本发明属于光学技术领域,是一种大气相干长度r
1.大气相干长度r₀的稳定测量方法,其特征在于,该方法为:将Shack-Hartmann波前探测器与一天文望远镜光学对接,使望远镜接收到的任意一恒星的光束能够全口径、且与Shack-Hartmann波前探测器接收口径相同、平行入射Shack-Hartmann波前探测器;在Shack-Hartmann波前探测器测得的光斑阵列上的两个垂直方向分别选取正方形对称分布的10~14对子孔径,以增加空间统计几率,同时减少采样时间;利用公式: r 0 = [ 2 f 2 x 2 ( 0.358 D - 1 / 3 - 0.242 Z - 1 / 3 ) ⟨ Z q 2 ⟩ - ⟨ A q ⟩ 2 ] 3 / 5 ]]>来计算r₀,公式中的f为测量系统的焦距,λ为接收光的中心波长,D为子孔径的直径,Z为每对子孔径的中心间距,且Z>3r₀,Z_q为两子孔径的成像点质心间距,<>为时间统计平均符号;选取多对子孔径的方法是保持公式中的Z值不变,即每一对子孔径的中心间距都严格相同;Shack-Hartmann波前探测器的采样频率不得小于500Hz,连续采集300~500幅湍流波面的光斑阵列信号;将300~500幅阵列上每一对像点的质心间距Z_q均代入公式中进行统计平均,得出稳定的、带有即时特征的大气相干长度r₀值。
2.根据权利要求1所述的大气相干长度r₀的稳定测量方法,其特征是:Shack-Hartmann波前探测器帧频为1020Hz。
3.根据权利要求2所述的大气相干长度r₀的稳定测量方法,其特征是:在Shack-Hartmann波前探测器上获得的光斑阵列图,其两个垂直方向上分别选择间距12个光斑即12倍r₀的6对光斑,形成正方形分布的12对子孔径的星点像,连续采集300幅光斑阵列数据,将每对星点像的质心间距Z_q代入权利要求1所述的公式中,统计计算出r₀。技术领域
本发明属于自适应光学领域,涉及大气通道的自适应校正效果的评价参数,具体地说是大气湍流强度参数即大气相干长度的稳定测量方法。
背景技术
地球表面垂直方向上有10~20公里的大气层,由于温度的不均匀变化使得空气局部密度不同,即而导致大气折射率不均匀,从而形成大气湍流对光波前的动态扰动现象。利用天文望远镜对空间目标观测成像时,天文望远镜接收到的目标光波受到大气湍流的动态扰动而产生不同程度的波前畸变,严重影响成像质量。因此,自适应波前校正系统成为米级以上口径望远镜的必要设施。为了评价自适应波前校正系统应对大气湍流的能力,大气湍流强度的测量一直是自适应光学领域的重要课题。大气相干长度r₀的数值能够表达光束在大气湍流中传输的空间相干性及大气湍流动态扰动的综合强度。大气相干长度r₀的值越小,表征大气湍流的动态扰动越剧烈,取值范围一般在几个厘米至几十厘米之间。r₀值的定义为:光学波面在大气相干长度r₀为直径的圆域或者说是子孔径内位相起伏的均方根值RMS是1rad。当光学波面的直径超过大气相干长度r₀值的尺度时,光学波面的畸变量将降低光学接收系统的成像分辨率。通常采用两种方法测量大气相干长度r₀:一种是通过测量大气湍流折射率结构常数进而求出大气相干长度r₀,需要经过长期观测才能得到折射率结构常数的统计规律;另一种是通过测量畸变波前的位相信息求出大气相干长度r₀,就是所谓的差分星点像运动法(DIMM),已被广泛采用。差分星点像运动法(DIMM)由Stock和Keller于1960年提出,其测量原理为:在天文望远镜的入瞳位置处放置一块挡板,挡板上开具有两个子孔径,两个子孔径之间的距离远大于子孔径直径。来自大气通道另一端的点目标光束经过两个子孔径到达观测CCD相机后会分为两个独立的星点像。在一定时间内,通过实时记录由大气湍流动态扰动导致的两个像点之间相对距离的变化,就能够计算出大气相干长度r₀的值。F.Roddie在Fried理论研究的基础上,推导出计算大气相干长度r₀的基本公式【F.Roddier,Thexa0effectsxa0ofxa0atmosphericxa0turbulencexa0inxa0opticalxa0astronomy,[J].Prog.Optics,1981,19:281~376】: r 0 = [ 2 f 2 l 2 ( 0.358 D - 1 / 3 - 0.242 Z - 1 / 3 ) < Z q 2 > - < Z q > 2 ] 3 / 5 ]]>其中,f为测量系统的焦距,λ为接收光的中心波长,D为子孔径的直径,Z为两子孔径的中心间距,且Z>>r₀,Z_q为两子孔径的成像点质心间距,〈〉为时间统计平均符号。像点质心坐标(c_x,c_y)的求算方法依据【Francoisxa0Roddier,Adaptivexa0opticsxa0inxa0astronomy,Cambridgexa0Universityxa0Press,1999,Partxa0two,pp99】: c x = Σ i , j x i , j I i , j Σ i , j I i , j , ]]> c y = Σ i , j y i , j I i , j Σ i , j I i , j - - - ( 2 ) ]]>其中i,j是CCD相机像素构成的直角坐标系上像素的序号,x_i,j与y_i,j分别为(i,j)像素的两个坐标分量,I_i,j为(i,j)像素的光强。实际上采用Shack-Hartmann波前探测器即可对r₀进行DIMM法的测量【饶长辉,姜文汉,凌宁.应用哈特曼-夏克波前传感器测量大气湍流参数[J].光学学报,2000,20(9):1201~1207】。使用约千赫兹采样频率的Shack-Hartmann波前探测器,选择其上距离足够远的两个子孔径,通常这两个子孔径的位置在接收波面上呈中心对称。测量时连续采集10s、约10000幅大气通道上的光点阵列,然后只考虑每一幅上被选择的两个子孔径的星点像质心距离,按照(1)式统计计算r₀。但是,采用DIMM法在某一个时刻测得的大气相干长度r₀值经常会在数秒之后突然跃升二、三厘米,偶然还可跃升近十厘米。这种现象与大气湍流的速度特性并不相符。分析其原因,应该是统计量不够造成的,因为波前的起伏剧烈程度在各个方位上都是不同的,DIMM法只统计固定位置上的两个子孔径像点质心的运动,要想统计全面必须花费较长时间。如果统计1万次也难以保证r₀测量的准确性,说明1万次的统计量还不够;但是再增加统计量,也有可能造成采样时间过长,超过r₀保持恒定的时间,平均掉r₀的变化。因此传统测量大气相干长度r₀的DIMM方法是有缺陷的。2000年饶瑞中采用三孔、即三对星点像差分运动法【饶瑞中,王世鹏,刘晓春,等.湍流大气中的激光束漂移的实验研究[J].中国激光,2000,27(11):1011-1015.】,尝试弥补一对星点像运动统计的不全面。2007年饶瑞中研究组又报道了采用互为垂直的两对孔(四孔)、即六对星点像差分运动法【黄宏华,姚永帮,饶瑞中,四孔差分像运动测量大气相干长度的方法研究[J].强激光与粒子束,2007,19(3):357-360.】,并在2010年的文章中【倪志波,黄宏华,黄印博,朱文越,饶瑞中[J].Dome效应对四孔大气相干长度仪系统性能的影响,强激光与粒子束,2010,22(11):2551-2555.】统计了6对星点像×200幅图的差分结果,测得的r₀变化速度大幅减缓,约0.6~0.7cm/min,但仍然无法证实这个统计量是否充分,即r₀的变化是否真实,是否有波前局地异性随时间变化的影响;另外这6对孔径中每两子孔径的中心间距不尽相同,须改造公式(1)的统计计算方法,使计算量增加。
发明内容
本发明为了克服大气相干长度r₀统计方法的缺陷,提出在Shack-Hartmann波前探测器测得的光斑阵列上选取正多边形对称分布的多对子孔径,大幅增加系综统计几率,同时保持公式(1)的统计计算方法有效,目的是提供一种准确而简便的大气相干长度r₀的稳定测量方法。下面详述本发明。将Shack-Hartmann波前探测器与一天文望远镜光学对接,使望远镜接收到的任意一恒星的光束能够全口径、且与Shack-Hartmann波前探测器接收口径相同、平行入射Shack-Hartmann波前探测器。根据大气湍流的时空几率一致特性,在Shack-Hartmann波前探测器测得的光斑阵列上选取正多边形对称分布的多对子孔径,以增加空间统计几率,同时减少采样时间。为了继续利用公式(1)来计算r₀,选取多对子孔径的方法是保持公式(1)中的Z值不变,即每一对子孔径的中心间距都严格相同,且远大于r₀。这样在Shack-Hartmann波前探测器结构的限制下正多边形对称分布的多对子孔径就只能简化为如图1所示的正方形、或六角形分布,选择其上10~14对子孔径。Shack-Hartmann波前探测器的采样频率不得小于500Hz,连续采集300~500幅湍流波面的光斑阵列信号。将300~500幅阵列上每一对像点的质心间距Z_q均代入公式(1)中进行统计平均,得出误差小于3%的、带有即时特征的大气相干长度r₀值。
附图说明
图1为本发明中利用大气湍流模拟器测量大气相干长度r₀的室内实验光路示意图。其中1为卤素灯点光源,2为785nm波长的单色滤光片,3为第一透镜,将点光源的光准直为直径合适的平行光,4为大气湍流模拟器的旋转位相板,5为孔径光阑,6为第二透镜,7为第三透镜,二者组成缩束透镜组,8为Shack-Hartmann波前探测器,全口径接收大气湍流模拟器扰动后的光束,9为与Shack-Hartmann波前探测器8相连的计算机,读出与存储所采集的光斑阵列图数据。图2为本发明中在Shack-Hartmann的光斑阵列图上12对点的选取方法。在光斑阵列两个垂直方向上分别选择间距12个光斑即12倍r₀的6对光斑,形成正方形分布的12对子孔径的星点像,用字母标记成对光点:a与a′,b与b′,c与c′,d与d′,e与e′,f与f′,g与g′,h与h′,i与i′,j与j′,k与k′,l与l′。图3为本发明具体实施例中在Shack-Hartmann的光斑阵列图上分别选取1对点和12对点,获得的r₀随统计量的变化曲线,其中曲线A是1对点的结果,曲线B是12对点的结果。
具体实施方式
1)按照图1搭建测量r₀的实验光路。其中卤素灯点光源1发出的球面光波经波长为785nm,经单色滤光片2成为单色光,再经第一透镜3准直为平行光后入射到大气湍流模拟器的旋转位相板4上,孔径光阑5设置在紧靠大气湍流模拟器的旋转位相板的通光口径处,孔径光阑5的孔径设置为10mm,通过孔径光阑5的光束再经第二透镜6、第三透镜7缩束2.5倍成为4mm口径的平行光束进入到Shack-Hartmann波前探测器8的通光窗口内切圆上,计算机9与Shack-Hartmann波前探测器8相连,读出与存储所采集的光斑阵列图数据。2)步骤1)中所述大气湍流模拟器为Lexltek公司产品,通过控制位相板上的通光口径来确定大气相干长度r₀,通过控制位相板转动速度来确定湍流频率即格林武德频率:首先设定湍流中心波长为785nm,然后设定望远镜口径为500mm,大气相干长度r₀设定为5.0cm,在该产品的使用手册上查找到相应位相板上的光斑直径为10mm,选择湍流频率即格林武德频率31Hz,在该产品的使用手册上查找到相应位相板转速为20转/min。3)孔径光阑5的孔径可以在1mm到15mm范围内连续调节,能够控制入射到大气湍流模拟器旋转位相板4上的光束直径。4)Shack-Hartmann波前探测器8帧频为1020Hz,感光元件为Intevacxa0Photonics公司的MicroVista-NIR背照明式CMOS相机,该相机的像素数达到1280×1024个,微透镜数为20×20个、以方格阵列排列,每个微透镜对应7×7个像素,共使用CMOS相机的像素数为140×140个,对应窗口为4mm×4mm。5)第一透镜3、第二透镜6、第三透镜7均为消色差双胶合透镜,其中第一透镜3的口径为40mm,焦距为270mm,使到达位相板上的光斑直径为10mm,以模拟口径为500mm的波前;第二透镜6、第三透镜7的口径分别为40mm和25mm,焦距分别为250mm、100mm,以使光束缩束2.5倍,其口径与Shack-Hartmann波前探测器8的通光口径相同。6)开启点光源1后,Shack-Hartmann波前探测器8获得的光斑阵列如图2,在光斑阵列两个垂直方向上分别选择间距12个光斑即12倍r₀的6对光斑,形成正方形分布的12对子孔径的星点像,如图2中标记字母的成对光点。7)开启大气湍流模拟器旋转位相板4后,连续采集10000幅光斑阵列数据,在光斑阵列图上分别选取1对点和12对点,计算出每对星点像的质心间距Z_q代入公式(1)中,获得的r₀随统计量的变化曲线如图3所示,其中曲线A是12对点的结果,曲线B是1对点的结果,看出曲线A中300幅光斑阵列数据统计出来的r₀已经收敛,为5.1cm,与r₀设定值5.0cm相比只有2%误差,而曲线B则到6500幅以后才收敛,且收敛到5.5cm,与r₀设定值5.0cm相比有10%的误差。