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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2012年
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大气湍流中光波前的时空特性探测研究

陈浩  
【摘要】:自适应光学通过对动态波前畸变的实时探测、校正,使光学系统能够克服大气湍流的动态扰动,保持良好的成像效果。为了评价自适应波前校正系统应对大气湍流的能力,大气湍流强度的测量一直是自适应光学领域的重要课题。Greenwood频率和大气相干长度r0能够从时间域和空间域表达光束受湍流扰动的综合强度。因此,本论文对上述两个参数的测量统计方法进行了深入研究。 本论文首先设计了一种适用于测量大气湍流时空特性的微小孔径Shack-Hartmann波前探测器。根据惠更斯-菲涅尔衍射理论模拟出微透镜后的衍射光斑分布图,并在1/e2信噪临界原则的基础上合理地设定了衍射光斑的直径。针对探测噪声,分析了传统单一阂值法在弱信号探测时存在的问题,提出逐点扣除阂值噪声的办法,较好地消除了噪声影响,提高了Shack-Hartmann波前探测器质心计算精度。应用Zemax光学设计软件设计了与500mm口径天文望远镜匹配的Shack-Hartmann波前探测器转接镜头及其测量大气湍流时空特性的光学系统。利用400nm-750nm波段进行畸变波面探测,750nm以上的波段用于动态跟踪,可以解决天文望远镜跟踪天体目标时的抖动问题。 分析了传统差分星点像运动法(DIMM)在波面上采用一对点对大气相干长度r0统计的缺陷。提出畸变波面上正方形分布的十二对点的差分星点像运动统计方法,从空间角度上增加了大气相干长度r0采样的统计数量,同时从空间群的概念来说增加了中心对称统计,大幅降低了统计时间,仅使用300ms采样300幅畸变波面即可完成对大气相干长度r0的统计,得出稳定的ro值,其波动范围只有±3%,解决了长期以来大气相干长度r0测定误差大的问题。 研究了大气湍流时间域参数Greenwood频率。分析了Terry J.Brennan等人为缩短统计时间在空间上大幅增加统计量、仅在相邻两幅畸变波面上选取多点的位相差值进行频率成分统计的方法,实验证明其统计量仍然不够。因此,从时间上增加统计样本长度,连续采集300幅畸变波面,兼顾了时间和空间对湍流扰动统计量上的要求,获得的Greenwood频率波动范围只有±2%,而采样时间仅需300ms,兼具即时性、准确性,解决了长期以来湍流频率测定的可信度问题。 本论文经过对测量大气湍流时空特性统计方法的不断改进,获得了准确的统计结果。本论文涉及了大气湍流基本理论、衍射光学、光学系统设计及计算机技术的广泛知识,是多学科交织集成的研究结果。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O357.5;O43

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