CN105223691B - 一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置及方法，属自适应光学技术研究领域，用于大气湍流所致光波前畸变的探测和校正。本发明所述装置包括结构化钠激光光束阵列产生装置、地面望远镜系统、波前畸变提取装置、波前畸变校正装置。本发明不存在聚焦非等晕效应，不需要用以哈特曼传感器为代表的分孔径方式探测波前，而是全孔径接收后向散射光子，因而对后向散射光子密度要求不高，且特别适用于大视场工作。本发明为大口径地基望远镜自适应光学技术提供了一种全新的波前畸变探测方法。

Description

一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置及方法

技术领域

本发明属于自适应光学技术领域，具体涉及一种基于钠层结构化信标来对光波前畸变进行自适应光学校正的装置及方法。

背景技术

光束在大气中传播时，由于大气湍流的影响，光波前会发生随机畸变，导致大口径地基天文望远镜的成像分辨率下降，大气层外观测目标变模糊。大气湍流对大口径地基天文望远镜的这一影响等效为将其分割为许多直径等于大气相干长度r₀的子孔径，大口径天文望远镜的有效相干口径等于子孔径大小。而通常在较好的天气条件下可见光波段的大气相干长度r₀仅为20厘米，因此，大气湍流会严重限制天文望远镜有效相干口径大小。目前，为了补偿大气湍流引起的随机波前畸变，提高地基天文望远镜的成像分辨率，基于钠导星的自适应光学技术越来越受到研究人员的重视，且发展迅速，早已有了利用该技术补偿波前畸变将地基天文望远镜分辨率提高到接近衍射极限的报道。近年来，多层共轭自适应光学技术的迅速发展，更是极大地提高了钠激光导星自适应光学技术的地位。在2012年，美国双子座天文台将50W钠激光分成5×10W子光束，在钠层激发5颗钠激光导星，从而在超过85×85角秒的广视场得到了H波段斯特列尔比大于35％的图像。钠激光导星自适应光学系统的工作原理是：利用钠激光器发射激光到距离地面(90～100)千米的钠层，将钠层中的钠原子泵浦到激发态，然后以钠原子自发辐射发出的荧光为后向散射光，通过探测该后向散射荧光所携带的大气湍流引起的波前畸变信息，自适应光学校正系统可做出补偿，进而提高望远镜成像分辨率。而波前畸变的探测是该系统实现有效补偿的前提。

目前钠激光导星自适应光学技术最常用的波前畸变探测方法是利用哈特曼波前传感器探测子信标后向散射光波前畸变。由于单个子信标大气覆盖范围有限，且存在聚焦非等晕现象，为了实现较大范围的探测，这一方法往往需要多个子信标和与之相匹配的多个哈特曼波前传感器，例如多层共轭自适应光学技术。此外，由于哈特曼波前传感器需要分孔径对波前畸变进行探测，这一方法要求较高的后向散射光子密度以确保探测精度。由此可见，探测范围小和对后向散射光子密度要求高是目前钠激光导星自适应光学技术亟待解决的两个固有问题。

近年来高能钠导星激光器发展迅速，中国工程物理研究院在2014年研制出了380毫焦耳的钠导星脉冲激光器，其脉冲频率为50赫兹，脉冲宽度为140微秒，有效功率大于2500W。这为本方法中在钠层激发足够密集的结构化信标提供了可能。

发明内容

为了解决大气层外观测目标的光波前畸变问题，本方法提出了利用钠层结构化信标来校正该光波前畸变。对传统基于哈特曼波前传感器的自适应光学技术进行了改进，增大了对大气湍流的探测范围，避免了聚焦非等晕效应。

本发明采用的技术方案为：一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置，该装置包括结构化钠激光光束阵列产生装置、地面望远镜系统、波前畸变提取装置、波前畸变校正装置；所述结构化钠激光光束阵列产生装置包括589nm钠激光器、分光元件、准直透镜，所述地面望远镜系统包括倾斜镜、透镜、摆镜、收发望远镜，所述波前畸变提取装置包括分光镜、一号聚焦透镜、一号CCD相机、计算机；所述波前畸变校正装置包括变形镜、589nm滤光片、二号聚焦透镜、二号CCD相机、计算机(与波前畸变提取装置共用一台计算机)；589nm钠激光器出射激光经分光元件分为由若干子光束组成的钠激光光束阵列(所述钠激光光束阵列的横截面图样为均匀分布的光斑阵列)，经准直透镜准直后，钠激光光束阵列入射到倾斜镜表面，此时倾斜镜的法线处于与水平方向成135度夹角位置，钠激光光束阵列经倾斜镜表面反射再经透镜聚束后经由收发望远镜中心的圆孔(收发望远镜中心圆孔位于透镜的焦点处)入射到摆镜表面，所述摆镜位于收发望远镜焦点附近，将入射的钠激光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜口径，所述收发望远镜用于对钠激光光束阵列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜向上出射从而使钠激光光束阵列在传输方向上发散；钠激光光束阵列上行传输时各子光束受大气湍流影响发生不同角度的微偏折，当钠激光光束阵列传输到(90～100)km钠层时，钠层中钠原子被各阵列子光束泵浦到激发态从而形成由多个子信标阵列组成的结构化信标(由于钠激光光束阵列中的各子光束受大气湍流影响发生了不同角度的微偏折，钠层结构化信标内的子信标发生横向漂移，不再均匀分布，从而使结构化信标携带了钠激光光束阵列上行传输时采样得到的大气湍流信息)，结构化信标中的受激钠原子自发辐射产生的后向散射荧光与来自大气层外观测目标的光均由收发望远镜接收并汇聚到摆镜表面，再在摆镜表面发生反射后经由收发望远镜中心的圆孔被透镜准直后传播到倾斜镜表面，此时倾斜镜的法线处于与水平方向成45度夹角位置，后向散射荧光与来自大气层外观测目标的光被倾斜镜反射至分光镜，所述分光镜对波长为589nm的后向散射荧光有着高透过率而对其他波长的光有着高反射率，因此绝大部分后向散射荧光透过分光镜被一号聚焦透镜汇聚到一号CCD相机得到钠层结构化信标的图像，一号CCD相机将钠层结构化信标的图像传输到计算机，在计算机内提取出钠激光光束阵列上行传输时采样得到的波前畸变信息；绝大部分来自大气层外观测目标的光则被分光镜反射至变形镜，计算机根据提取出的波前畸变信息控制变形镜校正由分光镜反射来的大气层外观测目标光波前畸变，经变形镜校正后的大气层外观测目标光波前由589nm滤光片滤去残余后向散射荧光后，由二号聚焦透镜聚焦到二号CCD相机中得到大气层外观测目标的清晰图像，并将该图像传输至计算机中。

本发明另外提供一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正方法，利用上述的基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置，该方法包括以下步骤：

步骤(1)产生并发射结构化钠激光光束阵列：589nm钠激光器出射激光经分光元件分为由若干子光束组成的钠激光光束阵列，经准直透镜准直后，钠激光光束阵列入射到倾斜镜表面，控制倾斜镜使其法线处在与水平方向夹角为135度角的位置，钠激光光束阵列经倾斜镜表面反射再经透镜聚束后经由收发望远镜中心的圆孔入射到摆镜表面，所述摆镜将钠激光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜口径，所述收发望远镜用于对钠激光光束阵列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜向上出射，由收发望远镜发射的结构化钠激光光束阵列关于收发望远镜的中心轴线对称，设定相邻两束子光束之间的发射角时应确保相邻两束子光束之间的间隔在上行传输过程中始终不超过大气相干长度r₀(对于直径不大于大气相干长度r₀的光学系统，大气湍流不会严重破坏其成像性能，因此，为了确保探测精度，可以将光波前划分为若干个直径不大于大气相干长度的子孔径)；此外，钠激光光束阵列从收发望远镜出射时，相邻两束子光束之间的间隔不能太小且结构化激光光束阵列在传输方向上必须是发散的，这样才能确保(90～100)km钠层中由子光束激发出的钠层子信标之间有足够大的间距以区分相邻的子信标。

步骤(2)结构化钠激光光束阵列对大气湍流进行采样：由收发望远镜发射的结构化钠激光光束阵列通过大气湍流上行传输时，其各子光束受大气湍流影响，会发生与其经过大气湍流像差(平面波经过大气湍流所产生的像差)的局部波前倾斜成正比的角度微偏折，如图2所示，W(x,y)为大气湍流像差的波前，该波前被分割为若干直径不超过大气相干长度r₀的子孔径，将子孔径内波前的局部倾斜用一倾斜平面波进行线性拟合，平面波的倾斜等于子孔径内波前畸变的平均倾斜，若通过子孔径的子光束截面尺寸远小于子孔径尺度，则子光束经过大气湍流后，其传输方向与拟合平面的法向相同(如图2中实线所示)。因此，结构化钠激光光束阵列中各子光束会受各子孔径内大气湍流像差影响发生不同角度Δθ_ij的微偏折，从而对大气湍流信息进行了采样；

步骤(3)结构化钠激光光束阵列向上传输经过大气湍流并对大气湍流进行采样后，到达(90～100)km钠层并激发出钠层结构化信标：钠层结构化信标的产生是钠层中的钠原子共振吸收钠激光并后向散射荧光所致，所述钠层中的钠原子在589nm处有一个吸收峰，共振吸收波长为589nm的钠激光子光束后，后向散射荧光，形成子信标。在钠层中钠原子密度通常为(2～7)×10¹³atom/m²，对于入射的结构化钠激光光束阵列来说，钠层相当于一个“屏幕”，由于结构化钠激光光束阵列中各子光束受大气湍流影响，发生与其经过大气湍流像差(平面波经过大气湍流所产生的像差)的局部波前倾斜成正比的角度微偏折，从而导致子光束在钠层激发的子信标将发生与大气湍流相关的横向漂移，携带了大气湍流信息，表现为各子信标不再均匀分布，从而在钠层构成不规则的结构化信标。

步骤(4)波前畸变提取装置提取出钠层结构化信标所成图像携带的波前畸变信息：钠层结构化信标发出的后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光穿过大气湍流时被引入大气湍流像差，发生光波前畸变，再在地面经收发望远镜接收并反射后汇聚入射至摆镜，控制倾斜镜使其法线处于与水平方向成45度角位置，后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光被摆镜反射后通过收发望远镜中心的圆孔，被透镜准直后再经过倾斜镜改变传播方向到达分光镜，所述分光镜对波长为589nm的后向散射荧光有着高透过率而对其他波长的光有着高反射率，将入射的后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光分为两束：其中后向散射荧光透过分光镜后进入波前畸变提取装置，来自大气层外观测目标的光在分光镜表面反射，传播方向变为与原来的传播方向垂直后进入波前畸变校正装置；进入波前畸变提取装置的后向散射荧光通过聚焦透镜聚焦后进入一号CCD相机，得到钠层结构化信标图像(由于后向散射荧光穿过大气湍流在地基望远镜中成像的过程为衍射受限系统的非相干成像，因此大气湍流只会使该图像中各子信标图像发生弥散，而不会改变各子信标的质心，从而该图像依然携带钠激光光束上行传输时采样得到的大气湍流信息)，将该图像送入计算机进行图像处理，提取出结构化信标所携带的大气湍流信息，具体方法如下：找到各子信标质心对应的天顶角，再与相对应的子光束的设定发射角相比较即可得到由于大气湍流引起各子光束发生的角度微偏折Δθ_i,j，最后基于角度微偏折与光波前畸变的关系：

提取出大气湍流信息，其中分别为子光束在x,y方向发生的角度偏折，λ为光波长，W_i,j(x,y)为光波前畸变，分别为波前在x,y方向的倾斜。该信息用于控制变形镜校正由分光镜分束来的大气层外观测目标的光波前畸变。由于大气湍流是随时间随机变化的，只有在远远小于大气相干时间的间隔内才能将其视为静止的，因此光在地面与钠层之间往返一次所需时间与计算机的图像处理时间之和必须远远小于大气相干时间，这样才能把从发射钠激光光束阵列采样大气湍流到计算机提取出图像中波前畸变信息这段时间内的大气湍流视作静止的，于是上行钠激光光束阵列在上行传输时经过的大气湍流与目标光下行传输时经过的大气湍流可以视为相同的，从而钠激光光束阵列在上行传输时采集得到的大气湍流信息能够用来补偿目标光下行传输时的波前畸变。

步骤(5)波前畸变校正装置对大气层外观测目标的光产生的波前畸变进行校正：来自大气层外观测目标的光由分光镜反射进入波前畸变校正装置，计算机根据从钠层结构化信标图像中所提取大气湍流信息，发出信号控制变形镜校正大气层外观测目标光产生的波前畸变，经校正后的来自大气层外观测目标的光经589nm滤光片滤去残余的后向散射荧光后，再经二号聚焦透镜聚焦进入二号CCD相机，得到清晰的大气层外观测目标图像并将该图像传输至计算机中，从而实现了对大气层外观测目标波前畸变进行自适应光学校正的目的。

进一步地，由于钠激光光束阵列的子光束必须要有足够的功率才能激发有效的子信标，而在实际中现行的589nm钠激光器往往功率有限，因而钠激光光束阵列子光束的功率也受到了限制，从而限制了对大气湍流的采样精度和采样范围。为了解决这一问题，在发射钠激光光束阵列时，本发明还可以通过控制电机控制所述摆镜前后或左右轻微摆动，使结构化钠激光光束阵列在天空扫描，从而增大探测大气湍流的范围，增加采样密度。

进一步地，在对钠层结构化信标成像时，由于激光光束在钠层扫描，为了在一号CCD相机中获得离散的子信标阵列，应当利用时序信号控制其相机快门在设定时间多次打开以获得若干子信标组成的钠层结构化信标图像。一号CCD相机快门只有当激光光束扫描至设定的位置时才有脉冲信号控制其在短时间打开快门，以获得所设定发射角的子光束在钠层激发的子信标图像，通过多次打开快门，最终得到若干子信标组成的钠层结构化信标图像。由于大气湍流是随时间随机变化的，只有在远远小于大气相干时间的间隔内才能将其视为静止，因此光在地面与钠层之间往返一次所需时间与计算机的图像处理时间以及结构化钠激光光束阵列在天空扫描的周期之和必须远远小于大气相干时间，这样才能把从发射钠激光光束阵列采样大气湍流到计算机提取出图像中波前畸变信息这段时间内的大气湍流视作静止的，于是上行钠激光光束阵列在上行传输时经过的大气湍流与目标光下行传输时经过的大气湍流可以视为相同的，从而这样钠激光光束阵列在上行传输时采集得到的大气湍流信息才能够用来补偿目标光下行传输时的波前畸变。

本发明具有以下技术效果：

1.地面望远镜系统发射的结构化钠激光光束阵列是对传统单束激光的横向拓展，覆盖了整个收发望远镜口径，并且在上行传输过程中小角度发散，因此，利用结构化钠激光光束阵列来采样大气湍流，能探测的大气湍流范围远大于传统方法；

2.与传统自适应光学不同，本发明不是利用钠层信标后向散射荧光的波前畸变去校正目标光的波前畸变，而是利用上行结构化钠激光光束阵列中的子光束受大气湍流影响，会发生与其经过大气湍流像差(平面波经过大气湍流所产生的像差)的局部波前倾斜成正比的角度微偏折的原理采样大气湍流信息，并利用上行结构化激光光束采样的大气湍流信息校正目标光从大气层外入射到地面过程中产生的波前畸变，其探测的路径与大气层外观测目标出射光的传输路径相同，因此不存在聚焦非等晕效应；

3.对由大气湍流引起的目标光波畸变前探测不需要哈特曼传感器，常用的波前探测器件如哈特曼传感器是分子孔径接收钠层信标后向散射光子，即收发望远镜接收的光子被分到了多个子孔径中，从而导致进入每个子孔径的光子数大大降低，子孔径内信标的成像质量大幅降低。而本发明对波前畸变探测是用全孔径接收后向散射光子，即收发望远镜所接受的光子不需要分到多个子孔径中，因而在相同的后向散射光子密度下，本发明对信标的成像质量大大提高。

附图说明

图1为本发明所述基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置的结构组成图：

图例说明：

11.589nm钠激光器，12.分光元件，13.准直透镜；21.倾斜镜，22.透镜，23.摆镜，24.收发望远镜；31.分光镜，32.一号聚焦透镜，33.一号CCD相机，34.计算机；41.变形镜，42.589nm滤光片，43.二号聚焦透镜，44.二号CCD相机；A.钠激光光束阵列横截面图，B.大气湍流，C.钠层结构化信标的横截面图，D.钠层，E.大气层外观测目标，F.钠层结构化信标的图像；

图2为本发明所述基于钠层结构化信标的自适应光学校正方法中，对大气湍流像差引起子光束传播方向偏折的原理图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例中基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置包含以下部分：由589nm钠激光器11、光栅12、准直透镜13组成的结构化钠激光光束阵列产生装置，由倾斜镜21、透镜22、摆镜23、收发望远镜24组成的望远镜系统，由分光镜31、一号聚焦透镜32、一号CCD相机33、计算机34组成的波前畸变提取装置，由变形镜41、589nm滤光片42、二号聚焦透镜43、二号CCD相机44、计算机34组成的波前畸变校正装置。

本实施例的具体工作过程如下：

首先是产生并发射结构化钠激光光束阵列：589nm钠激光器11出射激光到光栅12，被光栅12分成若干束由均匀相间的子光束组成的钠激光光束阵列，该光束阵列的横截面图样为均匀分布的光斑阵列(如附图1中A所示)，所述光束阵列经准直透镜13准直后，控制倾斜镜21使其处于位置a(使倾斜镜的法线方向与水平方向成135度夹角)，光束阵列入射到倾斜镜21表面，光束阵列经倾斜镜21表面反射后通过透镜22聚束后经由收发望远镜中心的圆孔(收发望远镜中心圆孔位于透镜的焦点)入射到摆镜23表面，所述摆镜23将钠激光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜24口径，所述收发望远镜24用于对钠激光光束阵列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜向上出射，由收发望远镜发射的结构化钠激光光束阵列关于收发望远镜的中心轴线对称，设定相邻两束子光束之间的发射角时应确保相邻两束子光束之间的间隔在上行传输过程中始终不超过大气相干长度r₀，此外，钠激光光束阵列从收发望远镜出射时，相邻两束子光束之间的间隔不能太小且结构化激光光束阵列在传输方向上必须是发散的；为了增加天空中子光束的数量和密度，本实施例采用电机驱动控制摆镜13前后或左右轻微摆动，使由收发望远镜24发射的结构化钠激光光束阵列在钠层扫描，扫描周期远远小于大气相干时间，这样可以确保子光束的间隔小于大气相干长度r₀，也可以增加光束阵列的采样范围。

其次是结构化钠激光光束阵列对大气湍流进行采样：由收发望远镜24发射的结构化钠激光光束阵列通过大气湍流上行传输时，其各子光束受大气湍流(如附图1中B所示)影响，会发生与其经过大气湍流像差(平面波经过大气湍流所产生的像差)的局部波前倾斜成正比的角度微偏折，如图2所示，W(x,y)为大气湍流像差波前，该波前被分割为若干直径不超过大气相干长度r₀的子孔径，将子孔径内的局部波前倾斜用一倾斜平面波进行线性拟合，平面波的倾斜等于子孔径内波前的平均倾斜，若通过子孔径的子光束截面尺寸远小于子孔径尺度，则子光束经过大气湍流后，其传输方向与拟合平面的法向相同(如图2中实线所示)。因此，结构化钠激光光束阵列中各子光束会受各子孔径内大气湍流像差影响发生不同角度Δθ_ij的微偏折，从而对大气湍流信息进行了采样；

再次是结构化钠激光光束阵列向上传输经过大气湍流并对大气湍流进行采样后，到达92km钠层并激发出钠层结构化信标：钠层结构化信标(如附图1中C所示)的产生是海拔92km钠层(如附图1中D所示)中的钠原子共振吸收钠激光并后向散射荧光所致，所述钠层中的钠原子在589nm处有一个吸收峰，共振吸收波长为589nm的各子钠激光光束后，后向散射荧光，形成子信标。在钠层中钠原子密度通常为(2～7)×10¹³atom/m²，对于入射的结构化钠激光光束阵列来说，钠层相当于一个“屏幕”，由于结构化钠激光光束阵列中各子光束会受大气湍流影响会发生与其经过大气湍流像差(平面波经过大气湍流所产生的像差)的局部波前倾斜成正比的角度微偏折，从而导致子光束在钠层激发的子信标发生与大气湍流相关的横向漂移，携带了大气湍流信息，表现为各子信标不再均匀分布，从而在钠层构成不规则的结构化信标。

接着是波前畸变提取装置提取出钠层结构化信标发出的后向散射荧光携带的波前畸变信息：钠层结构化信标发出的后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光(如附图1中E所示)通过大气湍流被引入大气湍流像差，发生光波前畸变，再在地面经收发望远镜接收并反射后汇聚入射至摆镜。此时摆镜在初始位置(即没有发生摆动的位置)静止不动，后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光在摆镜表面反射后经由收发望远镜中心圆孔进入望远镜系统内部，再被透镜准直，此时输出控制信号1控制倾斜镜21处于位置b(使倾斜镜的法线与水平方向成45度夹角)，后向散射荧光被倾斜镜21反射到分光镜31，所述分光镜31采用对波长为589nm的后向散射荧光有着高透过率而对其他波长的光有着高反射率特性的光学元件，因此绝大部分后向散射荧光透过分光镜31被一号聚焦透镜32汇聚到一号CCD相机33从而得到钠层结构化信标的图像(如附图1中F所示)；而来自大气层外观测目标的光则被分光镜反射到变形镜。通过利用时序信号控制一号CCD相机33快门开关，让其只在激光光束扫描至设定的位置(所述设定的子光束发射角在图像处理时作为参考)时短时间打开相机快门，以获得处在设定发射角的子光束所激发的子信标图像，通过多次打开快门，最终得到若干子信标组成的钠层结构化信标图像(由于后向散射荧光穿过大气湍流在地基望远镜中成像的过程为衍射受限系统的非相干成像，因此大气湍流只会使该图像中各子信标图像发生弥散，而不会改变各子信标的质心，从而该图像依然携带钠激光光束上行传输时采样得到的大气湍流信息)，将该图像送入计算机34进行图像处理，提取出结构化信标所携带的大气湍流信息，具体方法如下：找到各子信标质心对应的天顶角，再与相对应的子光束的设定发射角相比较即可得到由于大气湍流引起各子光束发生的角度微偏折Δθ_i,j，最后基于角度微偏折与光波前畸变的关系：

提取出大气湍流信息，其中分别为子光束在x,y方向发生的角度偏折，λ为光波长，W_i,j(x,y)为光波前畸变，分别为波前在x,y方向的倾斜。该信息用于控制变形镜校正由分光镜分束来的大气层外观测目标的光波前畸变。需要指出的是，大气湍流是随时间随机变化的，只有在远远小于大气相干时间的间隔内才能将其视为静止的，由于光在地面与钠层之间来回传输的时间(～10^-1ms)已经远远小于大气相干时间(～10ms)，因此在这一过程中要将大气湍流视为静止的，就要求结构化钠激光光束阵列在天空扫描的周期与计算机处理图像提取畸变波前信息所需时间之和远远小于大气相干时间，这样上行钠激光光束阵列在上行传输时经过的大气湍流与目标光下行传输时经过的大气湍流可以视为相同的，从而所提取的钠激光光束阵列在上行传输时采集的波前畸变信息才能够用于控制变形镜补偿大气湍流引起的大气层外观测目标光波前畸变。一方面，由于计算机处理的图像为点阵图像，相对普通图像更为简单，图像处理时间可以大大缩短。另一方面，本实施例利用望远镜全孔径成像，成像质量高，易识别，可以进一步缩短图像处理时间。基于以上两点，计算机处理所需时间就能缩短到远小于大气相干时间。

最后，波前畸变校正装置对大气层外观测目标的光产生的波前畸变进行校正：来自大气层外观测目标的光由分光镜31反射进入波前畸变校正装置，计算机34根据从钠层结构化信标图像中所提取大气湍流信息，发出信号控制变形镜41校正大气层外观测目标光产生的波前畸变，经校正后的来自大气层外观测目标的光经589nm滤光片42滤去残余的后向散射荧光后，再经二号聚焦透镜43将光聚焦进入二号CCD相机44，得到清晰的大气层外观测目标图像并将该图像传输至计算机34中，从而实现了自适应光学校正的目的。

Claims (6)

1.一种基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置，其特征在于：该装置包括结构化钠激光光束阵列产生装置、地面望远镜系统、波前畸变提取装置、波前畸变校正装置；所述结构化钠激光光束阵列产生装置包括589nm钠激光器(11)、分光元件(12)、准直透镜(13)，所述地面望远镜系统包括倾斜镜(21)、透镜(22)、摆镜(23)、收发望远镜(24)，所述波前畸变提取装置包括分光镜(31)、一号聚焦透镜(32)、一号CCD相机(33)、计算机(34)，所述波前畸变校正装置包括变形镜(41)、589nm滤光片(42)、二号聚焦透镜(43)、二号CCD相机(44)、计算机(34)；589nm钠激光器(11)出射激光经分光元件(12)分为由若干子光束组成的钠激光光束阵列，经准直透镜(13)准直后，钠激光光束阵列入射到倾斜镜(21)表面，此时倾斜镜(21)的法线处于与水平方向成135度夹角位置，钠激光光束阵列经倾斜镜(21)表面反射再经透镜(22)聚束后经由收发望远镜(24)中心的圆孔入射到摆镜(23)表面，所述摆镜(23)位于收发望远镜(24)焦点附近，将入射的钠激光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜(24)口径，所述收发望远镜(24)用于对钠激光光束阵列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜(24)向上出射从而使钠激光光束阵列在传输方向上发散；钠激光光束阵列上行传输时各子光束受大气湍流影响发生不同角度的微偏折，当钠激光光束阵列传输到90km～100km钠层时，钠层中钠原子被各阵列子光束泵浦到激发态从而形成由多个子信标阵列组成的结构化信标，结构化信标中的受激钠原子自发辐射产生的后向散射荧光与来自大气层外观测目标的光均由收发望远镜(24)接收并汇聚到摆镜(23)表面，再在摆镜(23)表面发生反射后经由收发望远镜(24)中心的圆孔被透镜(22)准直后传播到倾斜镜(21)表面，此时倾斜镜(21)的法线处于与水平方向成45度夹角位置，后向散射荧光与来自大气层外观测目标的光被倾斜镜(21)反射至分光镜(31)，所述分光镜(31)对波长为589nm的后向散射荧光有着高透过率而对其他波长的光有着高反射率，因此绝大部分后向散射荧光透过分光镜(31)被一号聚焦透镜(32)汇聚到一号CCD相机(33)得到钠层结构化信标的图像，一号CCD相机(33)将钠层结构化信标的图像传输到计算机(34)，在计算机(34)内提取出钠激光光束阵列上行传输时采样得到的波前畸变信息；绝大部分来自大气层外观测目标的光则被分光镜(31)反射至变形镜(41)，计算机(34)根据提取出的波前畸变信息控制变形镜(41)校正由分光镜(31)反射来的大气层外观测目标光波前畸变，经变形镜(41)校正后的大气层外观测目标光波前由589nm滤光片(42)滤去残余后向散射荧光后，由二号聚焦透镜(43)聚焦到二号CCD相机(44)中得到大气层外观测目标的清晰图像，并将该图像传输至计算机(34)中。

2.一种基于如权利要求1所述基于钠层结构化信标的自适应光学校正装置的钠层结构化信标自适应光学校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤(1)产生并发射结构化钠激光光束阵列：589nm钠激光器(11)出射激光经分光元件(12)分为由若干子光束组成的钠激光光束阵列，经准直透镜(13)准直后，钠激光光束阵列入射到倾斜镜(21)表面，控制倾斜镜(21)使其法线处在与水平方向夹角为135度角的位置，钠激光光束阵列经倾斜镜(21)表面反射再经透镜(22)聚束后经由收发望远镜(24)中心的圆孔入射到摆镜(23)表面，所述摆镜(23)将钠激光光束阵列反射并发散以充满整个收发望远镜(24)口径，所述收发望远镜(24)用于对钠激光光束阵列进行准直，使相邻子光束之间以设定的发射角从收发望远镜(24)向上出射，由收发望远镜(24)发射的结构化钠激光光束阵列关于收发望远镜(24)的中心轴线对称，设定相邻两束子光束之间的发射角时应确保相邻两束子光束之间的间隔在上行传输过程中始终不超过大气相干长度r₀；此外，钠激光光束阵列从收发望远镜(24)出射时，相邻两束子光束之间的间隔不能太小且结构化激光光束阵列在传输方向上必须是发散的；

步骤(2)结构化钠激光光束阵列对大气湍流进行采样；

步骤(3)结构化钠激光光束阵列向上传输经过大气湍流并对大气湍流进行采样后，到达90km～100km钠层并激发出钠层结构化信标；

步骤(4)波前畸变提取装置提取出钠层结构化信标所成图像携带的波前畸变信息：钠层结构化信标发出的后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光穿过大气湍流时被引入大气湍流像差，发生光波前畸变，再在地面经收发望远镜(24)接收并反射后汇聚入射至摆镜(23)，控制倾斜镜(21)使其法线处于与水平方向成45度角位置，后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光被摆镜(23)反射后通过收发望远镜(24)中心的圆孔，被透镜(22)准直后再经过倾斜镜(21)改变传播方向到达分光镜(31)，所述分光镜(31)对波长为589nm的后向散射荧光有着高透过率而对其他波长的光有着高反射率，将入射的后向散射荧光和来自大气层外观测目标的光分为两束：其中后向散射荧光透过分光镜(31)后进入波前畸变提取装置，来自大气层外观测目标的光在分光镜(31)表面反射，传播方向变为与原来的传播方向垂直后进入波前畸变校正装置；进入波前畸变提取装置的后向散射荧光通过一号聚焦透镜(32)聚焦后进入一号CCD相机(33)，得到钠层结构化信标图像，将该图像送入计算机(34)进行图像处理，提取出结构化信标所携带的大气湍流信息，具体方法如下：找到各子信标质心对应的天顶角，再与相对应的子光束的设定发射角相比较即可得到由于大气湍流引起各子光束发生的角度微偏折Δθ_i,j，最后基于角度微偏折与光波前畸变的关系：

${\mathrm{\Δ\θ}}_{i,j}^x=\mathrm{\λ}\frac{\∂W_{i,j}(x,y)}{\∂x}={\mathrm{\λS}}_{i,j}^x$

${\mathrm{\Δ\θ}}_{i,j}^y=\mathrm{\λ}\frac{\∂W_{i,j}(x,y)}{\∂y}={\mathrm{\λS}}_{i,j}^y$

提取出大气湍流信息；其中分别为子光束在x,y方向发生的角度偏折，λ为光波长，W_i,j(x,y)为光波前畸变，分别为波前在x,y方向的倾斜；

步骤(5)波前畸变校正装置对大气层外观测目标的光产生的波前畸变进行校正：来自大气层外观测目标的光由分光镜(31)反射进入波前畸变校正装置，计算机(34)根据从钠层结构化信标图像中所提取大气湍流信息，发出信号控制变形镜(41)校正大气层外观测目标光产生的波前畸变，经校正后的来自大气层外观测目标的光经589nm滤光片(42)滤去残余的后向散射荧光后，再经二号聚焦透镜(43)聚焦进入二号CCD相机(44)，得到清晰的大气层外观测目标图像并将该图像传输至计算机(34)中，从而实现了对大气层外观测目标波前畸变进行自适应光学校正的目的。

3.根据权利要求2所述钠层结构化信标自适应光学校正方法，其特征在于：光在地面与钠层之间往返一次所需时间与计算机(34)的图像处理时间之和必须远远小于大气相干时间。

4.根据权利要求2所述钠层结构化信标自适应光学校正方法，其特征在于：通过控制电机控制所述摆镜(23)前后或左右轻微摆动，使结构化钠激光光束阵列在天空扫描。

5.根据权利要求4所述钠层结构化信标自适应光学校正方法，其特征在于：利用时序信号控制一号CCD相机(33)快门在设定时间多次打开以获得若干子信标组成的钠层结构化信标图像。

6.根据权利要求4所述钠层结构化信标自适应光学校正方法，其特征在于：光在地面与钠层之间往返一次所需时间与计算机(34)的图像处理时间以及结构化钠激光光束阵列在天空扫描的周期之和必须远远小于大气相干时间。