人造鈉信標角度非等暈性實驗研究

人造鈉信標角度非等暈性實驗研究

1非等暈性因素為了實時校正氣候水流導致的隨機、隨機波前畸形的自適應光學，通常需要足夠的史料來提供由氣候水流引起的波前畸形信息，即信標。然而，在實踐中，附近亮星的數量有限，嚴重限制了實際科學目標附近光的天空覆蓋率。激光誘導星（lasemiuslase）是克服上述限制的有效技術方法，解決了自身光學在應對低科學目標中對光的響應問題的辦公廳信息。理想情況下,人們總是希望信標能夠提供與科學目標光路盡可能完全相同的大氣湍流信息,以實現對目標光路波前畸變像差的完全校正.然而,實際中產生人造信標的高度有限,且可能與科學目標之間存在空間角度偏離,必然帶來人造信標回光探測光路與科學目標光路之間經歷大氣湍流波前畸變像差的差異(即非等暈誤差),進而對自適應光學的校正效果產生影響.人造信標工作體制下的非等暈誤差主要包括兩類:一是人造信標回光探測光路與科學目標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;二是人造信標回光探測光路與科學目標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,針對人造信標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基于本課題組前期對信標非等暈問題的數值建模與仿真分析為了實際驗證較大角度偏移(θ≈50μrad)條件下人造鈉信標探測光路與科學目標光路之間經歷大氣湍流波前畸變模式的相關特性及其對自適應光學的影響,本文開展了基于時序同步探測的實際大氣鈉信標角度非等暈性實驗測量研究:在米級望遠鏡(有效接收口徑Φ=1m)上,利用單個哈特曼波前傳感器實現了對自然星回光點陣以及50μrad角度偏移鈉信標回光點陣的同步測量,分析了自然星、鈉信標探測大氣湍流波前各階Zernike模式的統(tǒng)計相關性,討論了50μrad角度偏移影響下鈉信標探測大氣湍流波前的各階Zernike模式相對非等暈誤差統(tǒng)計特性,研究了所述非等暈誤差對目標光路成像質量的影響,最后依據實驗大氣條件對所述非等暈誤差測量結果與理論計算結果進行了對比分析.2鈉信標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,平移項非等暈方差σ由圖2可以看到:當角度偏移θ=0時,僅存在由于鈉信標有限采樣高度所致聚焦非等暈效應,有效綜合非等暈方差演化為聚焦非等暈方差;對于Φ=1m有效接收口徑,伴隨鈉信標角度偏移θ的增大,其角度非等暈影響相對聚焦非等暈影響將占據主導作用,導致鈉信標有效綜合非等暈方差的迅速增大;對應等暈角θ3哈特曼波前傳感器人造鈉信標角度非等暈性同步測量原理如圖3所示,實驗測量系統(tǒng)主要由望遠鏡、鈉信標激光器、信標激光發(fā)射控制傾斜鏡、時序同步控制模塊、哈特曼波前傳感器及其配套波前處理機等組成.該實驗測量系統(tǒng)中的哈特曼波前傳感器由光學變倍系統(tǒng)、轉盤式機械快門裝置、陣列微透鏡、光學匹配系統(tǒng)、電子倍增型電荷耦合器件(electronmultiplyingchargecoupleddevice,EMCCD)探測器組成,如圖4所示.其中,為了實現對自然星回光點陣與其相距50μrad角度偏移鈉信標回光點陣的同步測量,我們設計哈特曼波前傳感器的子孔徑視場為21.9arcsec;轉盤式機械快門作為實現對特定高度范圍人造信標散射回光進行精確位置選通、且對近程雜光進行有效抑制的技術手段大氣中間鈉層中心高度約90km,厚度可達15—20km在每個周期內,自單脈沖信標激光出光時刻至脈沖前沿對應選通起始高度共振信標回光進入哈特曼傳感器時刻(即單脈沖信標激光出光之后的2×H×cscE/c時間段),機械快門控制哈特曼波前傳感器接收光路處于關門狀態(tài),即近程雜光抑制時間段;隨即機械快門開門,其控制哈特曼波前傳感器接收光路的開門時間段為自脈沖前沿對應選通起始高度共振信標回光進入哈特曼傳感器時刻至脈沖后沿對應選通終止高度共振信標回光進入哈特曼傳感器時刻(即脈沖前沿對應選通起始高度共振信標回光進入哈特曼傳感器開始采集之后的2×?H×cscE/c+?t4結果與分析結合圖3所示的測量原理與測量系統(tǒng),開展了多發(fā)次的同步探測鈉信標角度非等暈性實驗測量.實驗中,望遠鏡對某方位、仰角754.1zern東南角波前預處理圖6(a)為實驗中同步采集得到某同一時刻自然星目標回光以及50μrad角度偏移鈉信標回光的哈特曼點陣典型單幀圖像.其中,自然星目標回光點陣位于哈特曼各子孔徑的視場中心附近,而50μrad角度偏移鈉信標回光點陣則位于哈特曼各子孔徑的視場右下方.事后,通過對哈特曼單幀圖像各子孔徑內雙目標分別提取質心的方式,如圖6(b)所示自然星回光點陣質心“+”與鈉信標回光點陣質心“×”,以實現對應同一時刻自然星目標回光點陣以及50μrad角度偏移鈉信標回光點陣的逐幀斜率計算與波前復原.采用Zernike模式波前復原算法對實驗獲取不同時間段的3組(編號1#—3#)哈特曼圖像序列分別進行自然星回光點陣與鈉信標回光點陣的波前復原,便可得對應同一時刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標的二維波前序列;將對應同一時刻的自然星復原波前φ通過對實驗復原同一時刻自然星波前φ完成對應同一時刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標二維波前序列的相關性分析,典型結果如圖8所示.這里,COV(φ由圖7和圖8可以看到:不同時間段的實驗復原波前序列呈現出一個共同特征,就是同一時刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標的波前相關性隨時間演化呈現出較大起伏,某些時刻自然星與鈉信標波前分布呈現較好的相關性,而某些時刻自然星與鈉信標波前分布的相關性則較差,這一點與無角度偏移同軸信標的純聚焦非等暈效應不同,也符合實際大氣湍流隨機變化的特征.提取上述實驗獲取不同時間段的3組復原波前序列(編號1#—3#),利用自然星復原波前減去對應同一時刻的鈉信標復原波前,即得對應不同時間段的50μrad角度偏移鈉信標的非等暈波前誤差統(tǒng)計結果,列于表1,其中λ表示0.589μm波段的波長.從表1中3組實驗復原的自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標波前序列的統(tǒng)計結果可以看到:采集時間段的大氣條件在逐漸變好,對應采集時間段的大氣湍流自然星波前RMS=0.53λ-0.49λ,而(自然星-鈉信標)的非等暈性波前誤差RMS=0.46λ-0.37λ,均略小于對應實驗發(fā)號的大氣湍流自然星波前RMS,說明自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標波前的部分Zernike模式之間存在主導相關性,這也是第4.2節(jié)要討論的內容.4.2自然星與鈉信標波前zern東南角zern東南角的相關性分析通過對實驗復原同一時刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標的波前序列對應Zernike模式的相關運算便可考察各采樣時間段內對應同一時刻自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標復原波前對應各階Zernike模式的相關性.其中,a3組實驗復原的自然星與其相距50μrad角度偏移鈉信標波前序列對應各階Zernike模式的相關性統(tǒng)計結果如圖9所示,隨著Zernike模式階數的增長,自然星與鈉信標波前對應模式的相關性總體呈現出振蕩下降趨勢,即對應低階模式的相關性好(如第j=3—9階Zernike模式的相關系數r4.3鈉信標與自然星波前模式對比通過對實驗獲取同一時刻(自然星-鈉信標)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組實驗分別復原的自然星波前模式方差<a由圖10可以看到,50μrad角度偏移鈉信標與自然星波前的低階模式之間仍然保持著一定的相關性.對于50μrad的角度偏移,由于非同軸鈉信標偏離望遠鏡接收孔徑內自然星回光傳輸光路的大氣湍流誤采樣,導致其部分模式相對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鈉信標波前模式融合階數與波前誤差提取實驗得到的3組復原波前序列,并利用自然星復原波前減去對應同一時刻的不同階次Zernike模式鈉信標復原波前,即得50μrad角度偏移鈉信標波前模式融合階數與波前誤差的統(tǒng)計結果,見表2.從表2可以看到:對于不同的實驗發(fā)次,由于實驗大氣條件的變化(大氣相干長度r4.5鈉信標角度非等暈性對目標成像的影響為了評估角度偏移條件下鈉信標非等暈誤差對目標光路成像質量的影響,在實驗已獲取50μrad角度偏移鈉信標的非等暈性波前誤差序列的基礎上,就其對目標光路成像質量的影響進行了研究.這里,主要以非等暈誤差對應目標成像波段PSF的峰值Strehl比實驗獲取50μrad角度偏移鈉信標的非等暈誤差對目標成像PSF影響的典型單幀光斑(即利用50μrad角度偏移鈉信標探測波前補償目標成像光路波前畸變后的目標成像PSF),如圖11(a)—(c)所示.所述非等暈誤差對目標成像PSF峰值Strehl比、光學質量β影響的統(tǒng)計結果見表3.由表3可以看到:50μrad角度偏移鈉信標所致非等暈誤差對目標成像PSF質量的影響較大,已造成峰值Strehl比0.31—0.22、光學質量β=2.70—3.35的下降,上述非等暈誤差對目標光路成像質量的影響不容忽視,應予以克服.4.6鈉信標有效綜合非等暈方差理論計算結果利用實驗復原自然星波前的各階Zernike模式序列,對實驗時段75將表4所列不同等暈角條件下鈉信標的有效綜合非等暈方差理論計算結果σ5鈉信標角度偏移的影響在對人造鈉信標共振回光同步探測時序與技術設計的基礎上,開展了基于時序同步探測的人造鈉信標角度非等暈性實驗測量.在米級望遠鏡上,利用單哈特曼波前傳感器實現了對自然星回光點陣以及50μrad角度偏移鈉信標共振回光點陣的同步測量,獲得了大角度偏移非同軸鈉信標非等暈波前誤差的定量結果,并從兩者波前二維分布及Zernike模式的統(tǒng)計相關性、非等暈誤差的Zernike模式統(tǒng)計分布特性及其對目標成像影響等方面對實驗結果進行了較全面的分析.實驗結果表明,由于50μrad鈉信標角