激光导星高精度波前探测与重构方法研究

CIOMP OpenIR

	激光导星高精度波前探测与重构方法研究
	刘超
学位类型	博士
导师	曹召良
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	激光导星波前探测光子噪声激光发射系统波前重构
摘要	自适应光学系统是目前大口径地基望远镜实现高分辨率成像不可或缺的装备。它可以实时对由大气湍流引起的光学波前畸变进行高精度校正,从而恢复望远镜的高分辨能力。在自适应光学系统中,高精度的波前探测是确保其校正性能的核心技术之一。在传统天文成像中,通常利用亮度较量的恒星目标作为信标来进行波前测量,以引导对其周围等晕角范围内的暗弱目标进行高分辨率成像观测。这种对亮目标的依赖,使得传统系统在进行天文观测时只能对不足1%的天空区域进行自适应观测。为此,Foy和Labeyrie于1985年提出了激光导星的概念。即利用激光在待观测目标附件的大气层中形成一个人造的信标进行湍流畸变的测量,从而摆脱对天然亮目标的严重依赖。目前,主要有两种类型的激光导星技术:一、通过瑞利层(10km~20km)大气分子的后向散射产生的叫做瑞利激光导星;二、利用激光来激发钠原子层(90km)发光而产生的叫做钠激光导星。由于激光导星是人造信标,与传统无穷远的自然导星存在很大差异。目前激光导星还存在波前探测精度低和GLAO波前重构精度低的问题。激光导星波前探测精度低主要是因为激光导星具有一定的延长,并且在探测时哈特曼子孔径内存在高阶畸变。GLAO波前重构精度低主要是由于激光导星位于有限远,存在锥形效应,使得传统的平均法重构信息缺失。针对上述几方面的问题,本论文开展了一系列创新性研究工作,取得了一系列研究成果。针对激光导星波前探测精度的问题,提出了基于最大似然估计方法的质心探测算法。在降低光子噪声的同时部分地消除了子孔径内高阶畸变的影响,提高了质心探测精度。随着激光导星光斑延长越大、信噪比越低,该算法相比于传统算法的优势越明显,并且这一结论通过了室内的验证实验。本论文模拟了在20m口径的望远镜,信噪比SNR=20,在边缘发射的情况下,40×40个子孔径的哈特曼波前探测器进行探测时,使用四种算法的探测精度。本论文提出的算法在单高斯模型下,对波前的重构误差为67.12nm,相比质心算法降低了12%,相比加权质心算法降低了46%,相比相关算法降低了31%;在双高斯模型下,重构误差为70nm,相比质心算法降低了10%,相比加权质心算法降低了52%,相比相关算法降低了38%。为了获得激光导星光斑,完成本文提出的算法在外场实验的验证,设计了一套激光导星发射与接收系统。激光导星的发射系统同样受到大气湍流的影响,在分析了该影响后得出:激光导星发射系统的最佳发射口径为大气相干长度的3.8倍。为了保证发射系统的出光能力,发射口径为出瞳处激光光斑半径的3倍;同时在考虑了大气湍流的影响后,能够得到了激光导星大小约为无湍流时激光导星大小的1.67倍。最终设计了激光导星的发射系统,激光导星束腰高度为10km,经过公差分析得出,该发射系统在80%的情况下产生的导星光斑半径为0.6arcsec,小于1arcsec。为了保证瑞利激光导星的高度和采样厚度,通过脉冲延迟器作为系统时钟,激光器发出脉冲后延迟66.7us后控制普克尔盒使开关打开,打开时间为6.7us。针对GLAO中多导星波前重构信息缺失的问题,采用了加权重构算法。多导星加权重构算法根据激光导星位置为每个激光导星分配不同的权重因子,弥补了激光导星锥形效应带来的探测信息缺失的问题。在大视场的GLAO模式下的权重因子是视场内各个方向权重因子的平均。加权算法的波前重构精度相比传统的平均法有所提高,加权算法得到的系统斯特列尔比(SR)随着视场的增大而减小,在视场中心系统的SR相比于平均法提高了约为0.2,在视场为2arcmin时,加权算法重构精度都高于平均法。为了验证多导星的加权重构算法,设计了多导星自适应光学系统,实验结果得出在中心视场系统的SR约为0.42,相比于传统的平均法给出的SR约为0.22,中心视场的系统SR提高了0.2,与模拟结果一致。本论文提出的激光导星波前探测算法以及得到的以上结论在一定程度上解决了激光导星自适应光学在应用过程中遇到的问题。对我国激光导星技术的发展起到一定的推动作用。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61646
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘超. 激光导星高精度波前探测与重构方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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激光导星高精度波前探测与重构方法研究.c（5667KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文