[发明专利]组合多孔径闪耀和差分图像运动光学湍流传感器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体涉及一种组合多孔径闪耀和差分图像运动的天文光学湍流传感器，是一种进行天文光学湍流参数测量的传感器。本发明还提供这种天文光学湍流传感器的测量方法。

背景技术

光波在湍流大气中传输时，光波参数（强度、相位以及传播方向等）因湍流扰动而起伏，这种起伏导致了光束的飘移和扩展、图像的模糊。大气湍流的存在直接影响高分辨成像，限制了天文测光精度和望远镜实际角分辨率、可观测光谱范围等。所以对大口径地基光学望远镜，选择优秀天文台址和长期监测其光学台址参数至关重要。

大气相干长度、等晕角、湍流强度廓线等天文光学台址参数，是天文台选址与天文观测不可或缺的重要参数，也是自适应光学中的重要参数。

其中大气相干长度表征了某一特定光程中一定横向间距上的大气相干性，也表征全程大气湍流强度，即大气视宁度，它对自适应光学系统变形镜促动器的数目、波前传感器孔径数目、激光导星功率、天空覆盖率等有影响。

等晕角表征了通过大气湍流到达观测点的光波波前的角度相关性，到达系统的不同方向的两束光之间的夹角超过等晕角，其相关性将迅速降低。等晕角直接影响自适应光学系统校正视场。

视宁度和等晕角是对全程大气的描述，而湍流强度廓线是湍流强度随高度的分布，反映了大气湍流的细节。它直接影响MCAO（Multi-Conjugate Adaptive Optics）中的大气层析重构数目、变形镜数目和共轭高度、以及GLAO（Ground Layer Adaptive Optics）的效率等。

目前广泛应用的差分图像运动监测仪，通过统计单星象经瞳孔平面上两个小孔径所成像的相对运动实时监测大气视宁度。其结构简单，广泛应用于台站视宁度测量，我国在云南天文台和国家天文台兴隆观测站，西部天文选址等处都有过差分图像运动监测仪运行。它的一种结构为：在小望远镜 (口径250-350mm左右)入瞳上放置一个安装有两个小楔角楔镜的子孔径(50-100mm)模板，使到达两个子孔径的波前倾斜，产生同一目标星的不重叠双像，CCD图像传感器统计星像质心差方差，从而计算视宁度。

基于等晕角和湍流的关系，以及闪耀和湍流的关系，最方便的方法是利用恒星光强闪耀率计算等晕角。所以通过统计望远镜入瞳上的环形孔径接收的归一化的光强起伏方差测量等晕角。基于大气视宁度和等晕角的测量方法，现有同时或者通过更换光瞳模板近似测量这两个参数的仪器。

湍流强度廓线的测量手段主要有探空气球、风廓线雷达反演以及声雷达测量等方法，但他们都有各自的不足，如数据均为非光波波段直接测量、测量精度不高、测量距离有限、需要其他参数配套测量，限制了测量的目标范围和精度。而采用光波波段的多孔径闪耀传感器利用闪耀和湍流关系可以测量自由大气层视宁度、等晕角和近似湍流强度廓线等天文光学台址参数。

由CTIO设计研制的在光波波段测量的组合多孔径闪耀和差分图像运动传感器，可以同时测量整层大气视宁度、自由大气层视宁度、等晕角和近似湍流强度廓线等多个天文光学台址参数，具有实时的优越性，

已被成功配置到Cerro Tololo，Mauna Kea，Cerro Paranal，30米望远镜选址点、南极Dome C等进行台址测量。

我国尚无成功应用组合多孔径闪耀和差分图像运动传感器进行测量，也缺乏对其关键技术的研究。但是组合多孔径闪耀和差分图像运动传感器存在加工难度高，装调困难等问题，比如：瞳孔分割镜（PSU）的加工难度大，其尺寸小，包括一个圆形孔径和三个共心的环形孔径，由外向内三个环的尺寸为：外直径5.5mm内直径3.9mm、外直径3.85mm内直径2.2mm和外直径2.15mm内直径1.3mm，中心圆的直径1.27mm。各子孔径相对于PSU主轴的倾斜角度8°，相邻子孔径的旋转角度为30°，PSU的镜面为凹面，曲率半径250mm。PSU材料为铜，经抛光加工为光学面，在铜上依次镀铬、铝反射膜和SiO保护膜。针对PSU加工复杂和需要PSU数量多的情况下，CTIO提出对加工好的高质量的PSU进行复制，得到有机玻璃的瞳孔分割镜。另外组合多孔径闪耀和差分图像运动传感器的实验室光学装调复杂，精度要求高，比如：PSU的倾斜、瞳孔分割镜对应的4个成像镜沿两个方向的旋转各不相同、DIMM通道的两个子镜及其对应的转向镜的旋转等。

因此，目前需要一种新的天文光学湍流测量仪，它充分简化组合多孔径闪耀和差分图像运动传感器结构，同时满足现场装调方便，长期可靠。而现有技术中尚未出现这种测量仪。

发明内容