[发明专利]一种消除天光背景影响的脉冲激光信标波前探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种消除天光背景影响的脉冲激光信标波前探测装置及方法，根据激光信标工作体制进行调焦设置；时序同步控制模块接收由转盘式机械快门提供二倍脉冲信标激光器发射重频的同步定位基准信号，对脉冲信标激光器的出光触发时延、CCD相机对选通高度脉冲激光信标曝光的图像输出触发时延进行统一控制，以完成CCD相机对激光信标光斑阵列与天光背景混合信号、天光背景信号的分时采集；利用处理机对两信号相减，计算消除天光背景影响的激光信标光斑阵列在微透镜组各子孔径内的平均斜率；通过复原算法对平均斜率进行波前复原，获得脉冲激光信标波前信息。本发明装置简单，可用于天光背景影响的激光导引星、照明信标等自适应光学波前探测场合。

技术领域

本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种消除天光背景影响的脉冲激光信标波前探测装置及方法，尤其涉及一种基于哈特曼波前传感技术的消除天光背景影响的脉冲激光信标波前探测装置及方法。

背景技术

大气作为天文目标观测、激光远程能量输运等诸多实际系统应用中光波的基本传输通道，由于人类活动、太阳辐射等因素引发大气折射率的随机起伏，致使传输光波遭受严重的波前畸变，已成为限制实际系统应用性能的重要因素。

用于实时校正大气随机扰动所致光波动态波前畸变的自适应光学(AdaptiveOptics， AO)，通常需要一个足够亮的参考源来提供由扰动大气引发的光学波前畸变信息，即信标。信标可以是感兴趣科学目标等晕区域内的自然亮星，即自然信标；也可以是利用地基发射特定波长信标激光与大气层内特定散射介质相互作用产生一定强度回光信号的激光导引星，即人造信标；甚至可以是利用地基发射信标激光照明目标表面产生一定强度漫反射式回光信号的照明信标。

其中，激光导引星是由地基脉冲信标激光照亮特定高度大气层内的一个柱体，并通过同步控制模式下的位置选通方法选出需要柱体内的后向散射光作为信标，在其通过大气层同时带来了由大气随机扰动造成的波前畸变信息。目前，产生激光导引星主要有两种方法：第一应用大气层中分子产生激光瑞利后向散射，由于大气分子随高度增加而呈指数减少，瑞利后向散射激光导引星的高度限制约25公里以下，即瑞利激光导引星；第二是应用大气中间钠层(中心高度约90公里、分布厚度约15～20公里)中钠原子的D₂线激光后向共振散射，即钠激光导引星。照明信标则是由地基发射脉冲信标激光照射目标表面，并通过同步控制模式下的位置选通方法选出目标表面的漫反射回光作为信标，在其通过大气层同时带来了由大气随机扰动造成的波前畸变信息，其选通高度由目标高度决定，一般可达数公里至数百公里。因此，从利用地基脉冲激光产生信标的这一共同特点来说，这里将脉冲激光导引星与脉冲照明信标统称为脉冲激光信标。

在天文观测、激光传输等需要实时补偿大气随机扰动所致动态波前畸变的应用领域，自适应光学对有限亮度信标回光的接收属于微光波前探测应用。因此，传统自适应光学系统为了避免天光背景对哈特曼波前传感器探测信标回光的影响，只能选择在夜晚工作，致使其工作时段受到了很大限制。如果能够将自适应光学系统的工作时段扩展至晨昏时段甚至白天，对于诸多光学工程的实际应用将意义重大。在晨昏时段甚至白天条件下，由于进入哈特曼波前传感器的天光背景亮度强、变化迅速、且在各子孔径内分布不均匀，因而存在天光背景影响下微弱信标回光信号的有效接收与波前探测等应用困难。

因此，在天文观测、激光传输等需要实时补偿大气随机扰动所致光波传输通道动态波前畸变的应用场合，探索克服天光背景影响的信标回光有效接收与波前探测技术成为一个非常重要的研究课题。