CN110907950B - 利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，采用探测系统进行探测计算，其中系统包括信标激光器、第一分光机构、湍流探测器、波前控制器、相位调制器、反射镜和发射望远镜，所述信标激光器能够发出长脉冲激光；方法主要通过对大气湍流分层，以及出射脉冲激光的分段探测，即分别探测各段脉冲激光穿过不同湍流层产生的波前畸变，再通过特殊的解耦算法进行解耦计算，复原整个上行路径的畸变信息为W＝f(W_M,W₁)。充分利用长脉冲的传输特性，并通过特殊解耦算法，得到发射路径上大气湍流信息，对钠信标进行预校正，有效改善钠信标形态，提升后端自适应光学系统性能，同时提升了激光能量利用率，简化系统复杂程度，具有极好的可操作性。

Description

利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法

技术领域

本发明涉及一种自适应光学系统，具体涉及一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统利用信标对大气湍流进行实时波前探测，波前控制器根据探测信号实时控制主动元件对畸变波前进行补偿，使畸变波前恢复为平面波前，从而获得衍射极限的成像。当观测物体本身亮度不满足探测要求且等晕角内没有满足条件的自然信标时，主要利用人造信标来进行波前探测。人造信标的产生主要有两种方式：一种利用大气分子的后向瑞利散射回光产生瑞利信标，受大气分子浓度的限制，产生的高度通常低于20km；另一种利用90km处钠原子共振散射回光产生钠信标。

利用人造信标进行波前探测，而波前探测误差与钠信标光斑大小成正比，与回光数成反比，钠信标的光斑形态将影响着波前探测的精度，进而影响整个自适应光学系统的性能。

产生人造信标的激光经发射望远镜扩束聚焦时，上行路径发射孔径内的大气湍流将对上行激光波前产生畸变，从而造成光斑模糊展宽，降低波前探测精度。目前通常利用预校正的方式来对上行路径的湍流产生的波前畸变进行补偿，因此，如何探测到上行路径的湍流，是进行信标预校正的基础与前提，也是当前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法，充分利用长脉冲传输特性，探测大气湍流探测，复原上行路径湍流信息，具有良好的可操作性。

其技术方案如下：

一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其关键在于：包括信标激光器、第一分光机构、湍流探测器、波前控制器、相位调制器、反射镜和发射望远镜，所述信标激光器能够发出长脉冲激光，所述长脉冲激光依次经第一分光机构透射、相位调制器反射、及反射镜的反射之后，通过发射望远镜出射；

所述发射望远镜能够接收长脉冲激光出射产生的瑞利散射回光，所述瑞利散射回光依次经反射镜的反射、相位调制器的反射、及第一分光机构的反射之后，为湍流探测器所探测，所述波前控制器根据湍流探测器探测得到的信息控制相位调制器产生相应变形。

采用以上方案，利用长脉冲在大气中传输特性，即可便于湍流探测器进行分段探测，即波前控制器的分段记录等，且可根据计算结果通过波前控制器进行波前复原，充分利用激光，而避免额外设置激光器进行上行路径湍流探测，简化了系统的复杂程度，具有极佳的可操作性。

作为优选：还包括第二分光机构、倾斜探测器和倾斜控制器，其中第二分光机构位于相位调制器和反射镜之间，所述反射镜为倾斜反射镜，所述瑞利散射回光一部分经第二分光机构透射、相位调制器的反射、及第一分光机构的反射之后，为湍流探测器所探测，另一部分经第二分光机构的反射之后进入倾斜探测器，所述倾斜控制器根据倾斜探测器的探测信号调整所述倾斜反射镜，从而稳定出射激光光轴。采用以上方案，通过倾斜控制器对倾斜探测器的控制，有利于稳定光轴，提高出射激光的精准度。

作为优选：所述湍流探测器可以为波前探测方式的哈特曼波前探测器；或为无波前探测方式的目标性能探测器，所述目标性能探测器通过获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且所述成像性能函数具有唯一的极大值和唯一的极小值。采用以上方案，可根据条件选择不同设备以不同的方式进行探测，结构相对简单，扩大适用范围，便于获得，有利于降低系统成本。

作为优选：所述的相位调制器是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，或是薄膜变形镜，或是表面微机械变形镜或液晶器件。多种形式的变形镜均能满足本系统中相位校正器的功能需求，用来校正大气湍流产生的动态相位起伏，或用来校正系统本身的静态相位起伏。

作为优选：所述信标激光器为固体激光器，或为光纤激光器，或为染料激光器，所述信标激光器出射产生的信标为钠信标或瑞利信标。采用以上方案，本系统利用瑞利散射光作为二次信标，避免新增一路激光以阐述信标来进行上行路径湍流的探测，可适用于钠信标和瑞利信标上行路径的湍流校正，具有较大的使用范围。

作为优选：所述第一分光机构采用能量分光结构、或采用偏转分光结构、或采用分时分光的结构。采用以上方案，可根据需要与实际成本旋转不同的分光结构，具有多种可选择性，可操作性更强。

基于上述的探测系统，本申请提出了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，利用特殊的解耦算法，快速复原上行路径湍流信息，扩大预校正的使用范围，可为自适应光学产生形态更优的人造信标，提升后期自适应光学系统的校正性能，其技术方案如下：

一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其关键在于：采用上述探测系统，并按如下步骤探测计算：

第一步、确定第一层大气湍流海拔高度h₁，第二层大气湍流海拔高度h₂；

第二步、启动信标激光器，使其发出一个完整的激光脉冲，并将该激光脉冲分为前端A段光柱和尾端B段光柱，所述前端A段光柱的长度等于h₂与h₁之间的差值；

当所述前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，所述湍流探测器探测前端A段光柱的瑞利散射回光，得到第一层湍流产生的波前畸变W₁，并将畸变W₁保存至波前控制器中；

第三步、当前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，所述湍流探测器对激光脉冲整体光柱的回光进行探测，此时前端A段光柱经过大气湍流产生的波前畸变为W₁+W₂，其中W₂为前端A段光柱穿过第二层大气湍流时产生的波前畸变，所述尾端B段光柱穿过第一层大气湍流产生的波前畸变为W₁，回光探测的湍流畸变W_M为上行路径整体湍流以及第一层大气湍流的畸变之和，W_M＝k·W₁+W₂，其中k为第一层大气湍流所产生的影响权重系数，并将W_M保存于波前控制器4中；

第四步、根据W₁和W_M之间的相关性，利用解耦算法解耦出整个上行路径大气湍流产生的畸变信息为W＝f(W_M,W₁)。

充分利用长脉冲的传输特性，对完整激光脉冲的分段探测，并对探测结果进行记录，后期综合解耦两次畸变信息的方法复原整个上行路径的大气湍流信息，相比传统直接接收瑞利回光进行探测的方式而言，其结果更准确可靠。

作为优选：第四步解耦过程中首先求解前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，发射望远镜所接收到的回光子数P₁；其次求解前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，发射望远镜所接收到的回光子数P₂，所述整个上行路径大气湍流产生的畸变信息W＝W₁+W₂＝(δ+1)W_M-δW₁，其中

采用以上方案，其解耦过程更合理，趋于实际。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明利用长脉冲激光在大气中传输时，不同海拔高度激光采样的大气湍流虽然不一致，但是存在着相关性这一特点，通过特殊的解耦算法，复原出整个发射路径大气湍流信息，从而扩大了信标上行光路预校正系统使用的范围。

(2)本发明利用信标激光在上行链路中不可避免地与大气分子产生瑞利散射，利用瑞利散射光作为二次信标，避免了新增一路激光产生信标来探测上行路径湍流，从而减少了系统复杂程度，提升了可操作性。

(3)本发明利用瑞利散射光作为信标，可用于对钠信标上行路径湍流校正，或用于瑞利信标上行路径湍流校正，扩大了系统使用范围。

综上所述，本发明利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法，针对长脉冲激光在大气中传输时不同海拔高度激光对湍流采样不同，通过特殊解耦算法，得到发射路径上大气湍流信息，对信标进行预校正，有效改善信标形态，提升后端自适应光学系统性能，同时无需对激光脉宽进行调制，如斩波，提升了激光能量利用率，简化系统复杂程度，适用于大气湍流较强的站址，具有极好的可操作性。

附图说明

图1为本发明系统的结构及原理示意图；

图2为哈特曼波前探测器子孔径排布示意图；

图3为相位调制器的驱动器排布示意图；

图4为相位调制器驱动器响应函数示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

为便于理解，首先对本申请的背景做进一步阐述，当钠激光在大气中传输时，不可避免的与大气分子产生瑞利散射，瑞利散射回光同时携带了上行路径湍流的信息，因此利用上行激光产生的瑞利回光作为信标进行上行路径湍流的探测不仅可以充分利用激光，而且避免了利用额外单独激光器产生信标探测上行路径湍流，简化了系统的复杂程度，提升了系统的可操作性。

而当一个完整的脉冲通过发射望远镜发射进入大气层后，这个脉冲内的激光将与大气层产生散射，以中科院理化所的固体准连续钠信标激光器为例，其脉宽为100～120us，发射一个完整的脉冲相当于同时照射了30km范围内的大气层，上行激光不同海拔处的瑞利回光携带的湍流信息均不相同，并非为整个路径上的完整湍流，如图1所示，如果此时将接收到的回光用于波前探测，此时前端A段光柱将经历第一层大气湍流和第二层大气湍流这两层大气湍流产生的波前畸变；而尾端B段光柱仅经历了第一层大气湍流产生的波前畸变，因此，如果直接利用此时接收到的瑞利回光进行探测，结果将包含了两次地表层大气湍流的信息，无法准确复原出上行激光经历的大气湍流。

在此背景之下，参考图1至图4，本申请提出了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其主要包括信标激光器1、第一分光机构2、湍流探测器3、波前控制器4、相位调制器5、反射镜9和发射望远镜10，所述信标激光器1能够发出长脉冲激光，所述长脉冲激光依次经第一分光机构2透射、相位调制器5反射、及反射镜9的反射之后，通过发射望远镜10出射。

其中发射望远镜10能够接收长脉冲激光出射产生的瑞利散射回光，瑞利散射回光依次经反射镜9的反射、相位调制器5的反射、及第一分光机构2的反射之后，为湍流探测器3所探测，波前控制器4根据湍流探测器3探测得到的信息控制相位调制器5产生相应变形。

在此基础之上，为了稳定光轴，保证出射激光的精准度，故还引入了倾斜探测系统，其主要包括第二分光机构6、倾斜探测器7、倾斜控制器8，同时反射镜9则采用倾斜反射镜，将第二分光机构6设置于倾斜反射镜与相位调制器5之间，即同时位于倾斜反射镜与相位调制器5的反射光路上，而倾斜探测器7位于第二分光机构6的反射光路上，这样使得瑞利散射回光一部分经第二分光机构6透射、相位调制器5的反射、及第一分光机构2的反射之后，为湍流探测器3所探测，另一部分经第二分光机构6的反射之后进入倾斜探测器7，倾斜控制器8则可根据倾斜探测器7的探测信号对倾斜反射镜的角度进行调整校正，提高光轴稳定性。

本系统中第一分光机构2和第二分光机构6可直接采用分光镜；或采用能量分光结构，即对出射信标激光和瑞利信标回光进行分离；或采用偏振分光结构，即出射激光为线偏光，通过1/4波片后变为圆偏光，瑞利信标回光同样为圆偏光，信标光通过1/4波片后变为与原来线偏光垂直的线偏光，从而实现偏振分光；或分时分光的结构，当出射激光为脉冲激光时，根据出射激光与信标回光通过光路的时间不同实现分光。

相位调制器5是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，或是薄膜变形镜，或是表面微机械变形镜或液晶器件等，信标激光器1为固体激光器，或为光纤激光器，或为染料激光器，所述信标激光器1出射产生的信标为钠信标或瑞利信标，只要其能够出射长脉冲激光即可。

本申请中选用300mm口径的发射望远镜10，信标激光器1则采用20W级微秒脉冲钠信标激光器，其频率在500-800Hz之间，且频率可调，脉冲宽度100us，此外，选用哈特曼波前探测器作为湍流探测器3，且哈特曼波前探测器的子孔径排布如图2所示，采用6*6的排布方式，采样频率为500Hz，相位调制器5为变形镜，其直径设计为74mm，其驱动器为Fride排布，共45个驱动单元，驱动器间距为10mm，交连值为0.1，其排布如图3所示，响应函数如图4所示。

基于上述的探测系统，本申请提出了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，第一步，将大气湍流假设为两层，即确定第一层大气湍流海拔高度h₁，第二层大气湍流海拔高度h₂，以及大气顶层的高度h₃，通常情况下h₁为0km位置，h₂位于4km位置，为了便于本领域技术人员理解以及便于说明本专利的方法，本专利中假设大气浓度在0-20km范围内不变。

第二步、启动信标激光器1，使其发出一个完整的激光脉冲，并将该激光脉冲分为前端A段光柱和尾端B段光柱(人为划分，实际情况中是连续的)，划分的标准在于前端A段光柱的长度等于h₂与h₁之间的差值；

当前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，湍流探测器3探测前端A段光柱的瑞利散射回光，得到第一层湍流产生的波前畸变W₁，并将畸变W₁保存至波前控制器4中；

第三步、当前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，湍流探测器3对激光脉冲整体光柱的回光进行探测，此时前端A段光柱经过大气湍流产生的波前畸变为W₁+W₂，其中W₂为前端A段光柱穿过第二层大气湍流时产生的波前畸变W₂，尾端B段光柱穿过第一层大气湍流产生的波前畸变为W₁，回光探测的湍流畸变W_M为上行路径整体湍流以及第一层大气湍流的畸变之和，W_M＝k·W₁+W₂，实际的上行路径整体湍流信息W＝W₁+W₂，其中k为第一层大气湍流所产生的影响权重系数，将W_M保存于波前控制器4中(此处引入W₂和k值的目的在于便于本领域技术人员的理解，而后续解耦过程中并不需对其进行计算求解)。

第四步、根据W₁和W_M之间的相关性，利用解耦算法求解k值，即可解耦出整个上行路径大气湍流产生的畸变信息为W＝f(W_M,W₁,k)。

本方法充分利用长脉冲的传输特性，即脉冲前端刚进入大气还未到达第二层湍流所处位置时，此时的光柱仅经历第一层湍流，此时利用瑞利散射回光进行波前探测，得到的湍流信息也为第一层湍流产生的畸变；当整个脉冲完全出射后，此时的回光不仅携带了整个上行路径两层湍流产生的畸变，还附加携带着第一层湍流产生的畸变，只要对两次畸变采用特殊算法进行解耦即可快速复原上行路径的湍流信息。

其中，第四步的解耦过程具体如下：

首先假设长脉冲在不同海拔高度产生的瑞利散射回光数相同，其系数为γ，长脉冲激光的前端A段光柱穿过第一层大气湍流同时未到达第二层大气湍流时，此时发射望远镜10接收到的瑞利散射回光数为P₁：

其中r代表系统部件的已知参数，为常数，在系统部件均确定情况下，根据激光雷达方程，即可推得

其中s为发射望远镜10的口径，h为海拔高度变量，Q为信标激光器1的功率，T为整个系统的透过率，

为瑞利散射后向散射截面，λ为出射激光波长，γ为大气分子浓度，S为发射望远镜10接收主镜面积，

为普朗克常量，c为光速，f_L为脉冲频率，因为采用的是长脉冲，需要对长脉冲内每一个小段进行积分，dh_LGS表示对长脉冲内的微元划分，此时可以得到每个子孔径的回光数I。

利用质心算法，提取每个子孔径光斑的质心偏移位置，即可得到波前在x，y方向上的平均斜率分布：

其中λ为激光波长，f为哈特曼波前探测器中微透镜的焦距，哈特曼波前探测器的子孔径数量为N，I_1i为子孔径i所接收到的光强信号，X_i，Y_i是第i个子孔径的坐标，根据以上公式，可以得到所有子孔径斜率数据，根据波前复原算法：

其中G_x1(i)表示前端A段光柱在第i个子孔径x方向上的斜率，Z_xln(i)表示第n阶泽尼克多项式表达式，a_1n表示第n阶泽尼克多项式系数，从而求得泽尼克系数矩阵：

A＝Z⁺×G_x1

此时得到的畸变波前为：

当长脉冲激光前端A段光柱穿过第二层大气湍流，同时，尾端B段光柱穿过第一层湍流但未到达第二层湍流，此时发射望远镜10接收到前端A段光柱产生的瑞利回光数为P₂；

发射望远镜10接收到A+B段产生的回光数为P_M；

同理可以根据测量到的(A+B)段光柱在哈特曼波前探测器上的斜率矩阵G_M，求得此时复原的波面W_M：

根据前端A段光柱和尾端B段光柱亮度特征，解耦出整条上行路径完整湍流信息。

记发射望远镜接收到A、B两段的回光子数比为：

同理可得：

其中，G_x2、G_y2代表的就是整条路径上的信息。因此可得

则可以复原出整个上行路径中湍流产生的波前畸变W为：

W＝(δ+1)W_M-δW₁

本申请中激光光柱对湍流产生的畸变进行探测的方法是波前探测，利用哈特曼探测器子孔径对畸变波前进行分割后通过斜率复原湍流信息，当然也可采用无波前探测的方式，即湍流探测器3为目标性能探测器，目标性能探测器可通过获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且成像性能函数具有唯一的极大值和唯一的极小值，波前控制器4则改为主控计算机，根据设定的目标性能函数，通过主控计算机控制相位调制器5对信标回光波前进行相位调制，从而获得复原的平面波前。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，采用探测系统进行探测计算，所述探测系统包括信标激光器(1)、第一分光机构(2)、湍流探测器(3)、波前控制器(4)、相位调制器(5)、反射镜(9)和发射望远镜(10)，所述信标激光器(1)能够发出长脉冲激光，所述长脉冲激光依次经第一分光机构(2)透射、相位调制器(5)反射、及反射镜(9)的反射之后，通过发射望远镜(10)出射；

所述发射望远镜(10)能够接收长脉冲激光出射产生的瑞利散射回光，所述瑞利散射回光依次经反射镜(9)的反射、相位调制器(5)的反射、及第一分光机构(2)的反射之后，为湍流探测器(3)所探测，所述波前控制器(4)根据湍流探测器(3)探测得到的信息控制相位调制器(5)产生相应变形；其特征在于：所述方法包括以下步骤：

第一步、确定第一层大气湍流海拔高度h₁，第二层大气湍流海拔高度h₂；

第二步、启动信标激光器(1)，使其发出一个完整的激光脉冲，并将该激光脉冲分为前端A段光柱和尾端B段光柱，所述前端A段光柱的长度等于h₂与h₁之间的差值；

当所述前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，所述湍流探测器(3)探测前端A段光柱的瑞利散射回光，得到第一层湍流产生的波前畸变W₁，并将畸变W₁保存至波前控制器(4)中；

第三步、当前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，所述湍流探测器(3)对激光脉冲整体光柱的回光进行探测，此时前端A段光柱经过大气湍流产生的波前畸变为W₁+W₂，其中W₂为前端A段光柱穿过第二层大气湍流时产生的波前畸变，所述尾端B段光柱穿过第一层大气湍流产生的波前畸变为W₁，回光探测的湍流畸变W_M为上行路径整体湍流以及第一层大气湍流的畸变之和，W_M＝k·W₁+W₂，其中k为第一层大气湍流所产生的影响权重系数，并将W_M保存于波前控制器(4)中；

第四步、根据W₁和W_M之间的相关性，利用解耦算法解耦出整个上行路径大气湍流产生的畸变信息为W＝f(W_M,W₁)。

2.根据权利要求1所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其特征在于：第四步解耦过程中首先求解前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，发射望远镜(10)所接收到的回光子数P₁；

其次求解前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，发射望远镜(10)所接收到的回光子数P₂，所述整个上行路径大气湍流产生的畸变信息W＝W₁+W₂＝(δ+1)W_M-δW₁，其中

3.根据权利要求1所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其特征在于：所述探测系统还包括第二分光机构(6)、倾斜探测器(7)和倾斜控制器(8)，其中第二分光机构(6)位于相位调制器(5)和反射镜(9)之间，所述反射镜(9)为倾斜反射镜，所述瑞利散射回光一部分经第二分光机构(6)透射、相位调制器(5)的反射、及第一分光机构(2)的反射之后，为湍流探测器(3)所探测，另一部分经第二分光机构(6)的反射之后进入倾斜探测器(7)，所述倾斜控制器(8)根据倾斜探测器(7)的探测信号调整所述倾斜反射镜，从而稳定出射激光光轴。

4.根据权利要求1或3所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其特征在于：所述湍流探测器(3)可以为波前探测方式的哈特曼波前探测器；或为无波前探测方式的目标性能探测器，所述目标性能探测器通过获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且所述成像性能函数具有唯一的极大值和唯一的极小值。

5.根据权利要求1或3所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其特征在于：所述的相位调制器(5)是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，或是薄膜变形镜，或是表面微机械变形镜或液晶器件。

6.根据权利要求1或3所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其特征在于：所述信标激光器(1)为固体激光器，或为光纤激光器，或为染料激光器，所述信标激光器(1)出射产生的信标为钠信标或瑞利信标。

7.根据权利要求1所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其特征在于：所述第一分光机构(2)采用能量分光结构、或采用偏转分光结构、或采用分时分光的结构。

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