CN102621687B - 一种太阳多层共轭自适应光学系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳多层共轭自适应光学系统，由低层大气波前探测器、中高层大气波前探测器、低层大气波前校正器、中高层大气波前校正器、波前控制器、光学中继系统、成像子系统以及其他必要的光学组件组成。系统以太阳表面黑子或米粒结构为信标，同时对多个区域进行波前探测，获得大视场范围内湍流引起的波前畸变，利用层析算法计算出不同湍流层引起的波前像差，最后控制位于相应湍流层共轭位置的波前校正器对大气湍流进行分层校正，最终实现大视场范围内高分辨成像。本发明通过光学中继系统调整高低湍流层共轭位置顺序，使低层湍流先得到补偿和校正，增加探测和校正的准确度。层析算法的使用降低不同湍流层波前像差的耦合引起的误差。

Description

一种太阳多层共轭自适应光学系统

技术领域

本发明涉及一种大视场波前探测与多层校正的多层共轭自适应光学系统，属于自适应光学技术领域。

背景技术

自适应光学(AO)技术经过三十多年的发展，已经在多个领域起到举足轻重的作用。在天文应用领域，AO技术目前已经成为大口径地基夜天文望远镜与太阳望远镜不可或缺的组成部分。但是受等晕区限制，自适应光学技术只能在很小范围内获得高分辨力成像，这严重限制了AO技术在大视场观测场合的运用。在夜天文观测中，小范围内无法找到满足观测亮度要求的导引星，使得在自然导星情况下，采用AO进行观测的空域范围受到严重限制，激光导星虽然可以解决导引星问题，但同时又会带来所谓“锥效应”的问题。为此J.M.Beckers于1988年提出了多层共轭自适应光学(MCAO)技术，主要用于解决AO技术中观测等晕效应与激光导星技术的锥效应问题。

在针对太阳的天文观测中，高分辨成像对于研究太阳磁场活动进而推动太阳天文物理学进展有至关重要的作用，因此，致力于高分辨成像的自适应光学技术较早的在太阳望远镜中得以运用。但是由于太阳活动区域往往在一个比较大的视场内，受到等晕区限制，自适应光学只能校正太阳活动的部分区域，太阳自适应光学急需要MCAO技术扩大其校正视场。另一方面，太阳也是进行MCAO技术试验的理想平台，MCAO技术需要不同方向多导星进行大视场范围内波前探测，在夜天文领域，很难找到满足位置要求和亮度要求的自然导星，通常采用多激光导星技术，而太阳本身为一个扩展目标，可以根据需要在其表面选取不同方向不同视场区域内的黑子或米粒结构作为导引星进行波前探测。

目前国内尚无太阳MCAO技术研究的报道，国外主要有德国太阳物理研究所(KIS)与美国国家太阳天文台(NSO)两个单位在2003年前后搭建了MCAO试验系统。考虑系统制造成本以及实现复杂度等方面问题，两个试验系统均采用两层校正的形式。德国KIS基于VTT上MCAO试验系统采用两层完全的分离探测与控制的方式，即首先用其原有的太阳AO系统进行校正；随后再用MCAO探测器探测大视场范围内剩余波前误差，并控制共轭于高层湍流的变形镜进行再校正。这种结构的MCAO系统只需要在原有AO系统后端续接一个MCAO探测与校正模块，因此实现简单，但是由于其两层探测与校正完全独立，控制上没有将高低层湍流信息分离开供两层波前校正器校正。这种结构实际上是两个AO系统的串联，严格意义上甚至不能称之为MCAO系统。而美国NSO研制的MCAO试验系统，虽然统一控制两层湍流引起的波前像差的探测与校正，但是其结构设计上未考虑调整高低层波前校正器位置，即未通过光学中继系统调整两层校正的位置，致使系统校正存在较大误差，到目前为止，该试验系统尚未取得十分理想的观测结果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种太阳多层共轭自适应光学系统，可以实现大视场范围内的高分辨成像，且提高了系统校正的准确度，对太阳天文研究有十分重要的意义。

本发明的技术解决方案：一种太阳多层共轭自适应光学系统，包括低层大气波前校正器1、低层大气波前探测器3、波前控制器4、光学中继系统5、中高层大气波前校正器6、中高层大气波前探测器8，成像系统9、第一分光镜2及第二分光镜7；所述低层大气波前校正器1位于近地表层湍流的共轭位置或入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，低层大气波前校正器1又可视为校正地表层湍流引起的波前像差；所述低层大气波前探测器3共轭于入瞳位置，位于中高层大气波前校正器6之前，对等晕区内区域进行高阶Zernike波前像差探测；所述中高层大气波前探测器8共轭于入瞳位置，对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差；所述中高层大气波前校正器6位于中高层湍流的共轭位置，用于校正中高层湍流引起的波前像差，不同站址强湍流层高度不同，具体高度根据站址大气视宁度统计特性而定；所述光学中继系统5调整高低层湍流校正顺序，使中高层大气波前校正器6位于低层大气波前校正器1后面；所述波前控制器4综合处理低层大气波前探测器3和中高层大气波前探测器8得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息，并控制低层大气波前校正器1和中高层大气波前校正器6对大气湍流进行多层校正；成像系统9位于系统末端，用于采集系统校正补偿后高分辨图像；第一分光镜2与第二分光镜7主要用于分光，其中第一分光镜2位于低层波前校正器之后，经过分光后一路光进入后续光学系统，另一路光进入低层大气波前探测器；第二分光镜7位于中高层大气波前校正器6之后，经过分光后一路光进入中高层大气波前探测器8用于不同方向波前信息探测，另一路进入成像系统9对目标进行高分辨成像；

所述的低层大气波前探测器3共轭于入瞳位置，可以为常规自适应光学技术中使用的波前探测器，如哈特曼波前探测器、干涉仪、曲率传感器及相位差传感器等，主要对等晕区内湍流引起的小视场高阶Zernike波前像差进行探测；由于受太阳辐射影响，白天的大气湍流呈现出明显分层现象，其中近地表层湍流是影响太阳望远镜成像质量的主要因素，低层大气波前探测器3得到的波前信息大部分为近地表层湍流引起的波前像差。

所述的中高层大气波前探测器8共轭于入瞳位置，可以是多个波前探测器分别探测不同方向的波前信息，也可以是单个大靶面哈特曼波前探测器，每个子孔径对应较大视场，可以在子孔径内划分子区域，每个子区域对应不同方向不同视场，针对不同子孔径相同位置的子区域进行互相关计算，进而得到不同方向湍流引起的波前像差，由于中高层湍流相对较弱，中高层大气波前探测器8只需对大视场范围内不同方向大气湍流引起的低阶Zernike模式像差进行探测。

所述的低层大气波前校正器1、中高层大气波前校正器6均可采用常规的变形反射镜，如压电式变形反射镜、PMN变形反射镜、Bimorph变形反射镜及MEMS变形反射镜等；低层大气波前校正器1位于近地表层湍流的共轭位置，或入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，因此低层大气波前校正器又可看作校正地表层湍流引起的波前像差；中高层大气波前校正器6位于中高层湍流层共轭位置，用于校正大视场范围内中高层湍流引起的波前像差，不同站址强湍流层高度不同，具体高度根据站址大气视宁度统计特性而定；

所述的波前控制器4综合处理低层大气波前探测器3和中高层大气波前探测器8得到波前信息，利用层析算法或者简单取平均的方法分离出不同层湍流信息，并控制低层大气波前校正器1和中高层大气波前校正器6对大气湍流予以分层校正。

所述的波前控制器4主要采用平均算法和层析算法两种方式实现不同湍流波前信息的分离。平均层析算法实现过程如下：

将大气湍流等效为地表层湍流与中高层湍流两层，分别记为Φ_L与Φ_H，低层大气波前探测器3探测等晕区内波前信息，记为φ_L，考虑到大气湍流主要集中在地表层，有：

中高层大气波前探测器(8)同时探测N个方向波前信息，记为

i∈[1，2，…N]，不同方向波前探测在地表层附近趋于重合，因此在地表层湍流被校正后，各方向探测波前信息的均值认为是地表层湍流引起的波前相位，为：

${\mathrm{\φ}}_{H,\mathrm{ave}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{H,i}---\left(8\right)$

而不同方向中高层湍流引起的波前像差则为：

大气层析算法为：大气湍流根据系统设计需要等效为任意多层，记为N_el层，不同方向探测到的波前信息则为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}}\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{el}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j(r+h_j\mathrm{\α})---\left(10\right)$

式中，α表示波前探测的方向，φ_α(r)为该方向上探测的波前像差，Φ_j与h_j分别表示第j层湍流相位与高度，N_el表示等效的湍流层总数，r表示水平面内二维坐标，

公式(10)表示为矩阵形式：

式中，

表示不同方向探测波前组成的向量，GS表示探测的方向总数，表示不同层湍流引起的波前误差组成的矩阵，N_el表示等效的湍流层总数，P为关系矩阵，与探测方向，视场以及湍流层高度等有关，由公式(11)利用最小二乘算法即可计算出每层湍流引起的波前像差：

其中：

表示计算计算所得每层湍流引起的波前像差组成的向量，

表示不同方向探测波前组成的向量，GS表示探测的方向总数，P⁺表示关系矩阵P的伪逆，由公式(12)的计算结果，可以提取出不同高度湍流层引起的波前像差。

所述的通过光学中继系统5调整高低层湍流校正顺序，使中高层大气波前校正器6位于低层大气波前校正器1后面，所述光学中继系统5采用反射式光学镜组或折射式光学镜组。通常情况下光波先经过高层湍流共轭位置，再经过低层湍流共轭位置，系统设计中通过增加光学中继系统5，在低层湍流共轭位置后在构造一个高层湍流共轭位置。该设计保证系统首先进行低层大气湍流的补偿，在大部分近地表层湍流引起的波前像差被补偿之后再进行大视场范围内波前的探测与中高层湍流校正，进而保证探测精度。

所述的低层大气波前探测器3位于中高层大气波前校正器6之前。由于中高层大气波前校正器6共轭于中高层大气湍流而非入瞳位置，其表面面型变化会影响后续入瞳共轭面的位置变化，进而降低哈特曼探测器的探测精度。中高层大气波前探测器8子孔径数目较少，尺寸较大，其影响相对较低。

所述中高层大气波前校正器6为单层校正，或根据系统性能需要设计为多个波前校正器对不同高度大气湍流引起的波前像差进行补偿。只要采用了类似的结构，均在本专利的权利要求之中。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)与传统自适应光学技术相比，本发明根据多层共轭自适应光学(MCAO)的相关理论，采用不同的探测器分别探测等晕区内波前信息以及等晕区外波前信息，利用层析算法分离出不同高层湍流层引起的波前像差，设置共轭于不同高度湍流层的多个波前校正器对大气湍流进行分层校正，本发明突破了校正视场受等晕区的限制，可以实现大视场范围内的高分辨成像，对太阳天文研究有十分重要的意义。

(2)与国外现有太阳多层共轭自适应光学试验系统相比，本发明利用统一的波前控制器对所有波前探测器得到的波前像差进行统一处理，利用层析算法分离出不同高度湍流层分别控制共轭于不同层的变形镜；通过增加光学中继系统，调整中高层大气波前校正器与低层大气波前校正器的位置，使光波在经过近地表层补偿之后再对中高层湍流引起的波前像差进行探测和校正；以上措施简化了高低层湍流的解耦难度，提高了系统校正的准确度。

附图说明

图1为本发明系统工作原理框图；

图2为本发明光路共轭排布示意图；

图3为本发明中大靶面哈特曼探测器原理图；

图4为本发明实例示意图；

图5为本发明中不同高度湍流层共轭位置光斑图；

图6为不同区域内两种坐标系关系示意图。

具体实施方式

本发明设计的新型结构的MCAO系统，突破传统自适应光学技术受等晕区限制的问题。选取太阳表面不同区域的黑子或米粒结构作为信标，首先利用低层大气波前探测器探测地表层湍流引起的波前像差，控制校正地表层湍流对系统成像的影响；再利用大靶面哈特曼作为中高层大气波前探测器，同时探测不同视场内波前信息，通过大气层析技术得到不同高度湍流层引起的波前像差，用于控制共轭于不同高度湍流层的波前校正器。最终实现大视场范围内太阳表面高分辨成像的效果。

如图1所示，本发明包括低层大气波前校正器1、低层大气波前探测器3、波前控制器4、光学中继系统5、中高层大气波前校正器6、中高层大气波前探测器8、成像系统9及第一分光镜2及第二分光镜7。低层大气波前校正器1位于近地表层湍流的共轭位置或入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，因此低层大气波前校正器又可视为校正地表层湍流引起的波前像差；低层大气波前探测器3共轭于入瞳位置，主要对等晕区内区域进行高阶Zernike波前像差探测；中高层大气波前探测器8共轭于地入瞳位置，主要探测较大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变，同时获得多路轴外光波前信息。中高层大气波前校正器6位于某一特定高度湍流层的共轭位置，主要用于校正大视场范围内中高层湍流引起的波前像差。波前控制器4主要对两探测器探测的波前进行集中处理，分离出低层湍流和中高层湍流引起的波前像差，并控制低层波前校正器与中高层波前校正器对湍流进行多层校正。本发明对大气湍流引起的波前像差进行三维探测和多层校正，最终实现在大视场范围内进行高分辨力成像的目的。

成像系统9用于采集系统校正补偿后高分辨图像，第一分光镜2与第二分光镜7主要用于分光。带有波前畸变的光波进入后首先经过低层大气波前校正器1，校正等晕区内湍流累积的波前像差，由于不同方向的光波在地表层处趋于重合，低层大气波前校正器1又可视为校正地表层湍流引起的波前像差，随后第一分光镜2将光波分为两路，其中一路进入低层大气波前探测器3，低层大气波前探测器3探测到经过低层大气波前校正器1校正后的波前残差信息，该信息经波前控制器4处理后反馈控制低层大气波前校正器1产生新的校正波前面型，完成低层大气波前探测与校正的闭环控制；由第一分光镜2分出的另一路光波首先经过光学中继系统5，重新构造中高层大气湍流的共轭位置，随后进入中高层大气波前校正器6，中高层大气波前校正器6位于中高层湍流的共轭位置，对中高层湍流引起的波前像差进行校正；校正后的光波再由第二分光镜7分为两路，其中一路进入中高层大气波前探测器8，中高层大气波前探测器8对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差，波前控制器4综合处理低层大气波前探测器3和中高层大气波前探测器8得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息。其重构的高层中高层湍流引起的波前像差反馈控制中高层大气波前校正器6产生相应的校正面型，完成中高层大气波前探测与校正的闭环控制；经过两层校正后，由第二分光镜7引出的另一路光进入后端的成像系统9，最终实现大视场范围内高分辨成像。

图2所示为本发明中光路共轭位置排布示意图，其中F₁-F₄为系统焦面位置，TT、DM_L、DM_H分别为倾斜校正器、低层大气波前校正器1和中高层大气波前校正器6；TT主要用于补偿波前倾斜像差，保证图像稳定；DM_L共轭于地表层或入瞳位置，主要校正等晕区内累计波前像差，或者说近地表层湍流引起的波前像差，DM_H共轭于中高层位置，主要校正大视场范围内中高层湍流引起的波前像差；图中F₂后虚线位置所示也是中高层湍流共轭位置，为了使中高层湍流探测和校正的更准确，本发明中通过M₃，M₄重新构造了新的共轭位置，调整了两层湍流校正顺序；WFS₁为跟踪探测器，用于探测波前像差的倾斜量，WFS₂为低层大气波前探测器，用于探测等晕区内高阶Zernike波前像差，WFS₃为中高层大气波前探测器，用于探测大视场范围内低阶Zernike波前像差。如此安排基于如下考虑：根据白天大气湍流分布特性，近地表层湍流占主要成分，低层大气波前探测器3得到的波前信息大部分为近地表层湍流引起的波前像差，另一方面，由于不同方向传播到望远镜的光波都要通过入瞳，在通过地表层时所经过的区域大体相同，因此可以用低层大气波前探测器得到的近地表层湍流信息近似代替整个校正视场内的近地表层湍流信息，直接用于控制低层大气波前校正器1校正近地表层湍流。在地表层湍流引起的波前像差被补偿后，由于中高层大气湍流较弱，可以使用子孔径数较少、每个子孔径对应更大视场的大靶面哈特曼同时探测大视场范围内湍流引起的波前像差，而中高层大气波前校正器6只进行低阶Zernike波前像差的补偿即可达到较为理想的效果。

图3所示为大靶面哈特曼同时探测不同方向波前信息的靶面示意图。根据上文所述，为探测大视场内波前信息，每个子孔径对应较大视场，中高层湍流相对较弱，其等效相干长度较大，只需要少数子孔径进行低阶湍流探测即可，增大子孔径对应的CCD靶面，同时减少子孔径数目，因此整个CCD靶面与传统哈特曼相比增加不大。图示哈特曼靶面只有7个子孔径，每个子孔径内选取5个子区域，对不同子孔径内同一位置的子区域进行相关计算即可提取每个子区域所对应的视场内波前信息，如此，则单个大靶面哈特曼可同时获得5个方向上湍流引起的低阶Zernike像差。子孔径数量和尺寸选择以及子区域的选择均可根据实际需要灵活设计，同时提取不同方向波前信息的算法也是现有相关算法的扩充，实现起来没有太多技术问题。

在获得不同方向波前像差信息后，可利用层析算法或平均算法提取不同层湍流引起的波前信息。如图6所示：令大区域Ω直径为D，小区域Ω_s直径为d，两区域相互重叠，R与r分别表示两个区域内的二维坐标。相位屏在大区域Ω表示为φ(R)，用Zernike进行分解为：

$\mathrm{\φ}\left(R\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{Z}_i\left(\frac{R}{D}\right)---\left(13\right)$

式中A_i表示基于大区域归一化Zernike基分解的第i阶Zernike系数。

小区域Ω_s内的波面表示为φ(r)，在小区域内进行归一化Zernike基分解为：

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{z}_j\left(\frac{r}{d}\right)---\left(14\right)$

a_j表示小区域内归一化Zernike基分解的第j阶Zernike系数。根据大小区域内坐标间的关系R＝r+Δr，小区域内波面φ(r)又可表示为：

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{Z}_i\left(\frac{r+\mathrm{\Δr}}{D}\right)---\left(15\right)$

R.Ragazzoni在1999年发表论文推导出以下结论：若波面φ可用N阶Zernike多项式完全分解，则该波面的一部分必定可以用不高于N阶的Zernike多项式完全分解。根据该结论可以得到：

$Z_i\left(\frac{r+\mathrm{\Δr}}{D}\right)=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}{z}_j\left(\frac{r}{d}\right)---\left(16\right)$

联合(14)(15)(16)并可得：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}{z}_j\left(\frac{r}{d}\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{z}_j\left(\frac{r}{d}\right)---\left(17\right)$

公式(17)两边消去小区域Ω_s内Zernike分解基z_j(x)项并写成矩阵形式：

a＝PA                                    (18)

式中，a＝[a₁，…，a_j，…，a_N]^T小区域内分解Zernike  系数向量，A＝[A₁，…，A_i，…，A_N]^T为大区域Ω内归一化Zernike分解系数向量。称P为关系矩阵。若探测到不同小区域内的波面，则通过公式(18)对关系矩阵P求广义逆，即可得到大区域内的波面Zernike系数。即：

A＝P⁺a                                        (19)

而关系矩阵P只与子区域的具体排布有关。对于实际三维波前探测，在确定了导星个数与位置、探测视场以及湍流层高度后，根据公式(16)即可求解关系矩阵P。

若只考虑低层和中高层两层湍流的校正，可以使用比较简单的平均方法获得中高层湍流。平均算法获得中高层湍流引起的波前像差基于如下假设：对同一高度不同位置处湍流引起的波前像差取平均其均值为零。由于探测到的不同视场随着高度的增加而逐渐分散，因此对不同方向湍流进行平均后得到的均值可认为是近地表层部分湍流引起的波前像差，而各自方向波前信息与平均波前之差可认为是中高层部分湍流，由此可获得中高层湍流引起的波前像差。

将大气湍流等效为地表层湍流与中高层湍流两层，分别记为Φ_L与Φ_H，低层大气波前探测器(3)探测等晕区内波前信息，记为φ_L，考虑到大气湍流主要集中在地表层，有：

中高层大气波前探测器(8)同时探测N个方向波前信息，记为

i∈[1，2，…N]，不同方向波前探测在地表层附近趋于重合，因此在地表层湍流被校正后，各方向探测波前信息的均值认为是地表层湍流引起的波前相位，为：

${\mathrm{\φ}}_{H,\mathrm{ave}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{H,i}---\left(21\right)$

而不同方向中高层湍流引起的波前像差则为：

图4和图5所示为某一具体MCAO系统设计实例，其中图4为系统光学设计图，系统设计中没有加入波前探测部分，图中虚线框内所示为光学中继系统，通过两块离轴抛物面对经过近地表层校正(DM_L)后的焦面进行再成像，构造中高层大气波前校正器(DM_H)的共轭位置。需要强调的是，本发明并不局限于该实例，如中继系统也可以使用其他光学镜组代替，如超消色差透镜等。只要采用了类似的结构，均在本专利的权利要求之中。

图5为不同共轭位置处光斑足迹图。在近地表层共轭位置处，不同方向的光斑几乎重合(入瞳位置完全重合)，因此低层大气波前探测器3得到的近地表层湍流可以近似代替整个校正视场内近地表层湍流信息，用于控制低层大气波前校正器1校正近地表层湍流引起的波前像差；中高层湍流共轭位置光斑相对分散，校正器的不同位置对应不同方向的波前校正任务，可以校正大视场范围内的波前像差。

总之，本发明中通过光学中继系统调整中高层湍流和低层湍流共轭位置的顺序，降低中高层湍流校正受到地表层湍流的影响，从而增加探测和校正的准确度；波前控制器综合两个探测器的波前信息并分离出两层湍流信息，保证两层波前校正器分别校正各自湍流引起的波前像差。通过改进探测系统或波前重构算法，本发明亦可应用于夜天文领域或其他技术领域，对于天文观测乃至推动自适应光学技术的发展均有重要意义。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：包括低层大气波前校正器（1）、低层大气波前探测器（3）、波前控制器（4）、光学中继系统（5）、中高层大气波前校正器（6）、中高层大气波前探测器（8），成像系统（9）、第一分光镜（2）及第二分光镜（7）；所述低层大气波前校正器（1）位于第一入瞳共轭位置，校正等晕区内湍流累积的波前像差；所述低层大气波前探测器（3）位于第二入瞳共轭位置，位于中高层大气波前校正器（6）之前，对等晕区内区域进行高阶Zernike波前像差探测；所述中高层大气波前校正器（6）位于中高层湍流的共轭位置，该共轭位置由中继光学系统构造，用于校正中高层湍流引起的波前像差，不同站址强湍流层高度不同，具体高度根据站址大气视宁度统计特性而定；所述光学中继系统（5）调整高低层湍流校正顺序，使中高层大气波前校正器（6）位于低层大气波前校正器（1）后面；所述中高层大气波前探测器（8）位于第三入瞳共轭位置，对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差；所述波前控制器（4）综合处理低层大气波前探测器（3）和中高层大气波前探测器（8）得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息,并控制低层大气波前校正器（1）和中高层大气波前校正器（6）对大气湍流进行多层校正；成像系统（9）位于系统末端，用于采集系统校正补偿后高分辨图像；第一分光镜（2）与第二分光镜（7）主要用于分光，其中第一分光镜（2）位于低层波前校正器之后，经过分光后一路光进入后续光学系统，另一路光进入低层大气波前探测器；第二分光镜（7）位于中高层大气波前校正器（6）之后，经过分光后一路光进入成像系统（9），另一路进入中高层大气波前探测器（8）；

带有波前畸变的光波进入多层共轭自适应光学系统后首先经过低层大气波前校正器（1），随后第一分光镜（2）将光波分为两路，其中一路进入低层大气波前探测器（3），低层大气波前探测器（3）探测到经过低层大气波前校正器（1）校正后的波前残差信息，该信息经波前控制器（4）处理后反馈控制低层大气波前校正器（1）产生新的校正波前面型，完成低层大气波前探测与校正的闭环控制；由第一分光镜（2）分出的另一路光波首先经过光学中继系统（5），重新构造中高层大气湍流的共轭位置，随后进入中高层大气波前校正器（6），对中高层湍流引起的波前像差进行校正；校正后的光波再由第二分光镜（7）分为两路，其中一路进入中高层大气波前探测器（8），中高层大气波前探测器（8）对大视场范围内不同方向的湍流引起的波前畸变进行探测，每一次探测同时获得多路离轴波前像差，波前控制器（4）综合处理低层大气波前探测器（3）和中高层大气波前探测器（8）得到波前信息，通过层析算法分离出不同层湍流信息；其中中高层湍流引起的波前像差反馈控制中高层大气波前校正器（6）产生相应的校正面型，完成中高层大气波前探测与校正的闭环控制；经过两层校正后，由第二分光镜（7）引出的另一路光进入后端的成像系统（9），最终实现大视场范围内高分辨成像；所述层析算法采用平均算法或大气层析算法。

2.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述低层大气波前校正器（1）用于校正地表层湍流引起的波前像差。

3.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述低层大气波前探测器（3）为波前探测器，所述波前探测器包括哈特曼波前探测器、干涉仪、曲率传感器或相位差传感器。

4.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述中高层大气波前探测器（8）是多个波前探测器分别探测不同方向的波前信息。

5.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述中高层大气波前探测器（8）是单个大靶面哈特曼波前探测器，每个子孔径对应较大视场，在子孔径内划分子区域，每个子区域对应不同方向不同视场。

6.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述低层大气波前校正器（1）、中高层大气波前校正器（6）均采用变形反射镜，所述变形反射镜包括压电式变形反射镜、PMN变形反射镜、Bimorph变形反射镜及MEMS变形反射镜。

7.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述平均层析算法实现过程如下：

将大气湍流等效为地表层湍流与中高层湍流两层，分别记为Φ_L与Φ_H，低层大气波前探测器（3）探测等晕区内波前信息，记为φ_L，考虑到大气湍流主要集中在地表层，有：

中高层大气波前探测器（8）同时探测N个方向波前信息，记为

i∈[1,2,…N]，不同方向波前探测在地表层附近趋于重合，因此在地表层湍流被校正后，各方向探测波前信息的均值认为是地表层湍流引起的波前相位，为：

${\mathrm{\φ}}_{H,\mathrm{ave}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_{H,i}---\left(2\right)$

而不同方向中高层湍流引起的波前像差则为：

8.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：

所述大气层析算法为：大气湍流根据系统设计需要等效为任意多层，记为N_el层，不同方向探测到的波前信息则为：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α}}\left(r\right)=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{el}}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_j(r+h_j\mathrm{\α})---\left(4\right)$

式中，α表示波前探测的方向，φ_α(r)为该方向上探测的波前像差，Φ_j与h_j分别表示第j层湍流相位与高度，N_el表示等效的湍流层总数，r表示水平面内二维坐标，

公式（4）表示为矩阵形式：

式中，

表示不同方向探测波前组成的向量，GS表示探测的方向总数，

表示不同层湍流引起的波前误差组成的矩阵，N_el表示等效的湍流层总数，P为关系矩阵，与探测方向，视场以及湍流层高度等有关，由公式（5）利用最小二乘算法即可计算出每层湍流引起的波前像差：

其中：表示计算计算所得每层湍流引起的波前像差组成的向量，

表示不同方向探测波前组成的向量，GS表示探测的方向总数，P⁺表示关系矩阵P的伪逆,由公式（6）的计算结果，可以提取出不同高度湍流层引起的波前像差。

9.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述光学中继系统（5）采用反射式光学镜组或折射式光学镜组。

10.根据权利要求1所述的太阳多层共轭自适应光学系统，其特征在于：所述中高层大气波前校正器（6）为单层校正，或根据系统性能需要设计为多个波前校正器对不同高度大气湍流引起的波前像差进行补偿。

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