利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法，其中系统包括信标激光器、第一分光机构、湍流探测器、波前控制器、相位调制器、反射镜和发射望远镜，所述信标激光器能够发出长脉冲激光；方法主要通过对大气湍流分层，以及出射脉冲激光的分段探测，即分别探测各段脉冲激光穿过不同湍流层产生的波前畸变，再通过特殊的解耦算法进行解耦计算，复原整个上行路径的畸变信息为W＝f(W

The system and method of turbulence synchronous detection using long pulse laser

【技术实现步骤摘要】
利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法
本专利技术涉及一种自适应光学系统，具体涉及一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法。
技术介绍
自适应光学(AdaptiveOptics,AO)系统利用信标对大气湍流进行实时波前探测，波前控制器根据探测信号实时控制主动元件对畸变波前进行补偿，使畸变波前恢复为平面波前，从而获得衍射极限的成像。当观测物体本身亮度不满足探测要求且等晕角内没有满足条件的自然信标时，主要利用人造信标来进行波前探测。人造信标的产生主要有两种方式：一种利用大气分子的后向瑞利散射回光产生瑞利信标，受大气分子浓度的限制，产生的高度通常低于20km；另一种利用90km处钠原子共振散射回光产生钠信标。利用人造信标进行波前探测，而波前探测误差与钠信标光斑大小成正比，与回光数成反比，钠信标的光斑形态将影响着波前探测的精度，进而影响整个自适应光学系统的性能。产生人造信标的激光经发射望远镜扩束聚焦时，上行路径发射孔径内的大气湍流将对上行激光波前产生畸变，从而造成光斑模糊展宽，降低波前探测精度。目前通常利用预校正的方式来对上行路径的湍流产生的波前畸变进行补偿，因此，如何探测到上行路径的湍流，是进行信标预校正的基础与前提，也是当前亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统及其探测方法，充分利用长脉冲传输特性，探测大气湍流探测，复原上行路径湍流信息，具有良好的可操作性。其技术方案如下：一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其关键在于：包括信标激光器、第一分光机构、湍流探测器、波前控制器、相位调制器、反射镜和发射望远镜，所述信标激光器能够发出长脉冲激光，所述长脉冲激光依次经第一分光机构透射、相位调制器反射、及反射镜的反射之后，通过发射望远镜出射；所述发射望远镜能够接收长脉冲激光出射产生的瑞利散射回光，所述瑞利散射回光依次经反射镜的反射、相位调制器的反射、及第一分光机构的反射之后，为湍流探测器所探测，所述波前控制器根据湍流探测器探测得到的信息控制相位调制器产生相应变形。采用以上方案，利用长脉冲在大气中传输特性，即可便于湍流探测器进行分段探测，即波前控制器的分段记录等，且可根据计算结果通过波前控制器进行波前复原，充分利用激光，而避免额外设置激光器进行上行路径湍流探测，简化了系统的复杂程度，具有极佳的可操作性。作为优选：还包括第二分光机构、倾斜探测器和倾斜控制器，其中第二分光机构位于相位调制器和反射镜之间，所述反射镜为倾斜反射镜，所述瑞利散射回光一部分经第二分光机构透射、相位调制器的反射、及第一分光机构的反射之后，为湍流探测器所探测，另一部分经第二分光机构的反射之后进入倾斜探测器，所述倾斜控制器根据倾斜探测器的探测信号调整所述倾斜反射镜，从而稳定出射激光光轴。采用以上方案，通过倾斜控制器对倾斜探测器的控制，有利于稳定光轴，提高出射激光的精准度。作为优选：所述湍流探测器可以为波前探测方式的哈特曼波前探测器；或为无波前探测方式的目标性能探测器，所述目标性能探测器通过获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且所述成像性能函数具有唯一的极大值和唯一的极小值。采用以上方案，可根据条件选择不同设备以不同的方式进行探测，结构相对简单，扩大适用范围，便于获得，有利于降低系统成本。作为优选：所述的相位调制器是镀高反射膜的压电陶瓷反射式变形镜，或是压电晶片变形镜，或是薄膜变形镜，或是表面微机械变形镜或液晶器件。多种形式的变形镜均能满足本系统中相位校正器的功能需求，用来校正大气湍流产生的动态相位起伏，或用来校正系统本身的静态相位起伏。作为优选：所述信标激光器为固体激光器，或为光纤激光器，或为染料激光器，所述信标激光器出射产生的信标为钠信标或瑞利信标。采用以上方案，本系统利用瑞利散射光作为二次信标，避免新增一路激光以阐述信标来进行上行路径湍流的探测，可适用于钠信标和瑞利信标上行路径的湍流校正，具有较大的使用范围。作为优选：所述第一分光机构采用能量分光结构、或采用偏转分光结构、或采用分时分光的结构。采用以上方案，可根据需要与实际成本旋转不同的分光结构，具有多种可选择性，可操作性更强。基于上述的探测系统，本申请提出了一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，利用特殊的解耦算法，快速复原上行路径湍流信息，扩大预校正的使用范围，可为自适应光学产生形态更优的人造信标，提升后期自适应光学系统的校正性能，其技术方案如下：一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的方法，其关键在于：采用上述探测系统，并按如下步骤探测计算：第一步、确定第一层大气湍流海拔高度h1，第二层大气湍流海拔高度h2；第二步、启动信标激光器，使其发出一个完整的激光脉冲，并将该激光脉冲分为前端A段光柱和尾端B段光柱，所述前端A段光柱的长度等于h2与h1之间的差值；当所述前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，所述湍流探测器探测前端A段光柱的瑞利散射回光，得到第一层湍流产生的波前畸变W1，并将畸变W1保存至波前控制器中；第三步、当前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，所述湍流探测器对激光脉冲整体光柱的回光进行探测，此时前端A段光柱经过大气湍流产生的波前畸变为W1+W2，其中W2为前端A段光柱穿过第二层大气湍流时产生的波前畸变，所述尾端B段光柱穿过第一层大气湍流产生的波前畸变为W1，回光探测的湍流畸变WM为上行路径整体湍流以及第一层大气湍流的畸变之和，WM＝k·W1+W2，其中k为第一层大气湍流所产生的影响权重系数，并将WM保存于波前控制器4中；第四步、根据W1和WM之间的相关性，利用解耦算法解耦出整个上行路径大气湍流产生的畸变信息为W＝f(WM,W1)。充分利用长脉冲的传输特性，对完整激光脉冲的分段探测，并对探测结果进行记录，后期综合解耦两次畸变信息的方法复原整个上行路径的大气湍流信息，相比传统直接接收瑞利回光进行探测的方式而言，其结果更准确可靠。作为优选：第四步解耦过程中首先求解前端A段光柱穿过第一层大气湍流，且未到达第二层大气湍流时，发射望远镜所接收到的回光子数P1；其次求解前端A段光柱穿过第二层大气湍流，且尾端B段光柱穿过第一层湍流而未到达第二层湍流时，发射望远镜所接收到的回光子数P2，所述整个上行路径大气湍流产生的畸变信息W＝W1+W2＝(δ+1)WM-δW1，其中采用以上方案，其解耦过程更合理，趋于实际。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)本专利技术利用长脉冲激光在大气中传输时，不同海拔高度激光采样的大气湍流虽然不一致，但是存在着相关性这一特点，通过特殊的解耦算法，复原出整个发射路径大气湍流信息，从而扩大了信标上行光路预校正系统使用的范围。(2)本专利技术利用信标激光在上行链路中不可避免地与大气分子产生瑞利散射，利用瑞利散射光作为二次信标，避免了新增一路激光产生信标来探测上行路径湍流，从而减少了系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其特征在于：包括信标激光器(1)、第一分光机构(2)、湍流探测器(3)、波前控制器(4)、相位调制器(5)、反射镜(9)和发射望远镜(10)，所述信标激光器(1)能够发出长脉冲激光，所述长脉冲激光依次经第一分光机构(2)透射、相位调制器(5)反射、及反射镜(9)的反射之后，通过发射望远镜(10)出射；/n所述发射望远镜(10)能够接收长脉冲激光出射产生的瑞利散射回光，所述瑞利散射回光依次经反射镜(9)的反射、相位调制器(5)的反射、及第一分光机构(2)的反射之后，为湍流探测器(3)所探测，所述波前控制器(4)根据湍流探测器(3)探测得到的信息控制相位调制器(5)产生相应变形。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其特征在于：包括信标激光器(1)、第一分光机构(2)、湍流探测器(3)、波前控制器(4)、相位调制器(5)、反射镜(9)和发射望远镜(10)，所述信标激光器(1)能够发出长脉冲激光，所述长脉冲激光依次经第一分光机构(2)透射、相位调制器(5)反射、及反射镜(9)的反射之后，通过发射望远镜(10)出射；
所述发射望远镜(10)能够接收长脉冲激光出射产生的瑞利散射回光，所述瑞利散射回光依次经反射镜(9)的反射、相位调制器(5)的反射、及第一分光机构(2)的反射之后，为湍流探测器(3)所探测，所述波前控制器(4)根据湍流探测器(3)探测得到的信息控制相位调制器(5)产生相应变形。


2.根据权利要求1所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其特征在于：还包括第二分光机构(6)、倾斜探测器(7)和倾斜控制器(8)，其中第二分光机构(6)位于相位调制器(5)和反射镜(9)之间，所述反射镜(9)为倾斜反射镜，所述瑞利散射回光一部分经第二分光机构(6)透射、相位调制器(5)的反射、及第一分光机构(2)的反射之后，为湍流探测器(3)所探测，另一部分经第二分光机构(6)的反射之后进入倾斜探测器(7)，所述倾斜控制器(8)根据倾斜探测器(7)的探测信号调整所述倾斜反射镜，从而稳定出射激光光轴。


3.根据权利要求1或2所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其特征在于：所述湍流探测器(3)可以为波前探测方式的哈特曼波前探测器；或为无波前探测方式的目标性能探测器，所述目标性能探测器通过获得目标的成像性能函数以表征光学系统性能，且所述成像性能函数具有唯一的极大值和唯一的极小值。


4.根据权利要求1或2所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其特征在于：所述的相位调制器(5)是镀高反射膜的压电陶瓷反射式变形镜，或是压电晶片变形镜，或是薄膜变形镜，或是表面微机械变形镜或液晶器件。


5.根据权利要求1或2所述的利用长脉冲激光进行湍流同步探测的系统，其特征在于：所述信标激光器(1)为固体激光器，或为光纤激光器，或为染料激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建，尧联群，王功长，
申请(专利权)人：重庆工商大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50