激光导星角度与聚焦非等晕性综合分析

采用自适应光学（AO)系统对湍流大气进行校正时,非等晕性误差的影响不可避免。基于空间谱滤波技术,围绕湍流大气角度、聚焦、角度与聚焦相耦合非等晕性问题,进行了统一建模,给出了不同情况下的理论描述公式,分析了纯角度和纯聚焦非等晕误差中不同泽尼克模式分量所占比份。针对典型AO系统工作模式,分析了不同高度大气层对非等晕性误差的贡献。实际应用时,根据应用场景,应对AO系统工作模式和信标模式做优化匹配选择。     

激光导星角度与聚焦非等晕性综合分析

采用自适应光学(AO)系统对湍流大气进行校正时,非等晕性误差的影响不可避免。基于空间谱滤波技术,围绕湍流大气角度、聚焦、角度与聚焦相耦合非等晕性问题,进行了统一建模,给出了不同情况下的理论描述公式,分析了纯角度和纯聚焦非等晕误差中不同泽尼克模式分量所占比份。针对典型AO系统工作模式,分析了不同高度大气层对非等晕性误差的贡献。实际应用时,根据应用场景,应对AO系统工作模式和信标模式做优化匹配选择。     

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.     

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纳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端利导星。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，选择低阶模式也可以达到有效的部分校正效果。     

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。     

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。     

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。     

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。     

1.2 m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1.2 m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1 rad2。     

基于时变相位屏的非等晕成像数值模型及验证

基于多层薄相位屏光传输理论,建立了包含光传输过程、大气分层、相位屏实时连续变化、太阳扩展目标非等晕成像的数值模型,并从相位结构函数、大气相干长度及等晕角等方面进行了分析验证.在H-V 5/7和H-V 10/10两种强弱湍流模型下,大气相干长度及等晕角的绝对误差分别在0.02m和0.3″以内.结果表明,建立的非等晕成像数值模型在时间和空间上的统计特性符合实际应用需求,为研究非等晕误差在太阳稳像及自适应光学系统中的影响提供了可靠的模型支持.     

高能激光准直传输远场斯特雷尔比与数值验证

利用扩展惠更斯-菲涅耳原理对高能激光在大气中的传输进行了分析,获得了高能激光准直传输轴上及峰值斯特雷尔比的积分表达式,并使用激光大气传输四维仿真程序对该表达式的适用范围进行了分析及数值模拟验证。结果表明,积分表达式可以很好地适用于无自适应光学系统补偿时的高能激光湍流热晕传输问题,可以用于自适应光学系统补偿时弱热晕条件下的湍流热晕角非等晕问题和弱热晕及中等热晕条件下的湍流热晕聚焦非等晕问题。     

湍流大气中激光聚焦光束后向散射的数值模拟

 对基于聚焦光束后向散射到达角起伏的湍流测量进行了数值模拟。通过近轴标量波动方程和分形相屏算法,提出了聚焦光束二次传输的数值模型,分别就固定点信标光源和聚焦光束后向散射的到达角起伏方差的统计特征进行了分析,并取得了很好的相关性,得出了可以从聚焦光束的回波图像信号里提取大气湍流信息的结论。讨论了聚焦距离对固定点光源和回波光束的到达角起伏方差相似度的影响。     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出:相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

大气湍流光学参数分析

利用两种不同大气湍流结构常数模型,讨论了不同高度的湍流对大气湍流光学参数的影响。通过理论计算得出：相干长度和对数振幅起伏方差主要由低层大气湍流决定,而等晕角、倾斜等晕角、格林伍德频率和泰勒频率由对流层顶附近的高层湍流决定。分析了垂直高度30 km以下的3部分大气湍流对等晕角的贡献比例,在给定的不同强度湍流下,对流层顶附近的高层大气湍流贡献比例都大于25％,而低层大气湍流的贡献比例都小于3%。     

低阶模式校正自适应光学系统的非等晕限制

分析了非科尔莫戈罗夫湍流情况下,自适应光学系统低阶模式校正时的非等晕误差、泽尼克系数角相关函数、残余相位结构函数以及长曝光光学传递函数,并定义了一个新变量－－模式校正因子,用来有效评价目标非等晕误差对低阶模式校正自适应光学系统补偿效果的影响。此外还给出了光波水平大气传输时模式校正因子以及低阶模式校正系统长曝光光学传递函数的数值计算结果。     

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0.1 rad², 十分接近理论结果.     

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

分别采用Zernike和Karhunen-loeve两种模式波前复原法,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明Karhunen-loeve模式法比Zernike模式法的波前复原误差更小些。     

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

 通过理论分析和数值模拟,对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时,湍流将导致光束的束腰向发射点移动,且湍流越强移动的幅度越大;大气湍流强度相同时,聚焦平台光束发射口径越小,其束腰移动的幅度越大。另外,通过调节发射系统的焦距,使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时,接收探测器上的激光功率密度并非最大,只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时,接收探测器上的激光功率密度才会最大。     

湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差

 分别采用Zernike和Karhunen-loeve两种模式波前复原法,分析了子孔径斜率测量不受噪声影响的理想情况下,哈特曼传感器对大气湍流畸变波前的模式复原误差与大气湍流相干长度、传感器的结构尺寸、模式复原阶数等的关系。结果表明Karhunen-loeve模式法比Zernike模式法的波前复原误差更小些。     

湍流大气中聚焦平台光束焦移及光斑尺度

通过理论分析和数值模拟,对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时,湍流将导致光束的束腰向发射点移动,且湍流越强移动的幅度越大;大气湍流强度相同时,聚焦平台光束发射口径越小,其束腰移动的幅度越大。另外,通过调节发射系统的焦距,使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时,接收探测器上的激光功率密度并非最大,只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时,接收探测器上的激光功率密度才会最大。