[发明专利]一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，它可用于自适应光学系统中模拟激光上行传输时的瑞利信标、钠信标和目标信标，以及动态像差和非等晕误差，以评估不同信标制式对激光传输与自适应光学系统校正效果的影响。

背景技术

大型地基望远镜的分辨率受限于大气湍流引起的随机波前畸变。当采用自适应光学技术后，这类望远镜的成像能力就能达到近衍射极限水平。自适应光学系统的工作包含两项基本功能：波前探测与波前校正。通过接收来自被观测天体或其附近的导星发出的光，波前传感器测得望远镜孔径范围内湍流造成的相位扰动。然后，测得的结果以电的方式调制变形镜，从而补偿上述相位畸变。因此，自适应光学系统要想实现正常运转，必须满足以下两个条件：一是来自导星的参考波前在被观测天体的等晕角之内；二是导星足够亮，对波前传感器能提供足够强的信号。对天文成像而言，这两项要求意味着要在所有观测方向上都能找到进入等晕角的很亮的导星。但天空中亮星的密度很低，依靠天然导星工作的自适应望远镜在可见光波段进行天文成像时不能获得满意的对天空观测的覆盖度。1985年，Foy和Labeyrie提出了用激光在大气上层产生人造信标的可能性，提出了激光导引星(LGS)的概念，即在目标方向发射激光聚焦在大气中，测量焦深范围的大气后向散射光作为信标，相当于在空中认为制造了一颗星，也称为人造信标。由于信标激光可以指向任意希望的方向，因此，原则上信标可以覆盖整个天空。后向散射人造信标有两类：钠层后向共振散射信标和后向瑞利散射信标。钠层后向共振散射信标为80km～90km高度的热成层中，发射589nm激光聚焦在钠层，测量其后向散射光的波前，即可获得大气对激光的波前畸变信息，用于自适应光学校正。后向瑞利散射信标为10km～20km高度的平流层大气分子对信标激光的瑞利散射光。它可以应用于不同波长的激光产生，主要使用532nm激光。

所有目标光和信标光都会经过大气层进入望远镜，因此大气湍流的特性是影响光束的主要因素，其中最重要的是大气折射率结构常数和横向风速随海拔高度的变化特性。大气湍流运动使大气折射率具有起伏的性质，从而使光波参量(振幅和相位)产生随机起伏，造成光束的闪烁、弯曲、分裂、扩展、空间相干性降低、偏振状态起伏等。大气折射率结构常数会随高度的变化而发生相应改变，不同的大气湍流模型下的变化情况如图1所示。

可见，大气湍流可以根据高度大致分为三层：在近地面值最大，即湍流最强，海拔越高值越小；多数模型在2公里高空有一个湍流较弱的区域；在5-10公里有一个湍流较强的区域。

许多基于自适应光学系统的成像系统、大气激光传输系统等都是在大气湍流条件下工作，并依靠信标进行像差探测。激光束在大气中传输时会受大气湍流的影响而产生随机动态畸变，从而导致成像质量的变坏。为了能更好更方便的研究大气湍流的特性对各种系统的影响以及信标的探测能力，有必要在室内进行大气湍流和信标模拟实验。但是要实现对湍流和信标的真实模拟，必须做到模拟物和真实物的各种物理指标和参数的一一对应，并且需要完整和准确模拟整个物理过程和环境。目前还没有这种用于自适应光学系统的信标和大气湍流模拟器的技术。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了充分认识激光传输的大气环境和自适应光学探测条件，提供一种能在室内用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器，以评估基于自适应光学系统的不同信标制式对激光大气传输和目标观测效果的影响。

为了达成本发明的目的，本发明提出用于自适应光学系统的大气湍流探测模拟器解决技术问题的技术方案：包括缩束模块、第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元、第一分光元件、第三大气湍流模拟单元、第二分光元件、透镜、瑞利信标、钠信标和目标；第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第三大气湍流模拟单元按从左到右的顺序依次代表海拔从低到高的大气湍流分布；瑞利信标位于第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元和第一分光元件之后及第三大气湍流模拟单元之前；钠信标位于第三大气湍流模拟单元和第二分光元件之后；目标位于第二分光元件和透镜之后，所述目标代表无穷远的目标；

平行光从缩束模块处入射，依次通过第一大气湍流模拟单元、第二大气湍流模拟单元、第一分光元件、第三大气湍流模拟单元、第二分光元件和透镜，将平行光成像到目标上，目标为观测装置，用于实现激光传输和光束质量诊断功能；目标位置与实际天空中无穷远的真实目标共轭；