[发明专利]基于子口径测量的激光导引星波前倾斜测量方法

说明书

技术领域

本发明属于天文方法与技术领域，具体涉及一种基于子口径测量的激光导引星波前倾斜测量方法。

背景技术

自适应光学技术经过多年发展已经成功应用于多个研究领域。在天文应用中，由于夜天文目标本身较暗，所以需要人造信标为自适应光学系统提供波前探测。激光导引星是目前广泛应用的人造信标，理想的人造信标需要具有足够亮度,并且与目标的相对位置稳定。目前激光导引星虽然能够达到满足天文观测的亮度(Keck II望远镜配备的NGL-Next Generation Laser-能够在天顶距小于60度的范围内制造相当于R波段7等亮度的Na导星)，但是其并不稳定。如图1所示，瞬时的激光信标与激光发射光轴有一定的偏移量，这是由于激光上行光路1、信标下行光路2受大气湍流5的影响。除此之外，激光发射系统运转时的机械及光学系统的不稳定性也会导致信标的位置发生偏移。由此就导致AO系统波前传感器探测到的激光导引星波前倾斜量“失真”。

如图1所示为运行激光导引星自适应光学系统的示意图，由激光发射望远镜3控制发射的激光经过受大气湍流影响的上行光路1形成激光信标，信标经过受大气湍流影响的下行光路2传输进入主望远镜 4；波前畸变的信标光首先通过由倾斜反射镜-TM和可变形反射镜-DM 组成的波前校正系统，再利用分光反射进入由子孔径阵列和探测器组成的激光信标波前探测器；波前探测器将波前畸变信号传给波前控制器，控制器将处理好的控制信号分别交由TM和DM校正，其信号路线由图1中箭头线条表示，闭环校正以后的系统能够使目标清晰成像。系统运行中，需要形成稳定的激光信标，需要测量激光上行抖动量θ_up，并将其传递给激光发射望远镜以修正发射偏角。

基于子孔径测量的激光导引星波前倾斜测量算法如图2所示，光路1为激光上行光路，光路2为信标下行光路。子孔径阵列6内信标图像的位置会受大气湍流的影响随时间而抖动，子孔径阵列由多个子孔径组成；任意子孔径i探测到的波前倾斜量θ_i都是由激光上行抖动量，θ_up和下行子孔径倾斜量θ_down,i之和构成，现有技术中，有以下三种方法获得激光上行抖动量θ_up

(1)2016年，国防科技大学许晓军团队提出一种基于涡旋光束的激光导引星，其发射激光采用涡旋光束，当旋涡光束拓扑电荷数等于10时，激光上行抖动方差相比于高斯光束减小31％。【Luo,R.,Cui, W.,Li,L.,Sun,Q.,He,Y.,Wang,H.,…Xu,X.(2016).Vortexbeam based more stable annular laser guide star,(November), 100161H.】

(2)2016年，杜伦大学A.P.Reeves提出一种基于多层层析技术的激光导引星波前倾斜探测方法。该方法主要针对多层共轭自适应光学系统而设计。【Reeves A.Paul,Laser Guide Star onlyadaptive optics:the development of tools and algorithms forthe determination of Laser Guide Star tip-tilt[D].TheUniversity of Durham,2015】

(3)Belen’kii提出利用辅助望远镜探测激光投影的方法，对辅助望远镜中成像的激光带使用统计平均算法得到激光上行的波前倾斜。【Belen'Ki i,M S,."Tilt angular anisoplanatism and a full-aperture tilt-measurement technique with a laser guide star.."Applied Optics 39.33(2000):6097-6108】

但是，方法(1)旋涡光束能量难以达到足够高，以满足实用要求。旋涡光束方法的效果只使得激光上行抖动方差相比于高斯光束减小31％，未能达到观测要求。方法(2)基于多层层析技术的激光导引星波前倾斜探测方法需要两个及以上的导引星同时工作才能有效，而且对低层大气湍流的测量性能不高。方法(3)，辅助望远镜本身的跟踪误差限制了波前倾斜探测的精度；辅助望远镜与主望远镜随动关系复杂，而且对于激光导引星采样高度的实时变化，辅助望远镜指向难以实时校正；

发明内容