本發(fā)明為一種自適應光學波前探測裝置，特別涉及一種瑞鈉信標結合探測的自適應光學系統(tǒng)，適合對大氣觀測條件和鈉信標光亮度要求較高的人造信標自適應光學系統(tǒng)中。

背景技術：

自適應光學(Adaptive Optics,AO)是上世紀八十年代發(fā)展起來的技術。其關鍵就在于通過探測目標成像通道內(nèi)的大氣湍流畸變，進而對這一湍流進行實時補償，以獲得對觀測目標近衍射極限的圖像。當物體本身亮度不足或者物體等暈角之內(nèi)沒有滿足條件的恒星時，需要使用人造信標來進行波前畸變的探測。目前主要的信標有兩種：一種是鈉信標，利用90km高空的鈉原子的共振散射產(chǎn)生的后向散射光作為信標；另一種是瑞利信標，利用低層大氣，通常在25km以下的大氣分子的后向瑞利散射作為信標。

瑞利信標是由大氣分子的瑞利散射產(chǎn)生，產(chǎn)生的亮度隨著高度增加成指數(shù)衰減，瑞利信標產(chǎn)生的高度只能在較低海拔，對大氣采樣不充分，解決的辦法是采用鈉信標。鈉信標是利用激光精確對準鈉原子的D2線，激發(fā)距離地面90km高空的鈉層中的鈉原子向高能級躍遷，實現(xiàn)自發(fā)輻射產(chǎn)生信標光，圓錐區(qū)域所覆蓋的體積大于瑞利信標，進行自適應波前探測也更精確。

利用信標對大氣湍流誤差進行探測時，系統(tǒng)校正結果受到大氣湍流誤差和信標光亮度等因素的影響，而觀測站址大氣相干長度r₀與之直接相關，站址條件越好(大氣相干長度越長)，夏克-哈特曼波前探測分割的子孔徑就可以更大，因而所需要的信標回光亮度就越低，同時校正效果也越好；我國最優(yōu)秀的站址通常相干長度也只有國外典型站址大氣相干長度的1/2左右，因而對信標的回光亮度要求更高，同時要實現(xiàn)近衍射極限的校正效果困難也更大。

目前國外鈉信標的激光器主要為連續(xù)波激光器，鈉信標回光和瑞利信標回光在時間上重疊在一起，即同一時刻，探測器上兩種信標回光都出現(xiàn)，如果希望僅僅使用一種信標回光，通常需要利用偏軸發(fā)射，然后用視場光闌在空間上消除低空的瑞利散射。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：針對國內(nèi)站址條件不佳，需要高亮度鈉信標回光，不易實現(xiàn)近衍射極限成像的問題，發(fā)明一種通過瑞鈉信標結合探測的自適應光學系統(tǒng)，在產(chǎn)生鈉信標的同時，利用發(fā)射望遠鏡在低層產(chǎn)出的瑞利信標回光，在一個大氣相干時間內(nèi)，實現(xiàn)對瑞利信標和鈉信標的先后探測，兩次實時補償大氣湍流誤差，以實現(xiàn)近衍射極限的成像，同時由于先利用了亮度較高的瑞利信標實現(xiàn)了對大氣湍流的第一次補償校正，可以等效為提升了站址的視寧度，當再利用鈉信標進行第二次校正時，波前傳感器子孔徑可以更大，從而降低對鈉信標回光亮度的要求。

本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案是：一種瑞鈉信標結合探測的自適應光學系統(tǒng)，包括脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收望遠鏡、變形反射鏡，還包括瑞鈉信標時序波前探測器，由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出波長為589nm的脈沖激光，在上行過程中首先在低層大氣(30km以下)產(chǎn)生瑞利信標，利用瑞鈉信標波前探測器先探測低層大氣瑞利信標光，通過波前控制器控制變形反射鏡校正所選取的瑞利信標以下的大氣湍流引起的像差，在鈉信標回光達到接收望遠鏡之前實現(xiàn)對低層大氣的預補償；由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出波長為589nm的脈沖激光再激發(fā)低層大氣產(chǎn)生瑞利信標后，脈沖激光繼續(xù)上行至距離地面約90km的鈉層，共振激發(fā)鈉層產(chǎn)生鈉信標，瑞鈉信標波前探測器探測90km高空產(chǎn)生的鈉信標回光，得到高階像差，同時通過波前控制器控制變形反射鏡校正低階高頻像差以及高階像差；在大氣相干時間內(nèi)，實現(xiàn)對瑞利信標和鈉信標的交替探測和大氣湍流實時補償；系統(tǒng)中的的瑞鈉信標時序波前探測器由微透鏡陣列、外觸發(fā)CCD探測器組成；脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射脈沖激光，根據(jù)所發(fā)射脈沖激光的頻率和帶寬，瑞利層和鈉層高度，以及瑞利層厚度和鈉層厚度的關系，外觸發(fā)信號控制外觸發(fā)CCD探測器首先曝光選取的瑞利層信標的回光，外觸發(fā)CCD探測器曝光和讀出結束后，外觸發(fā)CCD探測器開始曝光正從鈉層信標的回光，實現(xiàn)在一個激光脈沖周期內(nèi)，瑞鈉信標波前探測器對瑞利信標回光和鈉信標回光的先后探測；當激光脈沖發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射指定頻率的激光脈沖時，瑞鈉信標波前傳感器實現(xiàn)對瑞利信標回光和鈉信標回光的交替探測。

更進一步的，脈沖激光的頻率和帶寬，瑞利層和鈉層高度，以及瑞利層厚度和鈉層厚度的與外觸發(fā)控制外觸發(fā)CCD探測器曝光讀出關系如下：脈沖激光周期為T，脈沖寬度為t，瑞利層厚度為從地面開始到距離地面為高度a，鈉層厚度為距地面b到距地面d，光速為c；通常情況下瑞利層與鈉層不重疊，即a<b，以激光脈沖發(fā)射時刻為計時原點，同時發(fā)射觸發(fā)信號傳輸?shù)酵庥|發(fā)CCD探測器，0時刻到(2a/c+t)時刻為瑞利信標回光時間段，鈉信標回光為2b/c時刻到2(c-b)/c+t時刻，保證瑞利回光與鈉信標回光不重疊，即(2a/c+t)<2b/c；保證鈉信標回光與下一個瑞利回光不重疊，即[2(c-b)/c+t]<T；所以外觸發(fā)CCD探測器可選瑞利回光曝光時間為區(qū)間[0，(2a/c+t)]任意時間段，外觸發(fā)CCD探測器可選鈉信標回光曝光時間為區(qū)間[2b/c，2d/c+t]任意時間段；

更進一步的，變形反射鏡可以是一塊高諧振頻率DM，或者是一塊與主鏡共軛的變形反射鏡與另外一塊與主鏡共軛的變形鏡反射鏡，也可以是一塊變形反射鏡與另一塊變形次鏡的組合；

更進一步的，瑞鈉信標時序波前傳感器，可以是哈特曼波前傳感器、棱錐波前傳感器、曲率波前傳感器、剪切干涉波前傳感器；

更進一步的，外觸發(fā)CCD探測器可以通過脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)的外觸發(fā)信號直接控制其自帶的時間選通控制器(對選通時間起始位置和選通時間長度進行控制)對瑞利信標和鈉信標回光曝光。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點是：

(1)本發(fā)明降低了系統(tǒng)對天氣條件的要求；

(2)本發(fā)明降低了系統(tǒng)對鈉信標光亮度的要求；

(3)本發(fā)明系統(tǒng)不引入新的設備，結構簡單緊湊，適用范圍廣。

綜上所述，本發(fā)明在對對整體系統(tǒng)改變不大的情況下，能夠充分地利用脈沖激光的特點，有效地降低了系統(tǒng)對天氣條件和鈉信標光亮度的要求；而且結構簡單緊湊，實現(xiàn)容易的優(yōu)點，使本發(fā)明具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的組成及原理示意圖；

圖2為脈沖激光器發(fā)射脈沖、瑞鈉信標回光和CCD曝光讀出時序圖；

圖3為針對具體例子，脈沖激光器發(fā)射脈沖、瑞鈉信標回光和CCD曝光讀出時序圖；

圖4為瑞鈉信標時序波前探測器中的外觸發(fā)斬波裝置設計示意圖；

圖5為由脈沖激光器外觸發(fā)控制斬波裝置進行工作的控制時序圖。

圖中附圖標記含義為：1為變形反射鏡，2為準直透鏡，3為共軛的變形反射鏡，4為瑞鈉信標時序波前探測器，5為脈沖發(fā)射激光器，6為接收望遠鏡，7為外觸發(fā)CCD相機，8為波前控制器，9為微透鏡陣列，10為外觸發(fā)斬波裝置，11為同步信號源，12為變形次鏡。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明一種瑞鈉信標結合探測的自適應光學系統(tǒng)，包括脈沖發(fā)射激光器5、變形反射鏡1、瑞鈉信標波前探測器4；其中激光信標波前探測器4由微透鏡陣列9和外觸發(fā)CCD相機7組成。

脈沖發(fā)射激光器5發(fā)射出激光發(fā)射到大氣層指定高度，形成激光信標；在望遠鏡天頂角為90°時，瑞利信標的高度為0km-30km，鈉信標的高度為90km-105km；

因為瑞利信標和鈉信標的高度關系，首先瑞利信標光通過大氣層向下傳輸進入接收望遠鏡系統(tǒng)6，經(jīng)過準直透鏡2準直后，依次經(jīng)過反射鏡和變形鏡到達激光信標波前探測器。

根據(jù)激光雷達方程，所接收到的瑞利信標的回光子數(shù)為：

其中，E為激光每個脈沖能量，單位：J；λ為光波長，單位：m；h為普朗克常量；c為光速，取3×10⁸m/s；σ_B為有效散射截面，單位：m²，P(z)為在高度為z的地方的大氣壓力，單位：百萬兆帕；T(z)為在高度為z的地方的溫度，單位：K；n(z)為在高度為z時散射粒子密度，單位：m^-3；Δz為選通長度，單位：m，D_p為發(fā)射望遠鏡口徑；A_R為接收面積，單位：m²；z為產(chǎn)生信標的平均高度；T₀為傳輸和接收路徑上的光學元件的透過率；T_A為望遠鏡和信標之間單程的透過率；η為波長為λ的光子在探測器上的量子效率。

將接收回的光子分配到波前探測器的子孔徑中，波前探測器采用動態(tài)哈特曼-夏克波前傳感器。用傳感器測得畸變的波前在每個子孔徑上光斑中心在X和Y方向上的漂移，可以求出各子孔徑范圍內(nèi)的波前在兩個方向上的平均斜率：

其中，f為微透鏡焦距，I_i為像素i接收到的信號，X_i，Y_i為第i個像素的坐標，(X_C，Y_C)為光斑質(zhì)心的坐標，(G_X，G_Y)為波前平均斜率，S為子孔徑面積。得到子孔徑斜率數(shù)據(jù)后，通過直接斜率波前復原算法得到加在變形鏡上的電壓。

設輸入信號V_j是加在第j個驅(qū)動器上的控制電壓，由此產(chǎn)生哈特曼傳感器子孔徑內(nèi)的平均波前斜率量為：

其中R_j(x，y)為變形鏡第j個驅(qū)動器的影響函數(shù)，t為驅(qū)動器個數(shù)，m為子孔徑個數(shù)，S_i為子孔徑i的歸一化面積。當控制電壓在合適的范圍內(nèi)時，變形鏡的相位校正量和驅(qū)動器電壓線性近似，子孔徑斜率量與驅(qū)動器電壓成線性關系，均滿足疊加原理，所以上式可以寫為矩陣的形式：

G＝R_xyV

其中，R_xy為變形鏡到哈特曼傳感器的斜率相應矩陣，用實驗測得；G為需要校正的波前相差斜率測量值，因此可以得到控制電壓：

V＝R⁺_xyG

其中，為R_xy的廣義逆。這樣就求出應該施加在變形鏡上每個驅(qū)動器的電壓，變形鏡產(chǎn)生相應的形變，率先校正瑞利信標以下大氣湍流引起的波前像差。

然后是鈉信標回光到達接收望遠鏡系統(tǒng)，其原理和瑞利信標探測和校正相同。區(qū)別在于通過變形次鏡校正瑞利信標而用變形鏡校正鈉信標。

圖2為脈沖激光器發(fā)射脈沖、瑞鈉信標回光和CCD曝光讀出時序圖，其具體關系如下：脈沖激光周期為T，脈沖寬度為t，瑞利層厚度為從地面開始到距離地面為高度a，鈉層厚度為距地面b到距地面d，光速為c；通常情況下瑞利層與鈉層不重疊，即a<b，以激光脈沖發(fā)射時刻為計時原點，同時發(fā)射觸發(fā)信號傳輸?shù)酵庥|發(fā)CCD探測器7，0時刻到2a/c+t時刻為瑞利信標回光時間段，鈉信標回光為2b/c時刻到2d/c+t時刻，保證瑞利回光與鈉信標回光不重疊，即(2a/c+t)<2b/c；保證鈉信標回光與下一個瑞利回光不重疊，即[2d/c+t]<T；所以外觸發(fā)CCD探測器7可選瑞利回光曝光時間為區(qū)間[0，2a/c+t]任意時間段，外觸發(fā)CCD探測器(7)可選鈉信標回光曝光時間為區(qū)間[2b/c，2d/c+t]任意時間段。

針對所選取的瑞利厚度為0-30km，鈉信標厚度為90km-105km為例，脈沖激光器發(fā)射脈沖、瑞鈉信標回光和CCD曝光讀出時序如圖2所示，脈沖激光發(fā)射器所發(fā)射的激光脈沖的頻率為800Hz，激光脈寬為50μs，以脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射脈沖激光為0時刻，因為瑞利層厚度為30km，0-250μs為瑞利信標回光時間段，而鈉信標回光時間段為600μs-700μs，脈沖激光發(fā)射器觸發(fā)CCD延時150μs曝光，曝光時間為100μs；由于250μs-600μs時間段沒有信標回光，設置CCD讀出時間為350μs，所以CCD下一幀曝光正好探測鈉信標回光，曝光時間也為100μs，讀出350μs后鎖定CCD，等待下一個外觸發(fā)信號到來。

對于800Hz脈沖激光器，瑞鈉信標時序波前探測器中的外觸發(fā)斬波裝置設計如圖4所示，黑色葉片代表擋光，時間600μs，白色部分代表通光，時間600μs；以黑白交接處作為零點，從黑色葉片開始，以瑞利信標高度15km對應的時間350μs作為起始位置，然后由脈沖激光器外觸發(fā)控制斬波裝置進行工作，其控制時序圖如圖5所示，黑色葉片從起始位置開始運轉(zhuǎn)150μs后，可將15km以下的瑞利散射全部擋掉，然后白色通光部分可通過150μs到750μs的信標光，對應望遠鏡天頂角90°時，105km的信標高度；然后再次進入黑色葉片，并回到原點，進入下一個脈沖周期。