一种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学信息测量技术领域，涉及一种对大气湍流高度非等晕和角度非等 晕波前误差同步测量的装置及方法，其具体为基于双大视场哈特曼传感器的大气湍流高度 非等晕和角度非等晕波前误差同步测量的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于太阳辐射等因素引发的大气湍流造成大气折射率的随机起伏，影响着地基天 文望远镜的光学系统性能。自适应光学可以对目标光波前进行对应的校正。但是，用于实时 校正大气湍流的天文自适应光学系统通常需要一颗或多颗足够量的信标用于进行实时的 波前探测。信标可以利用自然星，即目标本身或其附近的量星，称自然信标;也可以利用激 光人造激发产生，称人造信标。产生人造信标的方法有两种:一种是利用大气层中的气体分 子，利用激光激发使其产生瑞利散射，称瑞利信标，受大气中气体分布的限制，其高度一般 不会超过30km;另一种是利用大气中间层的钠原子，利用钠黄光激发使其产生共振散射，称 钠信标，其高度即钠层的高度一般在90-120km之间。
[0003] 然而，在信标实际的使用过程中，由于信标与被观测目标之间高度及角间距的差 异，因而信标光到达望远镜表面和目标光到达望远镜表面在大气中经过的路径也不尽相 同，由此造成的利用信标光探测到的波前扰动与实际被观测目标的波前扰动之间差异，称 为非等晕波前误差。非等晕波前误差分两种，一种是由于信标与被观测目标之间不同高度 所造成，称高度非等晕(或聚焦非等晕)波前误差；另一种时由于信标与被观测目标之间的 角间距造成，称角度非等晕波前误差。通常，在利用人造信标进行探测时，由于其有限高度 和使用中与被观测目标的角间距，其非等晕误差是由高度非等晕误差和角度非等晕误差共 同构成。分别了解和掌握利用人造信标探测中高度非等晕误差和角度非等晕误差，对于天 文自适应光学系统的性能分析和优化设计十分重要。
[0004] 目前，对信标探测非等晕误差的理论分析主要有两种方法，一种是利用梅林变换， 结合横向光谱滤波方法进行解析分析，另一种是利用搭建大气相位屏进行数值求解。然而， 理论分析简历在一定的大气环境条件基础上，所利用的大气模型、计算方法、边界条件等都 会影响其与实际结果之间的准确性。对信标波前探测非等晕误差的实验测量上，目前仅有 对集合了高度非等晕误差和角度非等晕误差的综合测量，暂未见将高度非等晕误差和角度 非等晕误差区分出并进行同步测量的报道。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的问题是，克服现有技术的不足，结合人造信标技术，提供了一种对 大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量的装置及方法，该方法适用与对高度非等晕 误差、角度非等晕误差、以及结合高度非等晕误差和角度非等晕误差的综合非等晕误差的 同步测量，并给出高度非等晕误差和角度非等晕误差两者对综合非等晕误差的影响及两者 之间相关性。同时，结合波前探测中倾斜信号对倾斜镜进行控制，减小利用人造信标不能探 测到的低阶波前相差的影响，进一步减小了实验中的测量误差。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种对大气湍流高度和角度非 等晕波前误差同步测量装置，包括望远镜（1)、缩束模块(2)、高速倾斜镜(3)、分光镜(4)、低 阶哈特曼传感器模块(5);其特征在于:还包括高阶大视场双哈特曼传感器模块(6)，所述高 阶大视场双哈特曼传感器模块(6)由两路独立的第一高阶大视场哈特曼传感器(7)和第而 高阶大视场哈特曼传感器(8)，以及第二分光镜(27)和反射镜(28)组成;其中，第一高阶大 视场哈特曼传感器(7)由第一滤光片（15)、第一匹配透镜组（16)、第一空间光阑（17)、第一 高阶微透镜阵列组（18)、第一 CCD相机（19)、第一数据采集计算机(20)组成;第二高阶大视 场哈特曼传感器(8)由第二滤光片（21)、第二匹配透镜组(22)、第二空间光阑（23)、第二高 阶微透镜阵列组(24)、第二CCD相机(25)、第一数据采集计算机(26)组成;第二分光镜(27) 将由自然信标A和自然信标B组成的双星系统回光反射进入第一高阶大视场哈特曼传感器 (7) ，经过第一滤光片（15)滤除人造信标信号，并由第一匹配透镜组（16)缩束至合适口径， 由第一空间光阑（17)滤除其他空间光影响，经过第一高阶微透镜阵列组（18)后得到光斑子 阵列图像由第一 CCD相机（19)接收并由第一数据采集计算机(20)采集;第二分光镜(27)将 人造信标回光透射并经反射镜(28)反射进入第二高阶大视场哈特曼传感器(8)，经过第二 滤光片（21)滤除双星系统信号，并由第二匹配透镜组（22)缩束至合适口径，由第二空间光 阑（23)滤除其他空间光影响，经过第二高阶微透镜阵列组(24)后得到光斑子阵列图像由第 二CCD相机(25)接收并由第二数据采集计算机(26)采集;两路CCD相机（19、25)由信号发生 器(9)进行同步触发，并分别通过各自的数据采集计算机(20、26)记录图像数据。
[0007] 所述的一种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量装置，其特征在于： 所述低阶哈特曼传感器模块(5)由匹配透镜组（11)、低阶微透镜阵列组（12)、CCD相机（13)、 波前处理计算机（14)组成，经第一分光镜(4)透射的双星系统回光由低阶匹配透镜组（11) 缩束至合适口径，经低阶微透镜阵列组（12)成像后获得的成像光斑子阵列图像由低阶CCD 相机(13)采集，通过波前处理计算机(14)经波前复原计算后提取倾斜分量用以控制高速倾 斜镜(3)。
[0008] -种对大气湍流高度和角度非等晕波前误差同步测量方法，其特点是：需按下面 具体步骤实现对大气湍流高度非等晕和角度非等晕波前误差同步测量：
[0009] (a)选取角间距在10角秒以内的双星系统，该双星系统由自然信标A和自然信标B 组成，调节望远镜（1)光轴至双星系统的中心位置，调节人造信标激光发射望远镜（10)光轴 使得人造信标指向双星系统中的自然信标A位置；
[0010] (b)望远镜（1)接收由自然信标A和自然信标B组成的双星系统和人造信标的回光， 经缩束模块(2)后由高速倾斜镜(3)反射到第一分光镜(4)上，一部分能量的回光透射进入 低阶哈特曼传感器模块(5)，另一部分能量的回光反射进入高阶大视场双哈特曼传感器模 块(6);
[0011] (C)透射进入低阶哈特曼传感器模块（5)的回光由低阶匹配透镜组（11)缩束至合 适口径，经低阶微透镜阵列组（12)成像后获得的成像光斑子阵列图像由低阶CCD相机（13) 采集，通过波前处理计算机（14)采集，将所采集双星系统的成像子光斑阵列图像中提取出 自然信标A的子光斑阵列图像，并通过波前复原算法计算得到的波前扰动的倾斜分量，用该 倾斜分量控制尚速倾斜镜(3)，以提尚系统稳定性及减小后端测量误差；
[0012] (d)进入高阶大视场双哈特曼模块(6)的回光经第二分光镜(27)反射后将由自然 信标A和自然信标B组成的双星系统回光反射进入第一高阶大视场哈特曼传感器(7)，经过 第一滤光片（15)滤除人造信标信号，并由第一匹配透镜组（16)缩束至合适口径，由第一空 间光阑（17)滤除其他空间光影响，经过第一高阶微透镜阵列组（18)后得到光斑子阵列图像 由第一 CCD相机（19)接收并由第一数据采集计算机(20)采集;经第二分光镜(27)透射后将 人造信标回光透射并经反射镜(28)反射进入第二高阶大视场哈特曼传感器(8)，经过第二 滤光片（21)滤除双星系统信号，并由第二匹配透镜组（22)缩束至合适口径，由第二空间光 阑（23)滤除其他空间光影响，经过第二高阶微透镜阵列组(24)后得到光斑子阵列图像由第 二CCD相机(25)接收并由第二数据采集计算机(26)采集;两路CCD相机（19、25)由信号发生 器(9)进行同步触发，并分别通过各自的数据采集计算机(20、26)记录图像数据。
[0013] (e)所采集到的双星系统的子光斑阵列图像经过提取后分别得到自然信标A与自 然信标B的子光斑阵列图像;通过波前复原算法分别对自然信标A、自然信标B和人造信标三 者的子光斑阵列图像进行复原计算，得到该三者的复原波前结果及各阶Zernike系数，比较 自