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光束波前校正与信标研究

向汝建  
【摘要】: 大气湍流引起光波波前的随机扰动,是限制光波大气传输和天文成像分辨率的主 要因素。20世纪70年代发展起来的自适应光学技术能主动校正光波相位畸变,提高 光束远场能量集中度,提高天文成像分辨率。但是由于相位畸变量不同于光斑强度、 尺寸等直观物理量,对相位畸变的探测和校正是个复杂的过程。 本文建立了Hartmann-Shack(H-S)波前传感器质心探测误差的理论模型,分析了 光束初始相位对夫朗和费衍射光斑Strell比(SR)的影响,得到SR和相位起伏方差 σ~2_φ的关系,即SR≌1-σ~2_φ,说明了相位控制在光束传输和成像系统中的重要作用。 H-S波前传感器有多种测量误差源,如波前传感器的有限空间采样频率,有限的 时间带宽和子孔径光斑质心探测误差等。结合实际应用技术的需要,本文对其中的 子孔径内光斑质心探测精度的影响因素进行了深入的分析,综合考虑了系统信噪比、 CCD器件的背景噪声、波前畸变量、微透镜成像质量等因素,建立了质心探测误差 的模型。 理论分析表明,CCD器件自身的电子噪声对质心探测精度的影响主要是噪声分 布的均匀性;波面局部变化越大,光斑质心探测误差也越大;在系统信噪比较大时, 减小子孔径光斑尺寸是提高探测精度的有效方法,当系统信噪比较小时,提高信噪 比仍然是提高探测精度的主要手段。 根据信标激光的单色性和偏振性,提出采用光谱滤波和偏振滤波的削减噪声方 法,同时,由于CCD器件是积分型器件,时间选通也是削减噪声的有效方法,在波 前校正系统中增加快速倾斜镜预校正相位整体倾斜,可以减小子孔径质心探测误差。 优化算法,实现了波前恢复和校正: 不同的波前传感器的输出信号不同,与之相对应的波前恢复算法也不同,本文介 绍了H-S波前传感器的波前恢复过程,分析了波前恢复过程中Jacobi、Gauss-Seidel、 SOR(超张弛迭代法)三种迭代算法的收敛速度,同时分析了Hudgin、Fried和 Southwell三种子孔径划分方式下恢复过程的误差传递系数。通过比较分析,在子孔 径数为10×10时,Southwell波前划分方式的误差传递系数最小,SOR迭代法迭代速 度最快。 结合CILAS 52单元变形镜的技术性能,自行研制开发52单元自适应光学系统的 数据处理与控制软件,并利用该系统进行了自适应光学系统闭环校正实验,成功的 实现了对桌面光学系统静态象差的校正,校正前后波面PV值分别为λ/3和λ/18 中国工程物理研究院硕士学位论文 (1-0石328卜m人对校正前后的波面进行的 Zemike分解结果表明,CILAS 52单元变 形镜对低阶象差具有很好的校正效果。 利用仲50nun望远镜和 HS波前传感器进行了自然星光波前测量实验和人造瑞利 信标实验,在国内首次产生了人造瑞利信标,并获得了人造瑞利信标光波前;开发 了波前分析处理软件,该软件能以二维、三维图象显示波面形状,能对波面进行 Zedrike任意阶分解等。大量星光波前数据处理结果显示,整体倾斜约占波前畸变总 量的80%,对瑞利信标波前的Zemike分解结果显示了瑞利信标波前中整体倾斜含量 极少。 数值模拟多束光照明时远场光斑特性: 通过湍流大气的折射率结构常数C/来描述湍流,利用卡尔曼谱模型调制的高斯 随机相位屏模拟水平大气,采用矩阵运算功能较强的Matlab平台开发了激光在湍流 大气中传输的数值模拟软件,并利用高斯光束的模拟传输结果检验了模型的正确性。 通过对非相关多束光聚焦照明时远场光斑漂移角和光斑大小的统计,并考虑到同 孔径多束光照明时发射光束数目和发射孔径的关系,分析远场光斑扩展度和发射光 束的数目、传输距离、湍流强度的关系。模拟结果表明,在 C/叫”‘’m-213时,即湍 流相对较弱的情况下,多束非相关光束聚焦到SKIn以内的目标上,光斑扩展度能够 满足自适应光学系统信标探测的需求。但是,在更强的湍流情况下,满足信标扩展 度的距离更短。数值模拟的结果显示,以多束光聚焦照明目标,直接从目标漫反射 光中提取信标信息的信标工作方式不适合激光发射自适应光学系统。 从目标轮廓中提取信标信息的方法可以增加信标的有效距离,但是由于运动目标 的背景时刻在变化,目标和背景的对比度等将受背景的变化而剧烈变化,要获得目 标清晰的轮廓必须采用主动照明等手段。 只有被均匀照明时,才能获得目标真实的轮廓,单束光和多束光聚焦照明都不能 满足光斑均匀度的要求。模拟了用多束非相关光柬以离焦方式照明到目标上,即当 目标处于不同位置时,在保持各束照明光在目标上有相同的位置和尺寸条件下,目 标上光斑的统计归一化强度分布特性。模拟结果表明,采用这种多束非相干光离焦 照明方式,可以在20Km或更远距离上,明显改善目标上光斑的均匀性。通过变换 C/值,得到远场光斑均匀性和湍流强度并不敏感的定性结论。模拟结果还显示,照 明光束数目越多,目标上光斑越均匀;光束数目大于四后,增加照明光束数目,光 斑均匀性并没有显著的提高,但可以明显增加光斑亮度。


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