表3可以看到:50μrad角度偏移鈉信標(biāo)所致非等暈誤差對(duì)目標(biāo)成像PSF質(zhì)量的影響較大,已造成峰值Strehl比0.31—0.22、光學(xué)質(zhì)量β=2.70—3.35的下降,上述非等暈誤差對(duì)目標(biāo)光路成像質(zhì)量的影響不容忽視,應(yīng)予以克服.4.6鈉信標(biāo)有效綜合非等暈方差理論計(jì)算結(jié)果利用實(shí)驗(yàn)復(fù)原自然星波前的各階Zernike模式序列,對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)段75將表4所列不同等暈角條件下鈉信標(biāo)的有效綜合非等暈方差理論計(jì)算結(jié)果σ5鈉信標(biāo)角度偏移的影響在對(duì)人造鈉信標(biāo)共振回光同步探測(cè)時(shí)序與技術(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,開展了基于時(shí)序同步探測(cè)的人造鈉信標(biāo)角度非等暈性實(shí)驗(yàn)測(cè)量.在米級(jí)望遠(yuǎn)鏡上,利用單哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然星回光點(diǎn)陣以及50μrad角度偏移鈉信標(biāo)共振回光點(diǎn)陣的同步測(cè)量,獲得了大角度偏移非同軸鈉信標(biāo)非等暈波前誤差的定量結(jié)果,并從兩者波前二維分布及Zernike模式的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性、非等暈誤差的Zernike模式統(tǒng)計(jì)分布特性及其對(duì)目標(biāo)成像影響等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了較全面的分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于50μrad鈉信標(biāo)角