【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自适应光学的波前探测，尤其是涉及一种大气湍流三维波前探测方法及系统。
技术介绍
1、在“两暗一黑三起源”问题中，对恒星系统尘埃碎盘的精密观测，是行星系统起源与演化的重要研究手段。hale望远镜、keck望远镜等对大量尘埃碎盘进行初步成像，统计出尘埃碎盘尺寸在0.4角秒至60角秒之间，因此，对尘埃碎盘的观测要求地基大口径望远镜具备大视场高分辨率观测的性能。
2、为了克服大气随机扰动对成像质量的影响，利用自适应光学系统探测畸变波前并对其进行实时补偿几乎成为了目前地基大口径望远镜不可或缺的关键部分，激光导引星mcao成为地基大口径望远镜实现大视场高分辨观测的必备关键技术。其中，大气湍流的三维波前探测技术是mcao系统实现大视场高分辨率成像的关键和前提。目前mcao对大气湍流的三维波前探测的研究成果主要有：利用大气层析算法将不同视线方向的累积湍流信息复原出不同高度层的湍流信息；提出新型波前传感器以降低系统的复杂程度；理论推导出计算延时误差和层析误差对mcao系统性能的影响。
3、但是，现有技术中，波前传感器探测得到的是整个路径上湍流累积的波前像差，需要对大气湍流进行层析重构，然而，在计算模式投影矩阵时，没有解析表达式，目前普遍采用的积分方法计算速度慢；而且，由于其对湍流层的覆盖率更少，其模式投影矩阵一般具有某些很小的奇异值，其条件数很大，导致投影方程存在“病态”问题，影响了波前重构的精度。
技术实现思路
1、针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种大气
2、为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种大气湍流三维波前探测方法，所述方法包括如下步骤：建立微秒激光脉冲回光模型；基于所述微秒激光脉冲回光模型使用时间选通波前传感器进行大气湍流分层测量；根据大气湍流分层测量的结果构建大气湍流三维重构算法；利用所述大气湍流三维重构算法获取大气湍流的三维波前畸变信息。本专利技术使用三维波前分层重构算法实现大气湍流三维波前探测，避免了传统大气湍流三维探测技术受限于积分探测下的重构矩阵奇异值和计算延时高等问题，有利于提高mcao系统探测大气三维扰动的精度和速度，为大口径望远镜实现大视场高分辨率成像打下坚实的基础。
3、可选地，所述建立微秒激光脉冲回光模型包括如下步骤：
4、构建大气湍流分层模型，所述大气湍流分层模型包括低层和高层；
5、根据所述大气湍流分层模型建立所述微秒激光脉冲回光模型。
6、可选地，所述微秒激光脉冲回光模型包括激光脉冲发射模型和激光脉冲回光模型；
7、所述根据所述大气湍流分层模型建立所述微秒激光脉冲回光模型包括如下步骤：
8、确定脉冲激光周期，进而依据所述大气湍流分层模型在所述脉冲激光周期内设定多个脉冲，得到所述激光脉冲发射模型；
9、根据所述大气湍流分层模型和所述激光脉冲发射模型获取所述激光脉冲回光模型。
10、可选地，所述激光脉冲发射模型包括低层脉冲和高层脉冲，在使用所述激光脉冲发射模型时，在一个所述脉冲激光周期内先发射所述低层脉冲，后发射所述高层脉冲。
11、可选地，所述激光脉冲回光模型包括低层回波信号和高层回波信号共两个回波信号，以激光脉冲发射时刻为计时原点，在一个所述脉冲激光周期内，所述低层回波信号的回光时间段和所述高层回波信号的回光时间段分别满足如下关系：
12、
13、
14、其中，t1为所述低层回波信号的回光时间段，t2为所述高层回波信号的回光时间段，a<b且2d/c+t1+t2+t3<t，a为低层厚度，b为高层的下边界与地面之间的距离，c为光速，d为高层的上边界与地面之间的距离，t1为低层脉冲宽度，t2为所述低层脉冲和所述高层脉冲之间的时间间隔，t3为高层脉冲宽度，t为所述脉冲激光周期。
15、可选地，所述基于所述微秒激光脉冲回光模型使用时间选通波前传感器进行大气湍流分层测量包括如下步骤：
16、根据所述激光脉冲发射模型向大气发射激光脉冲产生低层引星与高层引星，并产生所述低层回波信号和所述高层回波信号；
17、使用所述时间选通波前传感器对所述回波信号进行采样，进而获取不同湍流层的波前信息。
18、可选地，所述使用所述时间选通波前传感器对所述回波信号进行采样，进而获取不同湍流层的波前信息包括如下步骤：
19、使用所述时间选通波前传感器采用夏克-哈特曼采样方式对所述回波信号进行采样，得到低层回波采样信号和高层回波采样信号；
20、利用所述低层回波采样信号获取低层波前畸变信息，同时利用所述高层回波采样信号获取组合波前畸变信息。
21、可选地，所述根据大气湍流分层测量的结果构建大气湍流三维重构算法包括如下步骤：
22、在同一个所述大气湍流分层模型中共用低层引星与高层引星，将大气分为第一区域和第二区域；
23、利用所述低层引星探测所述第一区域和所述第二区域的低层波前畸变，利用所述高层引星探测所述第一区域和所述第二区域的组合波前畸变；
24、建立波前畸变方程组，并将所述低层波前畸变和所述组合波前畸变带入所述波前畸变方程组中计算出所述第一区域和所述第二区域的高层波前畸变。
25、可选地，所述波前畸变方程组满足如下关系：
26、
27、其中，ψ1为所述第一区域的组合波前畸变，ψ2为所述第二区域的组合波前畸变，a1和b1为计算系数，ψ11为所述第一区域的高层波前畸变，ψ21为所述第一区域的低层波前畸变，ψ12为所述第二区域的高层波前畸变，ψ22为所述第二区域的低层波前畸变。
28、综上所述，本专利技术提供的方法基于微秒脉冲激光进行大气湍流分层测量，并将该技术与自适应光学波前探测相结合，以实现大气湍流各高度的扰动探测。同时，本专利技术提供的方法还基于大气湍流分层测量进行了大气湍流三维重构，以突破传统大气湍流三维探测技术受限于积分探测下的重构矩阵奇异值和计算延时高等问题，有利于提高mcao系统探测大气三维扰动的精度和速度，为大口径望远镜实现大视场高分辨率成像打下了坚实的基础。
29、第二方面，本专利技术提供了一种大气湍流三维波前探测系统，所述系统使用本专利技术提供的一种大气湍流三维波前探测方法，所述系统包括：回光模型构建装置，所述回光模型构建装置用于建立微秒激光脉冲回光模型；湍流分层测量装置，所述湍流分层测量装置用于基于所述微秒激光脉冲回光模型使用波前传感器进行大气湍流分层测量；三维波前探测装置，所述三维波前探测装置用于根据大气湍流分层测量的结果构建大气湍流三维重构算法；利用所述大气湍流三维重构算法获取大气湍流的三维波前畸变信息。
30、进一步的，本专利技术提供的系统不仅具有与本专利技术相同的优点，而且能够提高大气湍流三维波前探测的效率，为大口径望远镜实现大视场高分辨率成像打下了坚实的基础。
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1.一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，所述建立微秒激光脉冲回光模型包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，所述基于所述微秒激光脉冲回光模型使用时间选通波前传感器进行大气湍流分层测量包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，所述使用所述时间选通波前传感器对所述回波信号进行采样，进而获取不同湍流层的波前信息包括如下步骤：
8.根据权利要求2所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，所述根据大气湍流分层测量的结果构建大气湍流三维重构算法包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，
10.一种大气湍流三维波前探测系统，所述系统使用权利要求1-9任意一项所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，所述建立微秒激光脉冲回光模型包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的一种大气湍流三维波前探测方法，其特征在于，所述基于所述微秒激光脉冲回光模型使用时间选通波前传感器进行大气湍流分层测量包括如...
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