一种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置及方法

摘要

本发明提供了一种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置及方法，利用高阶大视场双哈特曼传感器模块中两路独立的高阶大视场哈特曼传感器，通过信号发生器进行同步触发并对双星系统和人造信标的成像子光斑阵列图像进行同步采集，并利用高速倾斜镜对人造信标不能探测的波前误差倾斜项进行实时校正；最终通过波前复原算法分别得到双星系统中两自然信标与人造信标之间的复原波前，通过三者之间的复原波前差异计算得到同一时刻的高度和角度非等晕波前误差结果以及高度和角度非等晕波前误差之间的相关性。本发明可适应不同的大气湍流条件下的测量，测量原理简单，对天文望远镜中人造信标自适应光学系统的设计和论证提供了重要的参考意义。

说明书

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种对大气湍流高度非等晕和角度非等晕波 前误差同步测量的装置及方法，其具体为基于双大视场哈特曼传感器的大气湍流高度非等 晕和角度非等晕波前误差同步测量的装置及方法。

背景技术

由于太阳辐射等因素引发的大气湍流造成大气折射率的随机起伏，影响着地基天文望 远镜的光学系统性能。自适应光学可以对目标光波前进行对应的校正。但是，用于实时校 正大气湍流的天文自适应光学系统通常需要一颗或多颗足够量的信标用于进行实时的波前 探测。信标可以利用自然星，即目标本身或其附近的量星，称自然信标；也可以利用激光 人造激发产生，称人造信标。产生人造信标的方法有两种：一种是利用大气层中的气体分 子，利用激光激发使其产生瑞利散射，称瑞利信标，受大气中气体分布的限制，其高度一 般不会超过30km；另一种是利用大气中间层的钠原子，利用钠黄光激发使其产生共振散射， 称钠信标，其高度即钠层的高度一般在90-120km之间。

然而，在信标实际的使用过程中，由于信标与被观测目标之间高度及角间距的差异， 因而信标光到达望远镜表面和目标光到达望远镜表面在大气中经过的路径也不尽相同，由 此造成的利用信标光探测到的波前扰动与实际被观测目标的波前扰动之间差异，称为非等 晕波前误差。非等晕波前误差分两种，一种是由于信标与被观测目标之间不同高度所造成， 称高度非等晕(或聚焦非等晕)波前误差；另一种时由于信标与被观测目标之间的角间距 造成，称角度非等晕波前误差。通常，在利用人造信标进行探测时，由于其有限高度和使 用中与被观测目标的角间距，其非等晕误差是由高度非等晕误差和角度非等晕误差共同构 成。分别了解和掌握利用人造信标探测中高度非等晕误差和角度非等晕误差，对于天文自 适应光学系统的性能分析和优化设计十分重要。

目前，对信标探测非等晕误差的理论分析主要有两种方法，一种是利用梅林变换，结 合横向光谱滤波方法进行解析分析，另一种是利用搭建大气相位屏进行数值求解。然而， 理论分析简历在一定的大气环境条件基础上，所利用的大气模型、计算方法、边界条件等 都会影响其与实际结果之间的准确性。对信标波前探测非等晕误差的实验测量上，目前仅 有对集合了高度非等晕误差和角度非等晕误差的综合测量，暂未见将高度非等晕误差和角 度非等晕误差区分出并进行同步测量的报道。

发明内容

本发明要解决的问题是，克服现有技术的不足，结合人造信标技术，提供了一种对大 气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量的装置及方法，该方法适用与对高度非等晕误 差、角度非等晕误差、以及结合高度非等晕误差和角度非等晕误差的综合非等晕误差的同 步测量，并给出高度非等晕误差和角度非等晕误差两者对综合非等晕误差的影响及两者之 间相关性。同时，结合波前探测中倾斜信号对倾斜镜进行控制，减小利用人造信标不能探 测到的低阶波前相差的影响，进一步减小了实验中的测量误差。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种对大气湍流高度和角度非等晕 波前误差同步测量装置，包括望远镜(1)、缩束模块(2)、高速倾斜镜(3)、分光镜(4)、 低阶哈特曼传感器模块(5)；其特征在于：还包括高阶大视场双哈特曼传感器模块(6)， 所述高阶大视场双哈特曼传感器模块(6)由两路独立的第一高阶大视场哈特曼传感器(7) 和第而高阶大视场哈特曼传感器(8)，以及第二分光镜(27)和反射镜(28)组成；其中， 第一高阶大视场哈特曼传感器(7)由第一滤光片(15)、第一匹配透镜组(16)、第一空间 光阑(17)、第一高阶微透镜阵列组(18)、第一CCD相机(19)、第一数据采集计算机(20) 组成；第二高阶大视场哈特曼传感器(8)由第二滤光片(21)、第二匹配透镜组(22)、第 二空间光阑(23)、第二高阶微透镜阵列组(24)、第二CCD相机(25)、第一数据采集计 算机(26)组成；第二分光镜(27)将由自然信标A和自然信标B组成的双星系统回光反 射进入第一高阶大视场哈特曼传感器(7)，经过第一滤光片(15)滤除人造信标信号，并 由第一匹配透镜组(16)缩束至合适口径，由第一空间光阑(17)滤除其他空间光影响， 经过第一高阶微透镜阵列组(18)后得到光斑子阵列图像由第一CCD相机(19)接收并由 第一数据采集计算机(20)采集；第二分光镜(27)将人造信标回光透射并经反射镜(28) 反射进入第二高阶大视场哈特曼传感器(8)，经过第二滤光片(21)滤除双星系统信号， 并由第二匹配透镜组(22)缩束至合适口径，由第二空间光阑(23)滤除其他空间光影响， 经过第二高阶微透镜阵列组(24)后得到光斑子阵列图像由第二CCD相机(25)接收并由 第二数据采集计算机(26)采集；两路CCD相机(19、25)由信号发生器(9)进行同步 触发，并分别通过各自的数据采集计算机(20、26)记录图像数据。

所述的一种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置，其特征在于：所述 低阶哈特曼传感器模块(5)由匹配透镜组(11)、低阶微透镜阵列组(12)、CCD相机(13)、 波前处理计算机(14)组成，经第一分光镜(4)透射的双星系统回光由低阶匹配透镜组(11) 缩束至合适口径，经低阶微透镜阵列组(12)成像后获得的成像光斑子阵列图像由低阶CCD 相机(13)采集，通过波前处理计算机(14)经波前复原计算后提取倾斜分量用以控制高 速倾斜镜(3)。

一种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量方法，其特点是：需按下面具体 步骤实现对大气湍流高度非等晕和角度非等晕波前误差同步测量：

(a)选取角间距在10角秒以内的双星系统，该双星系统由自然信标A和自然信标B 组成，调节望远镜(1)光轴至双星系统的中心位置，调节人造信标激光发射望远镜(10) 光轴使得人造信标指向双星系统中的自然信标A位置；

(b)望远镜(1)接收由自然信标A和自然信标B组成的双星系统和人造信标的回光， 经缩束模块(2)后由高速倾斜镜(3)反射到第一分光镜(4)上，一部分能量的回光透射 进入低阶哈特曼传感器模块(5)，另一部分能量的回光反射进入高阶大视场双哈特曼传感 器模块(6)；

(c)透射进入低阶哈特曼传感器模块(5)的回光由低阶匹配透镜组(11)缩束至合 适口径，经低阶微透镜阵列组(12)成像后获得的成像光斑子阵列图像由低阶CCD相机(13) 采集，通过波前处理计算机(14)采集，将所采集双星系统的成像子光斑阵列图像中提取 出自然信标A的子光斑阵列图像，并通过波前复原算法计算得到的波前扰动的倾斜分量， 用该倾斜分量控制高速倾斜镜(3)，以提高系统稳定性及减小后端测量误差；

(d)进入高阶大视场双哈特曼模块(6)的回光经第二分光镜(27)反射后将由自然 信标A和自然信标B组成的双星系统回光反射进入第一高阶大视场哈特曼传感器(7)，经 过第一滤光片(15)滤除人造信标信号，并由第一匹配透镜组(16)缩束至合适口径，由 第一空间光阑(17)滤除其他空间光影响，经过第一高阶微透镜阵列组(18)后得到光斑 子阵列图像由第一CCD相机(19)接收并由第一数据采集计算机(20)采集；经第二分光 镜(27)透射后将人造信标回光透射并经反射镜(28)反射进入第二高阶大视场哈特曼传 感器(8)，经过第二滤光片(21)滤除双星系统信号，并由第二匹配透镜组(22)缩束至 合适口径，由第二空间光阑(23)滤除其他空间光影响，经过第二高阶微透镜阵列组(24) 后得到光斑子阵列图像由第二CCD相机(25)接收并由第二数据采集计算机(26)采集； 两路CCD相机(19、25)由信号发生器(9)进行同步触发，并分别通过各自的数据采集 计算机(20、26)记录图像数据。

(e)所采集到的双星系统的子光斑阵列图像经过提取后分别得到自然信标A与自然信 标B的子光斑阵列图像；通过波前复原算法分别对自然信标A、自然信标B和人造信标三 者的子光斑阵列图像进行复原计算，得到该三者的复原波前结果及各阶Zernike系数，比较 自然信标A和人造信标的波前结果得到的是高度非等晕波前误差；比较自然信标A和自然 信标B的波测结果得到的是角度非等晕波前误差；比较自然信标B和人造信标的波前探测 结果得到的是结合了高度和角度的综合波前非等晕误差；从而完成了对大气湍流高度和角 度非等晕波前误差同步测量以及高度和角度非等晕波前误差之间的相关性的测量。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明对大气湍流高度非等晕和角度非等晕波前误差同步测量的装置及方法，利 用了双星系统间仅有角度非等晕波前误差的特性；同时，利用了对于指向相同的人造信标 与自然信标之间又仅有高度非等晕波前误差的特性；通过对比双星系统中两自然信标与人 造信标的波前结果，从而达到同时对高度和角度非等晕波前误差同步测量的目的。

(2)本发明测量原理清晰，测量装置简易，且测量小。

附图说明

图1是本发明的对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置的结构示意图；

图2是本发明的对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置中低阶哈特曼传 感器模块的结构示意图；

图3是本发明的对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置中高阶大视场双 哈特曼传感器模块的结构示意图；

图4是本发明的对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置中高阶大视场双 哈特曼传感器模块中一个波前传感器的结构示意图；

图5是本发明的对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置中高阶大视场双 哈特曼传感器模块中另一个高阶哈特曼的结构示意图；

图中：1.望远镜2.缩束模块3.高速倾斜镜4.第一分光镜5.低阶哈特曼传感 器模块6.高阶大视场双哈特曼传感器模块7.第一高阶大视场哈特曼传感器8.第二 高阶大视场哈特曼传感器9.信号发生器10.人造信标激光发射望远镜11.低阶匹配 透镜组12.低阶微透镜阵列组13.低阶CCD相机14.波前处理计算机15.第一滤光 片16.第一匹配透镜组17.第一空间光阑18.第一高阶微透镜阵列组19.第一CCD 相机20.第一数据采集计算机21.第二滤光片22.第二匹配透镜组23.第二空间光 阑24.第二高阶微透镜阵列组25.第二CCD相机26.第二数据采集计算机27.第二 分光镜28.反射镜

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

实施例1：

图1是本发明所述对大气湍流高度非等晕和角度非等晕波前误差同步测量装置的结构 示意图，包括望远镜1、缩束模块2、高速倾斜镜3、第一分光镜4、低阶哈特曼传感器模 块5、高阶大视场双哈特曼传感器模块6，另有信号发生器9和人造信标激光发射望远镜10 等配套设备。

图2是本发明所公开对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置中低阶哈特 曼传感器模块5的结构示意图，由低阶匹配透镜组11、低阶微透镜阵列组12、低阶CCD 相机13、波前处理计算机14组成。

图3是本发明所公开对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置中高阶大视 场双哈特曼传感器模块6的结构示意图，由两路独立的第一高阶大视场哈特曼传感器7、第 一高阶大视场哈特曼传感器8、分光镜27反射镜28组成；其中，图4为其中第一高阶大视 场哈特曼传感器7的结构示意图，由第一滤光片15、第一匹配透镜组16、第一空间光阑17、 第一高阶微透镜阵列组18、第一CCD相机19、第一数据采集计算机20组成；图5为第二 高阶大视场哈特曼传感器8的结构示意图，由第二滤光片21、第二匹配透镜组22、第二空 间光阑23、第二高阶微透镜阵列组24、第二CCD相机25、第二数据采集计算机26组成。

本发明对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量的方法如下：

(a)选取一双星系统，该双星系统由自然信标A和自然信标B组成，调节望远镜(1) 光轴至双星系统的中心位置，调节人造信标激光发射望远镜(10)光轴使得人造信标指向 双星系统中的自然信标A位置；

(b)望远镜(1)接收由自然信标A和自然信标B组成的双星系统和人造信标的回光， 经缩束模块(2)后由高速倾斜镜(3)反射到第一分光镜(4)上，一部分能量的回光透射 进入低阶哈特曼传感器模块(5)，另一部分能量的回光反射进入高阶大视场双哈特曼传感 器模块(6)；

(c)透射进入低阶哈特曼传感器模块(5)的回光由低阶匹配透镜组(11)缩束至合 适口径，经低阶微透镜阵列组(12)成像后获得的成像光斑子阵列图像由低阶CCD相机(13) 采集，通过波前处理计算机(14)采集，将所采集双星系统的成像子光斑阵列图像中提取 出自然信标A的子光斑阵列图像，计算每个子孔径上光斑中心在X和Y方向上的漂移，可 以求出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率：

$X_C=\frac{{\mathrm{\Sigma X}}_i{I}_i}{{\mathrm{\Sigma I}}_i}=\frac{\lambda f}{2\pi S}\underset{S}{\int \int }\frac{\partial \Phi (x,y)}{\partial x}dxdy=\frac{\lambda f}{2\pi S}{G}_X$

$Y_C=\frac{{\mathrm{\Sigma Y}}_i{I}_i}{{\mathrm{\Sigma I}}_i}=\frac{\lambda f}{2\pi S}\underset{S}{\int \int }\frac{\partial \Phi (x,y)}{\partial y}dxdy=\frac{\lambda f}{2\pi S}{G}_Y$

其中，λ为成像波段中心波长，f是微透镜焦距，I_i是像素i接收到的信号，X_i，Y_i是第 i个像素的坐标，Φ(x，y)为待计算的波前，(X_C，Y_C)是光斑质心的坐标，(G_X，G_Y)为波 前平均斜率，S为子孔径面积；

得到子孔径斜率数据后，通过模式复原算法得到各阶Zernike像差的系数，从而在圆域 内直接叠加得到测量波面数据。设输入信号a_j是加在第j阶Zernike像差系数，由此产生哈 特曼传感器子孔径内的平均波前斜率量为：

$G_x\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{t}{\Sigma }}{a}_j\frac{\int {\int }_S\frac{\partial Z_j(x,y)}{\partial x}dxdy}{S}$

$G_y\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{t}{\Sigma }}{a}_j\frac{\int {\int }_S\frac{\partial Z_j(x,y)}{\partial y}dxdy}{S}$

j＝1，2，3，4，5……

其中Z_j(x，y)为Zernike第j阶函数，t为Zernike阶数，s为圆域的归一化面积。子孔 径斜率量与Zernike系数成线性关系，均满足叠加原理，所以上式可以写为矩阵的形式：

G＝Z_xyA

Z_xy为Zernike像差到哈特曼传感器的斜率相应矩阵，可以计算得到；G为波前相差斜率测 量值，因此可以得到Zernike系数：

A＝Z⁺_xyG

其中，为Z_xy的广义逆；这样就求出每阶Zernike像差的系数A。其中A₂、A₃为波 前相差的倾斜项，用该两项结果控制高速倾斜镜(3)，以提高系统稳定性及减小后端测量 误差；

(d)进入高阶大视场双哈特曼模块(6)的回光经第二分光镜(27)反射后将由自然 信标A和自然信标B组成的双星系统回光反射进入第一高阶大视场哈特曼传感器(7)，经 过第一滤光片(15)滤除人造信标信号，并由第一匹配透镜组(16)缩束至合适口径，由 第一空间光阑(17)滤除其他空间光影响，经过第一高阶微透镜阵列组(18)后得到光斑 子阵列图像由第一CCD相机(19)接收并由第一数据采集计算机(20)采集；经第二分光 镜(27)透射后将人造信标回光透射并经反射镜(28)反射进入第二高阶大视场哈特曼传 感器(8)，经过第二滤光片(21)滤除双星系统信号，并由第二匹配透镜组(22)缩束至 合适口径，由第二空间光阑(23)滤除其他空间光影响，经过第二高阶微透镜阵列组(24) 后得到光斑子阵列图像由第二CCD相机(25)接收并由第二数据采集计算机(26)采集； 两路CCD相机(19、25)由信号发生器(9)进行同步触发，并分别通过各自的数据采集 计算机(20、26)记录图像数据。

(e)所采集到的双星系统的子光斑阵列图像经过提取后分别得到自然信标A与自然信 标B的子光斑阵列图像；对提取出的自然信标A、自然信标B与人造信标的子光斑阵列图 像分别进行波前复原计算，计算方法如下：

对子光斑阵列图像计算每个子孔径上光斑中心在X和Y方向上的漂移，可以求出各子孔径 范围内的波前在两个方向上的平均斜率：

$X_C=\frac{{\mathrm{\Sigma X}}_i{I}_i}{{\mathrm{\Sigma I}}_i}=\frac{\lambda f}{2\pi S}\underset{S}{\int \int }\frac{\partial \Phi (x,y)}{\partial x}dxdy=\frac{\lambda f}{2\pi S}{G}_X$

$Y_C=\frac{{\mathrm{\Sigma Y}}_i{I}_i}{{\mathrm{\Sigma I}}_i}=\frac{\lambda f}{2\pi S}\underset{S}{\int \int }\frac{\partial \Phi (x,y)}{\partial y}dxdy=\frac{\lambda f}{2\pi S}{G}_Y$

其中，λ为成像波段中心波长，f是微透镜焦距，I_i是像素i接收到的信号，X_i，Y_i是第i个 像素的坐标，Φ(x，y)为待计算的波前，(X_C，Y_C)是光斑质心的坐标，(G_X，G_Y)为波前 平均斜率，S为子孔径面积；

得到子孔径斜率数据后，通过模式复原算法得到各阶Zernike像差的系数，从而在圆域内直 接叠加得到测量波面数据。设输入信号a_j是加在第j阶Zernike像差系数，由此产生哈特曼 传感器子孔径内的平均波前斜率量为：

$G_x\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{t}{\Sigma }}{a}_j\frac{\int {\int }_S\frac{\partial Z_j(x,y)}{\partial x}dxdy}{S}$

$G_y\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{t}{\Sigma }}{a}_j\frac{\int {\int }_S\frac{\partial Z_j(x,y)}{\partial y}dxdy}{S}$

j＝1，2，3，4，5……

其中Z_j(x，y)为Zernike第j阶函数，t为Zernike阶数，S为圆域的归一化面积；子孔 径斜率量与Zernike系数成线性关系，均满足叠加原理，所以上式可以写为矩阵的形式：

G＝Z_xyA

Z_xy为Zernike像差到哈特曼传感器的斜率相应矩阵，可以计算得到；G为波前相差斜率测 量值，因此可以得到Zernike系数：

A＝Z⁺_xyG

其中，为Z_xy的广义逆。这样就求出每阶Zernike像差的系数A。待测量的波前Φ(x，y) 通过如下表达式得到：

$\Phi (x,y)=\underset{j=1}{\overset{t}{\Sigma }}{A}_j{Z}_j(x,y)$

式中A_j为第j项Zernike像差的系数，Z_j(x，y)为第j项Zernike多项式。

最终得到自然信标A、自然信标B与人造信标三者的波前复原结果及各阶Zernike系数； 比较自然信标A和人造信标的波前结果得到的是高度非等晕波前误差；比较自然信标A和 自然信标B的波测结果得到的是角度非等晕波前误差；比较自然信标B和人造信标的波前 探测结果得到的是结合了高度和角度的综合波前非等晕误差；从而完成了对大气湍流高度 和角度非等晕波前误差同步测量以及高度和角度非等晕波前误差之间的相关性的测量。