CN105629457B - 一种瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，由钠黄光激光器、信标上行光束实时补偿系统、发射望远镜组成，钠黄光激光器发出589nm的激光，在90km左右的高空激发大气中的钠层形成钠信标，同时在25km以下的低空产生瑞利信标，实时补偿系统中的低密度变形反射镜和倾斜反射镜，对信标上行光束进行预校正，实现对在大气高层激发的钠信标光斑形态的优化，该信标上行光束实时补偿系统主要由变形反射镜、倾斜反射镜、分光机构、瑞利信标波前探测器、波前控制器组成。本发明解决了由于观测站址条件不佳、望远镜观测角度较低等原因造成的钠信标形态扩大，造成波前探测不准的问题，同时具有结构紧凑、适用范围广、容易实现的特点。

Description

一种瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜

技术领域

本发明为一种自适应光学装置，特别涉及一种瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，适合于大气观测条件较差，对信标光斑质量要求较高的人造信标自适应光学系统中。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics,AO)是近20余年来发展起来的新技术。其关键就在于通过探测大气湍流对波前扰动造成的畸变进而对观测目标进行补偿校正。当物体本身亮度不足或者物体等晕角之内没有满足条件的恒星时，需要使用人造信标来进行波前畸变的探测。目前主要的信标有两种：一种是钠信标，利用90km高空的钠原子的共振散射产生的后向散射光作为信标；另一种是瑞利信标，利用低层大气，通常在25km以下的大气分子的后向瑞利散射作为信标。

瑞利信标是由大气分子的瑞利散射产生，产生的亮度随着高度增加成指数衰减，瑞利信标产生的高度只能在较低海拔，对大气采样不充分，解决的办法是采用钠信标。钠信标是利用激光精确对准钠原子的D₂线，激发距离地面90km高空的钠层中的钠原子向高能级跃迁，实现自发辐射产生信标光，圆锥区域所覆盖的体积大于瑞利信标，进行自适应波前探测也更精确。

由于信标光斑的形态直接影响着最后波前探测的结果，所以尽可能地使得到的信标更小更亮。与信标的形态直接相关的因素就是大气相干长度r_o，国外站址的大气条件较好，r_o能够达到15cm左右；而在国内，只能达到5-10cm,使得信标光斑形态被大气湍流模糊展开，严重影响自适应光学系统波前探测精度。

目前国内外信标的发射装置主要有：未对产生信标的上行光路进行补偿，直接发射信标。这种发射装置不能主动控制光斑形态，不适用于较恶劣的大气条件中。国际天文望远镜由于站址优良，发射之前均未对激光波前进行预校正便可以满足使用要求，如日本的Subaru望远镜、美国的Keck望远镜等；第二种是对产生信标的上行光束进行补偿，使获得的信标更亮。如星火靶场(Starfire Optical Range,SOR)的3.5米望远镜，为了获取更小的光斑，在发射路径上选择恒星目标进行上行光束预校正的信标，实现对发射光束的预补偿，获得了光斑尺寸比原来光斑小1/2的效果，但是该方法需要在发射路径中找到合适的较亮的恒星目标，极大地限制了系统的观测天区。

发明内容

本发明的技术解决问题是：带自适应光学系统的望远镜在较恶劣站址下工作时，不依赖外部其他自然信标源时，通过瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，在产生钠信标的同时，利用发射望远镜接收低层瑞利信标回光，实现共孔径发射的激光上行光束预校正，实时补偿在发射孔径内的大气湍流的影响，解决由于站址大气湍流条件差而造成的钠信标光斑形态退化的问题，为自适应光学系统产生校正后的理想钠信标。

本发明的技术解决方案是：瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜包括：激光器、信标上行光束实时补偿系统和发射望远镜。其特征在于所述的信标上行光束实时补偿系统包括：变形反射镜，倾斜反射镜，瑞利信标波前探测器和波前控制器。从激光器中发出的589nm的线偏激光，依次通过倾斜反射镜，变形反射镜和分光机构，随后由发射望远镜扩束准直后输出，在90km高空产生钠信标，同时上行的过程中激光将在25km下产生瑞利信标；发射望远镜在发射上行激光的同时接收瑞利信标的回光，由瑞利信标波前探测器进行实时探测，通过波前控制器控制发射光路中的变形反射镜和倾斜反射镜实现对发射上行激光的预校正，从而控制在90km钠层形成钠信标的光斑形态。

所述激光器可以是脉冲激光器，也可以为连续激光器，中心波长要求精确对准钠原子的D_2a谱线。

所述变形反射镜和倾斜反射镜可以为两块分离的镜面，也可以是集成为一起的具备独立倾斜校正的变形反射镜。变形反射镜镀有高反射膜系；能够同时校正倾斜误差和高阶误差；利用逆压电效应产生位移，可以是压电晶片变形镜，可以是薄膜变形镜，可以是表面微机械变形镜和液晶器件。

所述的分光系统可以是普通的半透半反分光镜，但是这种分光方式发射损耗太大，可以采用以下两种分光方法：

利用光学特性分光。从激光器出射的光为线偏振激光(假设为s光)，经过1/4波片后，变为圆偏振光。由于瑞利散射具有保偏特性，所以经过发射望远镜接收的瑞利信标光也为圆偏振光，该圆偏光通过1/4波片后再次变为线偏光，此时的线偏光与发射时的线偏光有90°的夹角(为p光)。根据这样的光学特性，可以设计一块分光镜，对偏振方向为s方向的线偏光为反射，对偏振方向为p方向的线偏光为透射，即可实现相同波长的激光的高效分光。

利用泵浦钠信标的发射光束和瑞利信标回光的时间差实现分时分光。此种方法只能利用于脉冲激光器。如脉冲重频为500Hz，脉宽为100us，瑞利信标高度为15km,钠信标高度为90km计算。脉冲间隔为2ms，前一个脉冲发出去的瑞利回光需要的时间为100us,刚好和发射激光不重合。此时需要设计一个像斩波器一样的转镜，在脉冲发射这100us内，转镜切换到反射状态；当这100us结束，切换到透射状态，将瑞利回光透射到瑞利信标波前探测器中。其余时间段，则转镜设计为吸收区，不允许任意光透过和反射。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明利用了589nm波段能够产生瑞利散射的特点，将激光在上行过程中同时产生的瑞利信标来校正钠信标。与未校正钠信标的系统相比，校正后的光斑更小，更适宜于自适应光学系统波前探测。

(2)本发明利用发射信标光和接收信标光是同孔径的特点，钠信标的发射望远镜同时是瑞利信标的接收望远镜，瑞利信标经过的大气路径和钠信标发射的路径相关度高，能够最大程度地校正大气湍流产生的波前畸变。

(3)本发明对钠信标的上行激光束进行了预校正，同时校正时不依赖外部其他恒星，不影响系统的观测天区覆盖率，并降低了望远镜对站址大气条件要求。

综上所述，本发明在对激光器功率和运转方式无限制，对整体系统改变不大的情况下，能够充分地利用激光，有效地改善由于站址大气湍流条件差造成的钠信标光斑形态退化，而且结构简单紧凑，适用范围广，实现容易的优点，能够应用于大气条件恶劣的情况，极大地提升了自适应光学系统探测精度。

附图说明

图1为本发明装置的组成及原理示意图；

图2为基于共孔径钠信标激光发射与校正望远镜系统的控制框图示意图。

具体实施方式

如图1所示，从激光器发出的线偏振光，中心波长精确对准D_2a谱线，并且将10％能量分配到D_2b谱线上，通过19单元变形反射镜的反射，到达分光系统。此时，分光系统对发射激光是反射。通过1/4波片后，线偏振光变为圆偏振光，再通过发射望远镜扩束准直后输出，在90km高空形成钠信标。在激光上行的路径中，低层的大气分子会产生瑞利散射，此时的后向瑞利散射光可以作为瑞利信标。瑞利信标的亮度也随着高度的增加呈指数的衰减，海拔高度越低，信标越亮，但是聚焦非等晕性也越强。在能满足探测器探测要求的情况下，瑞利信标选得越高越好。通过发射望远镜同时接收具有相同偏振态的瑞利信标的回光，再次通过1/4波片后，变为线偏振光，此时的线偏振光和发射时的线偏振光有90度的夹角。分光系统此时为透射状态，接收的光子进入瑞利信标探测器，进行波前的实时探测。

根据激光雷达方程，所接收到的瑞利信标的回光子数为：

其中，E：激光每个脉冲能量，J；λ:光波长，m；h:普朗克常量；

c:光速，3×10⁸m/s；σ_B:有效散射截面，m²，P(z)：在高度为z的地方的大气压力，百万兆帕；T(z)：在高度为z的地方的温度，K；n(z):在高度为z时散射粒子密度，m^-3；△z:选通长度，m，D_p为发射望远镜口径；A_R:接收面积，m²；z:产生信标的平均高度；T₀：传输和接收路径上的光学元件的透过率；T_A：望远镜和信标之间单程的透过率；η：波长为λ的光子在探测器上的量子效率。

将接收回的光子分配到波前探测器的子孔径中，波前探测器采用动态哈特曼-夏克波前传感器。用传感器测得畸变的波前在每个子孔径上光斑中心在X和Y方向上的漂移，可以求出各子孔径范围内的波前在两个方向上的平均斜率：

其中，f是微透镜焦距，I_i是像素i接收到的信号，X_i，Y_i是第i个像素的坐标，(X_C，Y_C)是光斑质心的坐标，(G_X，G_Y)为波前平均斜率，S为子孔径面积。得到子孔径斜率数据后，通过直接斜率波前复原算法得到加在变形镜上的电压。

设输入信号V_j是加在第j个驱动器上的控制电压，由此产生哈特曼传感器子孔径内的平均波前斜率量为：

i＝1,2,3,4,5……

其中R_j(x，y)为变形镜第j个驱动器的影响函数，t为驱动器个数，m为子孔径个数，S_i为子孔径i的归一化面积。当控制电压在合适的范围内时，变形镜的相位校正量和驱动器电压线性近似，子孔径斜率量与驱动器电压成线性关系，均满足叠加原理，所以上式可以写为矩阵的形式：

G＝R_xyV

R_xy为变形镜到哈特曼传感器的斜率相应矩阵，用实验测得；G为需要校正的波前相差斜率测量值，因此可以得到控制电压：

V＝R⁺ _xyG

其中，为R_xy的广义逆。这样就求出应该施加在变形镜上每个驱动器的电压，变形镜产生相应的形变，使发射的激光产生波前畸变，从而实现光斑的校正与控制。

如图2所示的过程描述如下：从激光器出射的光为线偏振激光(假设为s光)，经带有倾斜台的变形反射镜反射后通过偏振分光镜反射(对偏振方向为s方向的线偏光为反射，对偏振方向为p方向的线偏光为透射)，透过1/4波片后，变为圆偏振光，再经过扩束聚焦透镜组将光束发射到天空中，激光在90km高度钠层形成钠信标的同时，在低层20km以下还会形成瑞利信标，由于瑞利散射具有保偏特性，利用同一发射望远镜的扩束聚焦透镜组接收的瑞利信标光也为圆偏振光，该圆偏光再次通过1/4波片后将变为线偏光，此时的线偏光与发射时的线偏光会旋转90°的夹角(为p光)，将透射经过偏振分光镜，并进入到瑞利信标波前探测其中对回光的瑞利信号进行探测，并最后经波前控制器计算控制带倾斜台的变形反射镜，实现对上行光束的预校正。

Claims (5)

1.一种瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，包括激光器(1)和发射望远镜(9)，其特征在于：还包括信标上行光束实时补偿系统(8)，所述信标上行光束实时补偿系统(8)包括：变形反射镜(3)、倾斜反射镜(2)、瑞利信标波前探测器(5)和波前控制器(4)；从激光器(1)中发出的589nm的线偏激光，依次通过倾斜反射镜(2)，变形反射镜(3)和分光机构(6)，随后由发射望远镜(9)扩束准直后输出，在90km高空产生钠信标，同时上行的过程中激光将在25km下产生瑞利信标；发射望远镜(9)在发射上行激光的同时接收瑞利信标的回光，由瑞利信标波前探测器(5)进行实时探测，通过波前控制器(4)控制发射光路中的变形反射镜(3)和倾斜反射镜(2)实现对发射上行激光的预校正，从而控制在90km钠层形成钠信标的光斑形态。

2.根据权利要求1所述的瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，其特征在于：所述分光机构(6)分光方式为能量分光；或为偏振分光，偏振分光时，激光在进入扩束装置之前，需要使用一个1/4波片(7)，将线偏振激光转换为圆偏振激光，根据发射光束和瑞利信标回光的线偏振方向的不同，实现偏振分光；或为分时分光，当激光器(1)为脉冲激光时，根据发射光束和瑞利信标回光的时间差实现分时分光。

3.根据权利要求1所述的瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，其特征在于：所述的激光器(1)为连续激光器，或为脉冲激光器，或者准连续激光器；所述激光器输出光的中心波长要求精确对准钠原子的D_2a谱线。

4.根据权利要求1所述的瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，其特征在于：所述变形反射镜(3)为镀高反射膜的压电陶瓷反射式变形镜，或是压电晶片变形镜，或薄膜变形镜，或是表面微机械变形镜和液晶器件；用来校正大气湍流产生的误差，或用来校正系统本身的静态误差。

5.根据权利要求1所述的瑞利信标与钠信标结合的共孔径发射与校正望远镜，其特征在于：所述变形反射镜(3)和倾斜反射镜(2)为两块分离的镜面，或是集成为一起的具备独立倾斜校正能力的变形反射镜。