CN105607074A - 一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统 - Google Patents

一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，包括激光信标发射子系统、接收望远镜、目标星波前探测器、激光信标波前探测器、目标星高精跟踪传感器、成像探测器、倾斜控制系统、高阶像差控制系统等；系统采用两级倾斜控制系统，实现大动态范围和高精度倾斜像差控制；采用两级变形控制系统，实现对低频像差和高频像差的分开探测和控制；本发明利用两套波前探测器，探测出不同信号光提供的倾斜、低阶和高阶像差信号，可解决单独由激光信标波前探测引入的非等晕误差问题，以及克服导星抖动误差问题；同时针对脉冲激光的特点，采用外触发斩波技术，可有效消除望远镜不同高角的瑞利散射对波前探测的影响，实现利用激光信标对波前误差不间断探测。

Description

一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统
技术领域
本发明涉及一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，用于对暗弱目标的高分辨率成像，尤其涉及一种针对激光信标特性的自适应光学系统。
背景技术
自适应光学是一种对动态像差进行实时探测和校正的技术。自适应光学技术最早应用在天文观测领域，利用所观测的目标自身所反射的太阳光作为信标进行波前误差探测，实现对各种星体目标的高分辨率成像。为了实现对暗弱目标的高分辨力成像识别，必须采用基于激光导引星的自适应光学技术。对于传统自适应光学技术，主要利用波前传感器直接对目标星进行探测，同时获取倾斜、离焦和高阶像差信息，并利用一级倾斜镜和变形镜进行像差校正控制。但是一级倾斜镜，不能同时实现大动态范围和高精度的校正控制，同时由于大气湍流是一种复杂的像差分布，同时存在低阶和高阶像差，以及低频和高频像差，因此要实现对大气湍流像差的更好校正，需要采用分类控制的方法。
另外，由于激光信标是人为激光在目标光附近产生的亮目标，因此存在以下几个问题：(1)激光信标的稳定性和大小问题，这决定了波前探测的准确度和精度；(2)由于激光信标的高度小于目标星的高度，同时还存在角度偏差，由此会引入聚焦非等晕和角度非等晕误差；(3)激光信标经过上行和下行传输后，不能实现对大气湍流的倾斜像差探测；(4)激光在传输过程中，会产生较强的瑞利后向散射，对波前探测产生极大的背景噪声；(5)在望远镜跟踪目标星的过程中，会不断改变望远镜高角，从而使激光信标的距离以及瑞利散射的高度发生变化，导致激光信标的大小发生变化。
因此，需要针对激光信标的特性，发明一种基于激光信标的自适应光学系统。
发明内容
本发明解决的技术问题是：解决发射激光信标，以及利用激光信标对大气湍流进行探测和校正的技术问题，提供一种针对脉冲激光的信标自适应光学系统，实现对暗弱目标的高分辨成像。
本发明的技术解决方案是：一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，包括脉冲激光发射系统27、接收望远镜1、目标星高精跟踪传感器29、成像探测器31、变形镜4、目标星波前探测器28、激光信标波前探测器30、一级倾斜镜3和二级倾斜镜7；
激光信标和目标星的光能量同时被接收望远镜1接收，经过准直透镜2准直后，依次通过一级倾斜镜3和变形镜4，在分光镜5进行光谱分光，其中目标光的部分光谱光透射进入目标星波前探测器28，剩余的目标光光谱光和激光信标光经过分光镜5反射，缩束系统6缩束，以及二级倾斜镜7反射后，在分光镜8进行光谱分光，目标光的部分光谱光透射进入目标星高精跟踪传感器29，其他的光谱经分光镜8反射后，在分光镜9进行光谱分光，目标光的剩余光谱透射进入成像探测器31，激光信标光谱反射进入激光信标波前探测器30；
系统中的目标星波前探测器28和激光信标波前探测器30两路波前探测器，分别实现对不同目标和不同像差的探测；利用目标星波前探测器28探测目标光得到低阶像差，控制接收望远镜1中的次镜32校正低阶低频像差；利用目标星波前探测器28探测目标光得到低阶像差，同步利用激光信标波前探测器30探测信标光得到高阶像差，同时控制变形镜4校正低阶高频像差以及高阶像差，最终解决单独由激光信标波前探测引入的非等晕误差问题，实现激光信标模式下对大气湍流像差的探测和校正；利用目标星波前探测器28探测目标光，得到低频倾斜像差，控制一级倾斜镜3，实现大动态范围倾斜像差控制；利用目标星高精跟踪传感器29探测目标光，得到高频倾斜像差，控制二级倾斜镜7，实现高精度倾斜像差控制；利用激光信标波前探测器30探测信标光，得到倾斜像差，控制脉冲激光发射系统27中的倾斜镜24，克服发射光路由于激光上行光路大气湍流抖动、发射机架振动等因素引入的导星抖动误差问题；
脉冲激光发射系统27包括脉冲激光器26、反射镜25、倾斜镜24、次镜22、调焦系统23和主镜21；经脉冲激光器26发出的脉冲激光，依次经过发射镜25、倾斜镜24、次镜22和主镜21，发射到一定高度的大气层中，产生激光信标；
所述目标星波前探测器28由多子孔径10和相机11组成；相机11放置在多子孔径10的焦点位置，目标光经过多子孔径10在相机11上形成多个像点，依据每个像点相对标定位置的偏移量，计算出倾斜像差和离焦、象散等低阶像差；
所述目标星高精跟踪传感器29由成像系统12和探测器13组成；探测器13放置在成像系统12的焦点位置，目标光经过成像系统12在探测器13上成像，依据像点相对标定位置的偏移量，计算出倾斜像差；
所述成像探测器31由成像系统19和相机20组成，实现对目标星的高分辨率成像。
所述激光信标波前探测器30由缩束系统14、斩波系统15、视场光阑16、微透镜阵列17和相机18组成；视场光阑16放置在缩束系统14的焦点位置，斩波系统15放置在缩束系统14的焦点附近，相机18放置在微透镜阵列17的焦点位置；信标光经过缩束系统14缩束后，经过微透镜阵列17，在相机18上形成像点阵列；依据阵列像点相对标定位置的偏移量，计算出倾斜像差和高阶像差；斩波系统15是一个时间选通控制器，由脉冲激光给出外触发信号，对选通时间起始位置和选通时间长度进行选择，可有效消除望远镜不同高角的瑞利散射对波前探测的影响；
所述的多子孔径10是一种2×2微透镜阵列，或者3×3微透镜阵列，或者4×4微透镜阵列。
本发明的原理：根据脉冲激光信标和大气湍流像差的特点，设计自适应光学系统；系统采用两级倾斜控制系统，实现大动态范围和高精度倾斜像差控制；采用两级变形控制系统，实现对低频像差和高频像差的分开探测和控制；系统利用两套波前探测器，探测出不同信号光提供的倾斜、低阶和高阶像差信号，可解决单独由激光信标波前探测引入的非等晕误差问题，以及克服导星抖动误差问题；同时针对脉冲激光的特点，采用外触发斩波技术，可有效消除望远镜不同高角的瑞利散射对波前探测的影响，实现利用激光信标对波前误差不间断探测。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)实现大动态范围和高精度倾斜像差控制；
(2)实现对大气湍流像差分类控制；
(3)解决单独由激光信标波前探测引入的非等晕误差问题，以及克服导星抖动误差问题；
(4)有效消除望远镜不同高角的瑞利散射对波前探测的影响，实现利用激光信标对波前误差不间断探测。
附图说明
图1为本发明中基于脉冲激光的信标自适应光学系统示意图；
图中：1接收望远镜、2准直透镜、3一级倾斜镜、4变形镜、5分光镜、6缩束系统、7二级倾斜镜、8分光镜、9分光镜、10多子孔径、11相机、12成像透镜、13探测器、14缩束系统、15斩波系统、16视场光阑、17微透镜阵列、18相机、19成像透镜、20相机、21主镜、22次镜、23调焦系统、24倾斜镜、25反射镜、26激光器、27脉冲激光发射系统、28目标星波前探测器、29目标星高精跟踪传感器、30激光信标波前探测器、31成像探测器、32接收望远镜次镜
图2为3×3微透镜阵列示意图；
图3为针对500Hz脉冲激光器，斩波系统示意图；
图4为针对500Hz脉冲激光器，对望远镜不同高角，斩波时序图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括脉冲激光发射系统27、接收望远镜1、目标星高精跟踪传感器29、成像探测器31、变形镜4、目标星波前探测器28、激光信标波前探测器30、一级倾斜镜3和二级倾斜镜7；
其中脉冲激光发射系统27包括脉冲激光器26、反射镜25、倾斜镜24、次镜22、调焦系统23和主镜21；目标星波前探测器28由多子孔径10和相机11组成，相机11放置在多子孔径10的焦点位置；目标星高精跟踪传感器29由成像系统12和探测器13组成，探测器13放置在成像系统12的焦点位置，目标光经过成像系统12在探测器13上成像；成像探测器31由成像系统19和相机20组成，实现对目标星的高分辨率成像；激光信标波前探测器30由缩束系统14、斩波系统15、视场光阑16、微透镜阵列17和相机18组成；视场光阑16放置在缩束系统14的焦点位置，斩波系统15放置在缩束系统14的焦点附近，相机18放置在微透镜阵列17的焦点位置；
500Hz脉冲激光器26发射出激光，经过反射镜25和倾斜镜24，进入次镜22和主镜21，经过调焦系统23发射到大气层指定高度，形成激光信标；在望远镜天顶角90°时，信标高度为80km-105km，在望远镜天顶角30°时，信标高度为150km-210km；
目标星光和激光信标光通过大气层向下传输，进入接收望远镜1，经过准直透镜2准直后，依次通过一级倾斜镜3和变形镜4，在分光镜5进行光谱分光，其中目标光的部分光谱光透射进入目标星波前探测器28，剩余的目标光光谱光和激光信标光经过分光镜5反射，缩束系统6缩束，以及二级倾斜镜7反射后，在分光镜8进行光谱分光，目标光的部分光谱光透射进入目标星高精跟踪传感器29，其他的光谱经分光镜8反射后，在分光镜9进行光谱分光，目标光的剩余光谱透射进入成像探测器31，激光信标光谱反射进入激光导引星波前探测器30；
由激光信标波前探测器30探测的倾斜像差信号控制发射系统中的倾斜镜24，减小导星的抖动误差；同时控制发射系统中的调焦系统23，使导引星的光斑尺寸最小；
目标星波前探测器28中的多子孔径10如图2所示，为3×3微透镜阵列，可以实现对目标光的倾斜像差、离焦高频像差和低频像差的探测；其探测的倾斜信号用于控制一级倾斜镜3，离焦高频像差用于控制变形镜4，低频像差用于控制接收望远镜次镜32；
对于500Hz脉冲激光器，激光信标波前探测器30中的斩波系统15设计如图3所示，黑色叶片代表挡光，时间1ms，白色部分代表通光，时间1ms；以黑白交接处作为零点，从黑色叶片开始，以信标高度80km对应的时间466us作为起始位置，然后由脉冲激光器26外触发控制斩波系统15进行工作，其控制时序图如图4所示，黑色叶片从起始位置开始运行534us后，可将80km以下的瑞利散射全部挡掉，然后白色通光部分可通过534us到1500us的信标光，对应望远镜天顶角30°时，210km的信标高度；然后再次进入黑色叶片部分，没有光通过，总时长2ms之后进入下一个脉冲周期；由此可以同时满足望远镜从天顶角90°到天顶角30°变化时，探测到信标信号，并且消除瑞利散射对波前探测的影响；
消除瑞利散射之后的激光信标波前探测器30，可以探测信标光的倾斜和高阶高频像差；其探测的信标倾斜信号，用于控制发射系统中的倾斜镜24；探测的信标光高阶高频像差信号，用于控制变形镜4；
分别利用目标星和激光信标对大气湍流像差的分类探测和校正后，最终可以完成对暗弱目标的高分辨率成像。

Claims (7)

1.一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，包括：脉冲激光发射系统(27)、接收望远镜(1)、目标星高精跟踪传感器(29)、成像探测器(31)、变形镜(4)、目标星波前探测器(28)、激光信标波前探测器(30)、一级倾斜镜(3)和二级倾斜镜(7)，其特征在于：
激光信标和目标星的光能量同时被接收望远镜(1)接收，经过准直透镜(2)准直后，依次通过一级倾斜镜(3)和变形镜(4)，在分光镜(5)进行光谱分光，其中目标光的部分光谱光透射进入目标星波前探测器(28)，剩余的目标光光谱光和激光信标光经过分光镜(5)反射，缩束系统(6)缩束，以及二级倾斜镜(7)反射后，在分光镜(8)进行光谱分光，目标光的部分光谱光透射进入目标星高精跟踪传感器(29)，其他的光谱经分光镜(8)反射后，在分光镜(9)进行光谱分光，目标光的剩余光谱透射进入成像探测器(31)，激光信标光谱反射进入激光信标波前探测器(30)；
系统中的目标星波前探测器(28)和激光信标波前探测器(30)两路波前探测器，分别实现对不同目标和不同像差的探测；利用目标星波前探测器(28)探测目标光得到低阶像差，控制接收望远镜(1)中的次镜(32)校正低阶低频像差；利用目标星波前探测器(28)探测目标光得到低阶像差，同步利用激光信标波前探测器(30)探测信标光得到高阶像差，同时控制变形镜(4)校正低阶高频像差以及高阶像差，最终解决单独由激光信标波前探测引入的非等晕误差问题，实现激光信标模式下对大气湍流像差的探测和校正；利用目标星波前探测器(28)探测目标光，得到低频倾斜像差，控制一级倾斜镜(3)，实现大动态范围倾斜像差控制；利用目标星高精跟踪传感器(29)探测目标光，得到高频倾斜像差，控制二级倾斜镜(7)，实现高精度倾斜像差控制；利用激光信标波前探测器(30)探测信标光，得到倾斜像差，控制脉冲激光发射系统(27)中的倾斜镜(24)，克服发射光路由于激光上行光路大气湍流抖动、发射机架振动等因素引入的导星抖动误差问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，其特征在于：所述脉冲激光发射系统(27)包括脉冲激光器(26)、反射镜(25)、倾斜镜(24)、次镜(22)、调焦系统(23)和主镜(21)；调焦系统(23)，是改变次镜(22)和主镜(21)之间轴向间距的调整机构，实现激光在大气层不同高度的聚焦；经脉冲激光器(26)发出的脉冲激光，依次经过发射镜(25)、倾斜镜(24)、次镜(22)和主镜(21)，发射到一定高度的大气层中，产生激光信标。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，其特征在于：所述目标星波前探测器(28)由多子孔径(10)和相机(11)组成；相机(11)放置在多子孔径(10)的焦点位置，目标光经过多子孔径(10)在相机(11)上形成多个像点，依据每个像点相对标定位置的偏移量，计算出倾斜像差和离焦、象散等低阶像差。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，其特征在于：所述目标星高精跟踪传感器(29)由成像系统(12)和探测器(13)组成；探测器(13)放置在成像系统(12)的焦点位置，目标光经过成像系统(12)在探测器(13)上成像，依据像点相对标定位置的偏移量，计算出倾斜像差。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，其特征在于：所述成像探测器(31)由成像系统(19)和相机(20)组成，实现对目标星的高分辨率成像。
6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，其特征在于：所述激光信标波前探测器(30)由缩束系统(14)、斩波系统(15)、视场光阑(16)、微透镜阵列(17)和相机(18)组成；视场光阑(16)放置在缩束系统(14)的焦点位置，斩波系统(15)放置在缩束系统(14)的焦点附近，相机(18)放置在微透镜阵列(17)的焦点位置；信标光经过缩束系统(14)缩束后，经过微透镜阵列(17)，在相机(18)上形成像点阵列；依据阵列像点相对标定位置的偏移量，计算出倾斜像差和高阶像差；斩波系统(15)是一个时间选通控制器，由脉冲激光给出外触发信号，对选通时间起始位置和选通时间长度进行选择，可有效消除望远镜不同高角的瑞利散射对波前探测的影响。
7.根据权利要求3所述的一种基于脉冲激光的信标自适应光学系统，其特征在于：所述多子孔径(10)是一种2×2微透镜阵列，或者3×3微透镜阵列，或者4×4微透镜阵列。
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