CN102169048B - 一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器 - Google Patents
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Abstract
一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，包括缩束模块、第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元、第一分光元件、第三大气湍流模拟单元、第二分光元件、透镜、瑞利信标、钠信标和目标；第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第三大气湍流模拟单元按从左到右的顺序依次代表海拔从低到高的大气湍流分布；瑞利信标位于第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第一分光元件之后及第三大气湍流模拟单元之前；钠信标位于第三大气湍流模拟单元和第二分光元件之后；目标位于第二分光元件和透镜之后，所述目标代表无穷远的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，它可用于自适应光学系统中模拟激光上行传输时的瑞利信标、钠信标和目标信标，以及动态像差和非等晕误差，以评估不同信标制式对激光传输与自适应光学系统校正效果的影响。
背景技术
大型地基望远镜的分辨率受限于大气湍流引起的随机波前畸变。当采用自适应光学技术后，这类望远镜的成像能力就能达到近衍射极限水平。自适应光学系统的工作包含两项基本功能：波前探测与波前校正。通过接收来自被观测天体或其附近的导星发出的光，波前传感器测得望远镜孔径范围内湍流造成的相位扰动。然后，测得的结果以电的方式调制变形镜，从而补偿上述相位畸变。因此，自适应光学系统要想实现正常运转，必须满足以下两个条件：一是来自导星的参考波前在被观测天体的等晕角之内；二是导星足够亮，对波前传感器能提供足够强的信号。对天文成像而言，这两项要求意味着要在所有观测方向上都能找到进入等晕角的很亮的导星。但天空中亮星的密度很低，依靠天然导星工作的自适应望远镜在可见光波段进行天文成像时不能获得满意的对天空观测的覆盖度。1985年，Foy和Labeyrie提出了用激光在大气上层产生人造信标的可能性，提出了激光导引星(LGS)的概念，即在目标方向发射激光聚焦在大气中，测量焦深范围的大气后向散射光作为信标，相当于在空中认为制造了一颗星，也称为人造信标。由于信标激光可以指向任意希望的方向，因此，原则上信标可以覆盖整个天空。后向散射人造信标有两类：钠层后向共振散射信标和后向瑞利散射信标。钠层后向共振散射信标为80km～90km高度的热成层中，发射589nm激光聚焦在钠层，测量其后向散射光的波前，即可获得大气对激光的波前畸变信息，用于自适应光学校正。后向瑞利散射信标为10km～20km高度的平流层大气分子对信标激光的瑞利散射光。它可以应用于不同波长的激光产生，主要使用532nm激光。
所有目标光和信标光都会经过大气层进入望远镜，因此大气湍流的特性是影响光束的主要因素，其中最重要的是大气折射率结构常数
和横向风速随海拔高度的变化特性。大气湍流运动使大气折射率具有起伏的性质，从而使光波参量(振幅和相位)产生随机起伏，造成光束的闪烁、弯曲、分裂、扩展、空间相干性降低、偏振状态起伏等。大气折射率结构常数会随高度的变化而发生相应改变，不同的大气湍流模型下的变化情况如图1所示。
可见，大气湍流可以根据高度大致分为三层：在近地面
值最大，即湍流最强，海拔越高
值越小；多数模型在2公里高空有一个湍流较弱的区域；在5-10公里有一个湍流较强的区域。
许多基于自适应光学系统的成像系统、大气激光传输系统等都是在大气湍流条件下工作，并依靠信标进行像差探测。激光束在大气中传输时会受大气湍流的影响而产生随机动态畸变，从而导致成像质量的变坏。为了能更好更方便的研究大气湍流的特性对各种系统的影响以及信标的探测能力，有必要在室内进行大气湍流和信标模拟实验。但是要实现对湍流和信标的真实模拟，必须做到模拟物和真实物的各种物理指标和参数的一一对应，并且需要完整和准确模拟整个物理过程和环境。目前还没有这种用于自适应光学系统的信标和大气湍流模拟器的技术。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了充分认识激光传输的大气环境和自适应光学探测条件，提供一种能在室内用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，以评估基于自适应光学系统的不同信标制式对激光大气传输和目标观测效果的影响。
为了达成本发明的目的，本发明提出用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器解决技术问题的技术方案：包括缩束模块、第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元、第一分光元件、第三大气湍流模拟单元、第二分光元件、透镜、瑞利信标、钠信标和目标；第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第三大气湍流模拟单元按从左到右的顺序依次代表海拔从低到高的大气湍流分布；瑞利信标位于第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第一分光元件之后及第三大气湍流模拟单元之前；钠信标位于第三大气湍流模拟单元和第二分光元件之后；目标位于第二分光元件和透镜之后，所述目标代表无穷远的目标；
平行光从缩束模块处入射，依次通过第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元、第一分光元件、第三大气湍流模拟单元、第二分光元件和透镜，将平行光成像到目标上，目标为观测装置，用于实现激光传输和光束质量诊断功能；目标位置与实际天空中无穷远的真实目标共轭；
在目标的位置摆放光源，光源的光束通过透镜变成平行光，平行光光束再依次通过第二分光元件、第三大气湍流模拟单元、第一分光元件、第二大气湍流模拟单元、第一大气湍流模拟单元和缩束模块，实现对目标的探测功能；
瑞利信标为瑞利信标模拟点，瑞利信标的位置与实际天空中瑞利信标共轭；钠信标为钠信标模拟点，钠信标的位置与实际天空中钠信标共轭；
在瑞利信标的位置摆放点激光光源，激光通过第一分光元件反射，依次穿过第二大气湍流模拟单元和第一大气湍流模拟单元，探测到部分大气湍流像差，再通过缩束模块将像差信息传递出来，实现利用信标进行像差探测功能；
在钠信标的位置摆放点激光光源，激光通过第二分光元件反射，首先穿过第三大气湍流模拟单元，探测到部分大气湍流像差，然后再通过第一分光元件，依次穿过第二大气湍流模拟单元和第一大气湍流模拟单元，探测到另外一部分大气湍流像差，再通过缩束模块将像差信息传递出来，实现利用信标进行像差探测功能；
第一分光元件和第二分光元件对光束的光谱分光；
缩束模块将入射光束口径缩小到需要的口径大小。
其中：所述的目标为白光目标或者可见光到红外光波段波长的目标。
其中：所述的目标为CCD、或者为CMOS、或者为观测屏。
其中：第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第三大气湍流模拟单元模拟符合大气湍流分布的动态畸变像差连续变化，可以是在电机带动下转动的随机相位屏、或者液晶空间光调制器(LCSLM)、或者可控温度和速度的热风式湍流模拟单元、及可以产生可控的满足大气湍流运动特性的器件；第一大气湍流模拟单元和第二大气湍流模拟单元模拟20km以下的大气湍流，第一大气湍流模拟单元模拟的海拔高度低于第二大气湍流模拟单元，第三大气湍流模拟单元模拟20km以上的大气湍流，第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第三大气湍流模拟单元的位置与实际天空中相同海拔高度的大气湍流共轭。
其中：所述的缩束模块可以是透射式结构，也可以是反射式结构。
其中：第一分光元件和第二分光元件是分光反射镜或分光棱镜。
其中：所述瑞利信标代表20km以下海拔的信标。
其中：所述钠信标代表20km以上海拔的信标。
本发明具有如下优点：(1)通过大气湍流模拟单元可以实现动态像差的模拟；(2)能实现各种信标和目标的模拟；(3)目标光是平行光束通过大气湍流模拟单元，而信标光是锥形光束通过大气湍流模拟单元，真实反映了实际大气激光传输的工作模式，因此可以实现聚焦非等晕误差的模拟；(4)能实现一定视场内角度非等晕误差的模拟，首先计算该角度在本模拟器中对应信标的视场角(物高)，然后将点激光源偏离光轴相应的物高位置就可以实现。大气湍流模拟单元实现对0～30km海拔高度的大气湍流的模拟，模拟器实现目标观测功能、激光传输和光束质量诊断功能以及信标探测功能。这种模拟器可以评估基于自适应光学系统的不同信标制式对激光大气传输和目标观测效果的影响。
附图说明
图1为不同大气湍流模型下，大气折射率结构常数随海拔高度变化的曲线图；
图2为基于自适应光学系统的激光大气传输和成像光路特征图；
图3为本发明中一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的原理：如图2所示，在激光大气传输和成像光路中，有不同高度的目标和信标，主要包括观测目标、发射目标、钠信标和瑞利信标。同时大气湍流可以根据高度大致分为三层：在近地面
值最大，即湍流最强，海拔越高值越小；多数模型在2公里高空有一个湍流较弱的区域；在5-10公里有一个湍流较强的区域。根据以上激光大气传输的特征，利用一定的缩比共轭关系，在实验室发明了一台用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，能真实的反映激光大气传输光路的这些特点，实现对目标、信标和湍流的模拟。
如图3示出本发明的一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，包括缩束模块1、第一大气湍流模拟单元2、第二大气湍流模拟单元3、第一分光元件4、第三大气湍流模拟单元5、第二分光元件6、透镜7、瑞利信标8、钠信标9和目标10；第一大气湍流模拟单元2、第二大气湍流模拟单元3和第三大气湍流模拟单元5按从左到右的顺序依次代表海拔从低到高的大气湍流分布；瑞利信标8位于第一大气湍流模拟单元2、第二大气湍流模拟单元3和第一分光元件4之后，第三大气湍流模拟单元5之前，代表20km以下海拔的信标；钠信标9位于第三大气湍流模拟单元5和第二分光元件6之后，代表20km以上海拔的信标；目标10位于第二分光元件6和透镜7之后，代表无穷远的目标；
平行光从缩束模块1处入射，依次通过第一大气湍流模拟单元2、第二大气湍流模拟单元3、第一分光元件4、第三大气湍流模拟单元5、第二分光元件6和透镜7，成像到目标10上，目标10为观测装置，可以实现激光传输和光束质量诊断功能；目标(10)位置和实际天空中无穷远的真实目标共轭；
在目标10的位置摆放光源，光束通过透镜7变成平行光，光束再依次通过第二分光元件6、第三大气湍流模拟单元5、第一分光元件4、第二大气湍流模拟单元3、第一大气湍流模拟单元2和缩束模块1，可以实现对目标10的探测功能；
瑞利信标8为瑞利信标模拟点，瑞利信标8的位置与实际天空中瑞利信标共轭；钠信标9为钠信标模拟点，钠信标9的位置与实际天空中钠信标共轭；
在瑞利信标8的位置摆放点激光光源，激光通过第一分光元件4反射，依次穿过第二大气湍流模拟单元3和第一大气湍流模拟单元2，探测到部分大气湍流像差，再通过缩束模块1将像差信息传递出来，实现利用信标进行像差探测功能；
在钠信标9的位置摆放点激光光源，激光通过第二分光元件6反射，首先穿过第三大气湍流模拟单元5，探测到部分大气湍流像差，然后再通过第一分光元件4，依次穿过第二大气湍流模拟单元3和第一大气湍流模拟单元2，探测到另外一部分大气湍流像差，再通过缩束模块1将像差信息传递出来，实现利用信标进行像差探测功能；
第一分光元件4和第二分光元件6对光束的光谱分光；
缩束模块1将入射光束口径缩小到需要的口径大小。
所述的目标10为白光目标或者可见光到红外光波段波长的目标。
所述的目标10为CCD、CMOS或者为观测屏。
第一大气湍流模拟单元2、第二大气湍流模拟单元3和第三大气湍流模拟单元5模拟符合大气湍流分布的动态畸变像差连续变化，可以是在电机带动下转动的随机相位屏、或者液晶空间光调制器(LCSLM)、或者可控温度和速度的热风式湍流模拟单元、及可以产生可控的满足大气湍流运动特性的器件；第一大气湍流模拟单元2和第二大气湍流模拟单元3模拟20km以下的大气湍流，第一大气湍流模拟单元2模拟的海拔高度低于第二大气湍流模拟单元3，第三大气湍流模拟单元5模拟20km以上的大气湍流，位置和实际天空中相同海拔高度的大气湍流共轭。
所述的缩束模块1可以是透射式结构，也可以是反射式结构。
所述的第一分光元件4和第二分光元件6是分光反射镜或分光棱镜。
首先依据大气湍流模拟单元在单位圆内的像差大小分布确定缩束系统1的缩束口径，然后确定以上各参数在模拟器中的共轭位置，主要是根据离焦量的PV值进行计算。设计结果为：第一大气湍流模拟单元2为1km大气湍流，第二大气湍流模拟单元3为10km大气湍流，第三大气湍流模拟单元5为20km大气湍流，瑞利信标8为15km瑞利信标，钠信标9为90km钠信标，目标10为无穷远白光目标或者观测装置，如图3所示。假设非等晕角为50urad，对应模拟器中信标的视场角为0.003度。
利用瑞利信标进行探测时，在15km瑞利信标8的位置摆放点激光光源，激光通过第一分光元件4反射，依次穿过10km第二大气湍流模拟单元3和1km第一大气湍流模拟单元2，探测到部分大气湍流像差，再通过缩束模块1将像差信息传递给自适应光学系统，实现像差探测。
利用钠信标进行探测时，在90km钠信标9的位置摆放点激光光源，激光通过第二分光元件6反射，首先穿过20km大气湍流模拟单元5，探测到部分大气湍流像差，然后再通过第一分光元件4，依次穿过10km第二大气湍流模拟单元3和1km第一大气湍流模拟单元2，探测到另外一部分大气湍流像差，再通过缩束模块1将像差信息传递给自适应光学系统，实现像差探测。
需要实现对无穷远目标成像时，目标10为白光目标，其在模拟器中的位置和实际天空中无穷远的真实目标共轭；在目标10的位置摆放光源，光束通过透镜7变成平行光，光束再依次通过第二分光元件6、20km第三大气湍流模拟单元5、第一分光元件4、10km第二大气湍流模拟单元3、1km第一大气湍流模拟单元2和缩束模块1，最后成像到CCD。
需要实现激光传输和光束质量诊断功能，实现对激光束经过大气湍流后的光束质量评价时，目标10为观测装置，如CCD、CMOS等或者为观测屏；此时平行光从缩束模块1处入射，依次通过1km第一大气湍流模拟单元2、10km第二大气湍流模拟单元3、第一分光元件4、20km第三大气湍流模拟单元5、第二分光元件6和透镜7，成像到目标10上。
上面描述是用于实现本发明及其实施例，本发明的范围不应由该描述来限定，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。
Claims (8)
1.一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：包括缩束模块(1)、第一大气湍流模拟单元(2)、第二大气湍流模拟单元(3)、第一分光元件(4)、第三大气湍流模拟单元(5)、第二分光元件(6)、透镜(7)、瑞利信标(8)、钠信标(9)和目标(10)；第一大气湍流模拟单元(2)、第二大气湍流模拟单元(3)和第三大气湍流模拟单元(5)按从左到右的顺序依次代表海拔从低到高的大气湍流分布；瑞利信标(8)位于第一大气湍流模拟单元(2)、第二大气湍流模拟单元(3)和第一分光元件(4)之后及第三大气湍流模拟单元(5)之前；钠信标(9)位于第三大气湍流模拟单元(5)和第二分光元件(6)之后；目标(10)位于第二分光元件(6)和透镜(7)之后，所述目标(10)代表无穷远的目标；
平行光从缩束模块(1)处入射，依次通过第一大气湍流模拟单元(2)、第二大气湍流模拟单元(3)、第一分光元件(4)、第三大气湍流模拟单元(5)、第二分光元件(6)和透镜(7)，将平行光成像到目标(10)上，目标(10)为观测装置，用于实现激光传输和光束质量诊断功能；目标(10)位置与实际天空中无穷远的真实目标共轭；
在目标(10)的位置摆放光源，光源的光束通过透镜(7)变成平行光，平行光再依次通过第二分光元件(6)、第三大气湍流模拟单元(5)、第一分光元件(4)、第二大气湍流模拟单元(3)、第一大气湍流模拟单元(2)和缩束模块(1)，实现对目标(10)的探测功能；
瑞利信标(8)为瑞利信标模拟点，瑞利信标(8)的位置与实际天空中瑞利信标共轭；钠信标(9)为钠信标模拟点，钠信标(9)的位置与实际天空中钠信标共轭；
在瑞利信标(8)的位置摆放点激光光源，激光通过第一分光元件(4)反射，依次穿过第二大气湍流模拟单元(3)和第一大气湍流模拟单元(2)，探测到部分大气湍流像差，再通过缩束模块(1)将像差信息传递出来，实现利用信标进行像差探测功能；
在钠信标(9)的位置摆放点激光光源，激光通过第二分光元件(6)反射，首先穿过第三大气湍流模拟单元(5)，探测到部分大气湍流像差，然后再通过第一分光元件(4)，依次穿过第二大气湍流模拟单元(3)和第一大气湍流模拟单元(2)，探测到另外一部分大气湍流像差，再通过缩束模块(1)将像差信息传递出来，实现利用信标进行像差探测功能；
第一分光元件(4)和第二分光元件(6)对光束的光谱分光；
缩束模块(1)将入射光束口径缩小到需要的口径大小。
2.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：所述的目标(10)为白光目标或者可见光到红外光波段波长的目标。
3.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：所述的目标(10)为CCD、或者为CMOS、或者为观测屏。
4.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：第一大气湍流模拟单元(2)、第二大气湍流模拟单元(3)和第三大气湍流模拟单元(5)模拟符合大气湍流分布的动态畸变像差连续变化，可以是在电机带动下转动的随机相位屏、或者液晶空间光调制器(LCSLM)、或者可控温度和速度的热风式湍流模拟单元、或者可以产生可控的满足大气湍流运动特性的器件；第一大气湍流模拟单元(2)和第二大气湍流模拟单元(3)模拟20km以下的大气湍流，第一大气湍流模拟单元(2)模拟的海拔高度低于第二大气湍流模拟单元(3)，第三大气湍流模拟单元(5)模拟20km以上的大气湍流，第一大气湍流模拟单元(2)、第二大气湍流模拟单元(3)和第三大气湍流模拟单元(5)的位置与实际天空中相同海拔高度的大气湍流共轭。
5.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：所述的缩束模块(1)可以是透射式结构，也可以是反射式结构。
6.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：第一分光元件(4)和第二分光元件(6)是分光反射镜或分光棱镜。
7.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：所述瑞利信标(8)代表20km以下海拔的信标。
8.根据权利要求1所述用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，其特征在于：所述钠信标(9)代表20km以上海拔的信标。
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