一种瑞钠信标结合探测的自适应光学系统

摘要

本发明涉及一种瑞钠信标结合探测的自适应光学系统，脉冲激光发射系统发出589nm的激光，在90km左右的高空和30km以下的低空产生钠信标回光和瑞利信标回光，利用瑞钠信标时序波前探测器先后探测低层大气瑞利信标回光和高层钠信标回光，并通过波前控制器控制变形镜实时校正两种信标采样的大气湍流引起的像差；在激光脉冲周期内，该瑞钠信标结合探测的自适应光学系统对大气湍流引起的波前像差进行了两次补偿；本发明不增加系统复杂性，可解决系统设备对站址大气环境和钠信标回光亮度要求高的问题，提升系统的适应性。

说明书

技术领域

本发明为一种自适应光学波前探测装置，特别涉及一种瑞钠信标结合探测的自适应光学系统，适合对大气观测条件和钠信标光亮度要求较高的人造信标自适应光学系统中。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics,AO)是上世纪八十年代发展起来的技术。其关键就在于通过探测目标成像通道内的大气湍流畸变，进而对这一湍流进行实时补偿，以获得对观测目标近衍射极限的图像。当物体本身亮度不足或者物体等晕角之内没有满足条件的恒星时，需要使用人造信标来进行波前畸变的探测。目前主要的信标有两种：一种是钠信标，利用90km高空的钠原子的共振散射产生的后向散射光作为信标；另一种是瑞利信标，利用低层大气，通常在25km以下的大气分子的后向瑞利散射作为信标。

瑞利信标是由大气分子的瑞利散射产生，产生的亮度随着高度增加成指数衰减，瑞利信标产生的高度只能在较低海拔，对大气采样不充分，解决的办法是采用钠信标。钠信标是利用激光精确对准钠原子的D2线，激发距离地面90km高空的钠层中的钠原子向高能级跃迁，实现自发辐射产生信标光，圆锥区域所覆盖的体积大于瑞利信标，进行自适应波前探测也更精确。

利用信标对大气湍流误差进行探测时，系统校正结果受到大气湍流误差和信标光亮度等因素的影响，而观测站址大气相干长度r₀与之直接相关，站址条件越好(大气相干长度越长)，夏克-哈特曼波前探测分割的子孔径就可以更大，因而所需要的信标回光亮度就越低，同时校正效果也越好；我国最优秀的站址通常相干长度也只有国外典型站址大气相干长度的1/2左右，因而对信标的回光亮度要求更高，同时要实现近衍射极限的校正效果困难也更大。

目前国外钠信标的激光器主要为连续波激光器，钠信标回光和瑞利信标回光在时间上重叠在一起，即同一时刻，探测器上两种信标回光都出现，如果希望仅仅使用一种信标回光，通常需要利用偏轴发射，然后用视场光阑在空间上消除低空的瑞利散射。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对国内站址条件不佳，需要高亮度钠信标回光，不易实现近衍射极限成像的问题，发明一种通过瑞钠信标结合探测的自适应光学系统，在产生钠信标的同时，利用发射望远镜在低层产出的瑞利信标回光，在一个大气相干时间内，实现对瑞利信标和钠信标的先后探测，两次实时补偿大气湍流误差，以实现近衍射极限的成像，同时由于先利用了亮度较高的瑞利信标实现了对大气湍流的第一次补偿校正，可以等效为提升了站址的视宁度，当再利用钠信标进行第二次校正时，波前传感器子孔径可以更大，从而降低对钠信标回光亮度的要求。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种瑞钠信标结合探测的自适应光学系统，包括脉冲激光发射系统、接收望远镜、变形反射镜，还包括瑞钠信标时序波前探测器，由脉冲激光发射系统发出波长为589nm的脉冲激光，在上行过程中首先在低层大气(30km以下)产生瑞利信标，利用瑞钠信标波前探测器先探测低层大气瑞利信标光，通过波前控制器控制变形反射镜校正所选取的瑞利信标以下的大气湍流引起的像差，在钠信标回光达到接收望远镜之前实现对低层大气的预补偿；由脉冲激光发射系统发出波长为589nm的脉冲激光再激发低层大气产生瑞利信标后，脉冲激光继续上行至距离地面约90km的钠层，共振激发钠层产生钠信标，瑞钠信标波前探测器探测90km高空产生的钠信标回光，得到高阶像差，同时通过波前控制器控制变形反射镜校正低阶高频像差以及高阶像差；在大气相干时间内，实现对瑞利信标和钠信标的交替探测和大气湍流实时补偿；系统中的的瑞钠信标时序波前探测器由微透镜阵列、外触发CCD探测器组成；脉冲激光发射系统发射脉冲激光，根据所发射脉冲激光的频率和带宽，瑞利层和钠层高度，以及瑞利层厚度和钠层厚度的关系，外触发信号控制外触发CCD探测器首先曝光选取的瑞利层信标的回光，外触发CCD探测器曝光和读出结束后，外触发CCD探测器开始曝光正从钠层信标的回光，实现在一个激光脉冲周期内，瑞钠信标波前探测器对瑞利信标回光和钠信标回光的先后探测；当激光脉冲发射系统发射指定频率的激光脉冲时，瑞钠信标波前传感器实现对瑞利信标回光和钠信标回光的交替探测。

更进一步的，脉冲激光的频率和带宽，瑞利层和钠层高度，以及瑞利层厚度和钠层厚度的与外触发控制外触发CCD探测器曝光读出关系如下：脉冲激光周期为T，脉冲宽度为t，瑞利层厚度为从地面开始到距离地面为高度a，钠层厚度为距地面b到距地面d，光速为c；通常情况下瑞利层与钠层不重叠，即a<b，以激光脉冲发射时刻为计时原点，同时发射触发信号传输到外触发CCD探测器，0时刻到(2a/c+t)时刻为瑞利信标回光时间段，钠信标回光为2b/c时刻到2(c-b)/c+t时刻，保证瑞利回光与钠信标回光不重叠，即(2a/c+t)<2b/c；保证钠信标回光与下一个瑞利回光不重叠，即[2(c-b)/c+t]<T；所以外触发CCD探测器可选瑞利回光曝光时间为区间[0，(2a/c+t)]任意时间段，外触发CCD探测器可选钠信标回光曝光时间为区间[2b/c，2d/c+t]任意时间段；

更进一步的，变形反射镜可以是一块高谐振频率DM，或者是一块与主镜共轭的变形反射镜与另外一块与主镜共轭的变形镜反射镜，也可以是一块变形反射镜与另一块变形次镜的组合；

更进一步的，瑞钠信标时序波前传感器，可以是哈特曼波前传感器、棱锥波前传感器、曲率波前传感器、剪切干涉波前传感器；

更进一步的，外触发CCD探测器可以通过脉冲激光发射系统的外触发信号直接控制其自带的时间选通控制器(对选通时间起始位置和选通时间长度进行控制)对瑞利信标和钠信标回光曝光。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明降低了系统对天气条件的要求；

(2)本发明降低了系统对钠信标光亮度的要求；

(3)本发明系统不引入新的设备，结构简单紧凑，适用范围广。

综上所述，本发明在对对整体系统改变不大的情况下，能够充分地利用脉冲激光的特点，有效地降低了系统对天气条件和钠信标光亮度的要求；而且结构简单紧凑，实现容易的优点，使本发明具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明装置的组成及原理示意图；

图2为脉冲激光器发射脉冲、瑞钠信标回光和CCD曝光读出时序图；

图3为针对具体例子，脉冲激光器发射脉冲、瑞钠信标回光和CCD曝光读出时序图；

图4为瑞钠信标时序波前探测器中的外触发斩波装置设计示意图；

图5为由脉冲激光器外触发控制斩波装置进行工作的控制时序图。

图中附图标记含义为：1为变形反射镜，2为准直透镜，3为共轭的变形反射镜，4为瑞钠信标时序波前探测器，5为脉冲发射激光器，6为接收望远镜，7为外触发CCD相机，8为波前控制器，9为微透镜阵列，10为外触发斩波装置，11为同步信号源，12为变形次镜。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明一种瑞钠信标结合探测的自适应光学系统，包括脉冲发射激光器5、变形反射镜1、瑞钠信标波前探测器4；其中激光信标波前探测器4由微透镜阵列9和外触发CCD相机7组成。

脉冲发射激光器5发射出激光发射到大气层指定高度，形成激光信标；在望远镜天顶角为90°时，瑞利信标的高度为0km-30km，钠信标的高度为90km-105km；

因为瑞利信标和钠信标的高度关系，首先瑞利信标光通过大气层向下传输进入接收望远镜系统6，经过准直透镜2准直后，依次经过反射镜和变形镜到达激光信标波前探测器。

根据激光雷达方程，所接收到的瑞利信标的回光子数为：

其中，E为激光每个脉冲能量，单位：J；λ为光波长，单位：m；h为普朗克常量；c为光速，取3×10⁸m/s；σ_B为有效散射截面，单位：m²，P(z)为在高度为z的地方的大气压力，单位：百万兆帕；T(z)为在高度为z的地方的温度，单位：K；n(z)为在高度为z时散射粒子密度，单位：m^-3；Δz为选通长度，单位：m，D_p为发射望远镜口径；A_R为接收面积，单位：m²；z为产生信标的平均高度；T₀为传输和接收路径上的光学元件的透过率；T_A为望远镜和信标之间单程的透过率；η为波长为λ的光子在探测器上的量子效率。

将接收回的光子分配到波前探测器的子孔径中，波前探测器采用动态哈特曼-夏克波前传感器。用传感器测得畸变的波前在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：

其中，f为微透镜焦距，I_i为像素i接收到的信号，X_i，Y_i为第i个像素的坐标，(X_C，Y_C)为光斑质心的坐标，(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，通过直接斜率波前复原算法得到加在变形镜上的电压。

设输入信号V_j是加在第j个驱动器上的控制电压，由此产生哈特曼传感器子孔径内的平均波前斜率量为：

其中R_j(x，y)为变形镜第j个驱动器的影响函数，t为驱动器个数，m为子孔径个数，S_i为子孔径i的归一化面积。当控制电压在合适的范围内时，变形镜的相位校正量和驱动器电压线性近似，子孔径斜率量与驱动器电压成线性关系，均满足叠加原理，所以上式可以写为矩阵的形式：

G＝R_xyV

其中，R_xy为变形镜到哈特曼传感器的斜率相应矩阵，用实验测得；G为需要校正的波前相差斜率测量值，因此可以得到控制电压：

V＝R⁺_xyG

其中，为R_xy的广义逆。这样就求出应该施加在变形镜上每个驱动器的电压，变形镜产生相应的形变，率先校正瑞利信标以下大气湍流引起的波前像差。

然后是钠信标回光到达接收望远镜系统，其原理和瑞利信标探测和校正相同。区别在于通过变形次镜校正瑞利信标而用变形镜校正钠信标。

图2为脉冲激光器发射脉冲、瑞钠信标回光和CCD曝光读出时序图，其具体关系如下：脉冲激光周期为T，脉冲宽度为t，瑞利层厚度为从地面开始到距离地面为高度a，钠层厚度为距地面b到距地面d，光速为c；通常情况下瑞利层与钠层不重叠，即a<b，以激光脉冲发射时刻为计时原点，同时发射触发信号传输到外触发CCD探测器7，0时刻到2a/c+t时刻为瑞利信标回光时间段，钠信标回光为2b/c时刻到2d/c+t时刻，保证瑞利回光与钠信标回光不重叠，即(2a/c+t)<2b/c；保证钠信标回光与下一个瑞利回光不重叠，即[2d/c+t]<T；所以外触发CCD探测器7可选瑞利回光曝光时间为区间[0，2a/c+t]任意时间段，外触发CCD探测器(7)可选钠信标回光曝光时间为区间[2b/c，2d/c+t]任意时间段。

针对所选取的瑞利厚度为0-30km，钠信标厚度为90km-105km为例，脉冲激光器发射脉冲、瑞钠信标回光和CCD曝光读出时序如图2所示，脉冲激光发射器所发射的激光脉冲的频率为800Hz，激光脉宽为50μs，以脉冲激光发射系统发射脉冲激光为0时刻，因为瑞利层厚度为30km，0-250μs为瑞利信标回光时间段，而钠信标回光时间段为600μs-700μs，脉冲激光发射器触发CCD延时150μs曝光，曝光时间为100μs；由于250μs-600μs时间段没有信标回光，设置CCD读出时间为350μs，所以CCD下一帧曝光正好探测钠信标回光，曝光时间也为100μs，读出350μs后锁定CCD，等待下一个外触发信号到来。

对于800Hz脉冲激光器，瑞钠信标时序波前探测器中的外触发斩波装置设计如图4所示，黑色叶片代表挡光，时间600μs，白色部分代表通光，时间600μs；以黑白交接处作为零点，从黑色叶片开始，以瑞利信标高度15km对应的时间350μs作为起始位置，然后由脉冲激光器外触发控制斩波装置进行工作，其控制时序图如图5所示，黑色叶片从起始位置开始运转150μs后，可将15km以下的瑞利散射全部挡掉，然后白色通光部分可通过150μs到750μs的信标光，对应望远镜天顶角90°时，105km的信标高度；然后再次进入黑色叶片，并回到原点，进入下一个脉冲周期。