一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，包括倾斜镜、变形镜、精跟踪波前传感器、相关夏克‑哈特曼波前传感器以及波前控制器。针对部分强湍流条件下对太阳进行高分辨力成像观测的需求，从探测波长、校正阶次以及自适应光学系统本身结构入手，提升自适应光学系统在极端湍流强度条件下的校正能力，满足城市科普等应用需求。在探测方面，通过使用长波探测，降低强湍流的影响；在系统参数方面，分析校正对象时空特性，增加探测和校正单元，使之与湍流强度相匹配。在控制算法和校正阶次方面，采用模式法控制以提高系统闭环校正稳定性的基础上，基于校正精度要求的分析，进行高阶探测、低阶校正的方法，进一步确保系统稳定闭环工作。

【技术实现步骤摘要】
一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统
本专利技术涉及一种太阳自适应光学系统，属于自适应光学
，具体涉及一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，用于太阳观测过程中，极端湍流强度(大气相干长度在3～5厘米)所致的光波前畸变的探测和校正。
技术介绍
自适应光学系统通过对大气湍流引起的波前畸变进行实时补偿校正，使大口径望远镜获得理想的成像能力，是当前大口径天文望远镜的必备设备。在太阳观测领域，虽然太阳望远镜口径较小，但是由于白天地球受到太阳辐射的影响，湍流较夜间观测更强，且更加多变，因此也需要自适应光学系统恢复大口径望远镜高分辨力成像能力。众所周知，对于太阳自适应光学系统而言，由于需要利用太阳大气本身结构特征作为信标进行波前提取，因此，为了保证一定的探测精度，通常而言，太阳自适应光学系统的设计和工作都存在着大气条件的下限，即需要大气湍流满足不低于8cm(ThomasR.RimmeleandJoseMarino,solaradaptiveoptics,LivingRev.SolarPhys.,8,2,2011)。一些系统虽然对控制算法等进行改进，可以适当降低系统工作的湍流条件下限，但是对于极端湍流条件下，传统意义上的太阳自适应光学系统均无法工作。一些太阳观测的站址虽然具有较好的平均视宁度，其大气视宁度强度多变，有时也会出现非常差的瞬时大气视宁度；此外，随着人类活动的范围越来越大，早期天文观测站址的大气条件也在受到越来越多的影响。部分大气湍流条件即使配备传统太阳自适应光学系统，也无法进行太阳高分辨力观测。另一方面，随着近几年来国家对科普工作的大力推广，科普观测对传统自适应光学技术提出了新需求；由于科普的面向大众的特殊性，无法在偏远地区选择大气条件较好的区域作为站址，城市附近由于人类活动的影响，太阳望远镜都面临着比较极端的湍流条件。为了上述应用需求，如何确保太阳自适应光学系统在极端湍流条件下可以稳定工作，是自适应光学技术面临的新挑战。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：针对部分强湍流条件下的对太阳进行高分辨力成像观测的需求，从探测波长、校正阶次以及自适应光学系统本身结构入手，提升自适应光学系统在极端湍流强度条件下的校正能力，满足城市科普等应用需求。在波前探测方面，通过使用长波探测，降低强湍流的影响；在系统参数方面，分析校正对象时空特性，增加探测和校正单元，使之与湍流强度相匹配；在控制算法和校正阶次方面，采用模式法控制以提高系统闭环校正稳定性的基础上，基于校正精度要求的分析，进行高阶探测、低阶校正的方法，进一步确保系统稳定闭环工作。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，由准直镜1、倾斜波前校正器2、高阶波前校正器3、第一分光镜4、精跟踪波前传感器5、精跟踪波前校正控制器6、第二分光镜7、成像子系统8、相关夏克-哈特曼波前传感器9以及高阶波前校正控制器10组成。倾斜波前校正器2、精跟踪波前传感器5和精跟踪波前校正控制器6组成对大气湍流进行倾斜校正的闭环子系统。高阶波前校正器3、相关夏克-哈特曼波前传感器9以及高阶波前校正控制器10组成对大气湍流进行高阶像差校正的闭环子系统。经过望远镜主焦点的光，首先由准直镜1进行准直，随后进入倾斜波前校正器2和高阶波前校正器3，其中高阶波前校正器3位于望远镜入瞳的共轭位置。第一分光镜4将光分为两束，一束用于精跟踪波前传感器5探测低阶倾斜像差；另一束经第二分光镜7分别进入成像子系统8和相关夏克-哈特曼波前传感器9。为了在极端湍流条件下(大气相干长度在3～5cm)提升高阶波前探测的精度，系统放弃传统经典的探测波段(500nm～550nm)，采用波长更长的TiO波段(中心波长705.7nm)进行波前探测。探测波长和湍流强度有如下关系：其中，λ0和λd分别为湍流强度的测量波长和自适应光学系统的探测波长，r0和分别是与湍流测量和自适应光学系统探测波长对应的大气相干长度。可知长波探测会增加大气湍流相干长度，提升波前探测精度。此外，TiO波段的不透明性对温度非常敏感，在黑子的半影，尤其是本影这类温度变低的区域，TiO的线深显著增加，采用此波段进行波前探测，在观测太阳活动区时获得更高的图像对比度，有利于系统波前像差的提取。为了提升系统校正能力，根据系统波前探测和校正空间尺度与大气湍流相干长度相当的设计原则，降低系统波前传感器采样误差和波前校正器的拟合误差对校正效果的影响，确保系统对强湍流具有足够的探测和校正能力。在模式法闭环校正的基础上，当畸变波前的前N项Zernike模式得到完全校正，残余高阶波前畸变RMS值σφ＝0.14λI时，成像分辨率可以达到望远镜的两倍光学衍射极限分辨率，则认为系统达到了自适应光学波前校正的要求，此处λI代表成像波段的中心波长。根据RobertJ.Noll基于Zernike分解湍流像差的理论(RobertJ.Noll，Zernikepolynomialsandatmosphericturbulence.J.Opt.Soc.Am.,3,66,1976)，当前N项模式像差被校正后，残余的高阶波前像差可以表示为：其中，D和分别为成像太阳望远镜的口径和成像波段对应的大气相干长度，N为校正的Zernike模式的项数。根据望远镜口径、成像波长和对应湍流强度，可以计算需要校正的波前像差的阶次。可以发现，对于小口径太阳望远镜来说，只需要校正十分有限的阶次即可达到要求。所述的相关夏克-哈特曼波前传感器采用TiO(中心波长705.6nm)波段作为探测波长。TiO波段对温度更加敏感，适合观测低温区域的太阳活动黑子，此外，相较于传统500nm左右的探测波长，长波探测进一步降低了强湍流的影响，从而提高探测精度。所述的第一分光镜4和第二分光镜7均为二色分光镜。其中，第一分光镜4透射精跟踪波前探测器所需波长，反射其余波长；第二分光镜7反射高阶波前像差探测所需波长，透射其余波长用于高分辨力成像。根据系统各部件摆放位置，第一分光镜4和第二分光镜7的透射和反射波长可以互换。所述精跟踪波前传感器5由中继光元件11、孔径光阑12、成像物镜13以及成像相机14组成。对于强湍流情况下，可以使用孔径光阑缩小成像孔径，降低湍流对像质的影响，便于精跟踪波前传感器对低阶倾斜像差的提取。所述的成像子系统9，可以根据需要包含一路或者多路成像通道。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术放弃传统太阳自适应光学的经典波前探测波段(500nm～550nm)，采用波长更长的TiO波段(中心波长705.7nm)进行波前探测。TiO波段对温度更加敏感，适合观测低温区域的太阳活动黑子；此外，相较于传统500nm左右的探测波长，长波探测进一步降低了强湍流的影响，从而提高探测精度。(2)本专利技术作为专门针对太阳活动区进行闭环校正的自适应光学系统，突破了传统太阳自适应光学系统波前探测和校正空间尺度不低于8cm的限制。根据系统波前探测和校正空间尺度与大气湍流相干长度相当的设计原则，采用远高于常本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，其特征在于：由准直镜(1)、倾斜波前校正器(2)、高阶波前校正器(3)、第一分光镜(4)、精跟踪波前传感器(5)、精跟踪波前校正控制器(6)、第二分光镜(7)、成像子系统(8)、相关夏克-哈特曼波前传感器(9)以及高阶波前校正控制器(10)组成，倾斜波前校正器(2)、精跟踪波前传感器(5)和精跟踪波前校正控制器(6)组成对大气湍流进行倾斜校正的闭环子系统，高阶波前校正器(3)、相关夏克-哈特曼波前传感器(9)以及高阶波前校正控制器(10)组成对大气湍流进行高阶像差校正的闭环子系统，经过望远镜主焦点的光，首先由准直镜(1)进行准直，随后进入倾斜波前校正器(2)和高阶波前校正器(3)，其中高阶波前校正器(3)位于望远镜入瞳的共轭位置，第一分光镜(4)将光分为两束，一束用于精跟踪波前传感器(5)探测低阶倾斜像差；另一束经第二分光镜(7)分别进入成像子系统(8)和相关夏克-哈特曼波前传感器(9)。/n为了在极端湍流条件下，即大气相干长度在3～5cm，提升高阶波前探测的精度，系统放弃传统经典的探测波段(500nm～550nm)，采用波长更长的TiO波段(中心波长705.7nm)进行波前探测，探测波长和湍流强度有如下关系：/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于强湍流校正的太阳自适应光学系统，其特征在于：由准直镜(1)、倾斜波前校正器(2)、高阶波前校正器(3)、第一分光镜(4)、精跟踪波前传感器(5)、精跟踪波前校正控制器(6)、第二分光镜(7)、成像子系统(8)、相关夏克-哈特曼波前传感器(9)以及高阶波前校正控制器(10)组成，倾斜波前校正器(2)、精跟踪波前传感器(5)和精跟踪波前校正控制器(6)组成对大气湍流进行倾斜校正的闭环子系统，高阶波前校正器(3)、相关夏克-哈特曼波前传感器(9)以及高阶波前校正控制器(10)组成对大气湍流进行高阶像差校正的闭环子系统，经过望远镜主焦点的光，首先由准直镜(1)进行准直，随后进入倾斜波前校正器(2)和高阶波前校正器(3)，其中高阶波前校正器(3)位于望远镜入瞳的共轭位置，第一分光镜(4)将光分为两束，一束用于精跟踪波前传感器(5)探测低阶倾斜像差；另一束经第二分光镜(7)分别进入成像子系统(8)和相关夏克-哈特曼波前传感器(9)。
为了在极端湍流条件下，即大气相干长度在3～5cm，提升高阶波前探测的精度，系统放弃传统经典的探测波段(500nm～550nm)，采用波长更长的TiO波段(中心波长705.7nm)进行波前探测，探测波长和湍流强度有如下关系：



其中，λ0和λd分别为湍流强度的测量波长和自适应光学系统的探测波长，r0和分别是与湍流测量和自适应光学系统探测波长对应的大气相干长度，可知长波探测会增加大气湍流相干长度，提升波前探测精度，此外，TiO波段的不透明性对温度非常敏感，在黑子的半影，尤其是本影这类温度变低的区域，TiO的线深显著增加，采用此波段进行波前探测，在观测太阳活动区时获得更高的图像对比度，有利于系统波前像差的提取；
为了提升系统校正能力，根据系统波前探测和校正空间尺度与大气湍流相干长度相当的设计原则，降低系统波前传感器采样误差和波前校正器的拟合误差对校正效果的影响，确保系统对强湍流具有足够的探测和校正能力，在模式法闭环校正的基础上，当畸变波前的前N项Zernike模式得到完全校正，残...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶长辉，张兰强，饶学军，刘洋毅，孔林，鲍华，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51