光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法

技术领域

本发明属于大气光学技术领域，具体涉及一种光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法。

背景技术

自适应光学(Adaptive Optics,AO)目前已成为大口径地基望远镜实现高分辨率成像不可或缺的技术。基于单颗导引星的传统自适应光学技术，其校正视场非常有限，严重限制了其在天文观测中的应用。从大视场成像的需求出发，科学家们提出多层共轭自适应光学技术(Multi-ConjugateAdaptive Optics,MCAO)，通过对大气湍流分层探测，并利用多块变形镜(DM)共轭校正相应高度层的大气湍流，从而实现校正视场的扩大。然而，保证MCAO系统达到优异校正效果的前提之一是：输入的大气湍流分层信息是准确的。因此，必须对望远镜站址上空的大气湍流分层信息进行实时监测与准确计算。同样，对于MCAO系统的特例-地表层自适应光学系统(Ground LayerAdaptive Optics,GLAO)，大气湍流的分布信息同样有助于优化导星布局及其他相应的参数。

大气光学湍流随垂直高度的分布信息常用大气折射率结构常数表征。同时该参数有着非常广泛的应用领域，例如：用于评价望远镜站址好坏；优化系统参数，包括伺服闭环带宽、波前重构算法以及MCAO系统DM的共轭高度等。此外，大气视宁度也是评价大气湍流特性的重要参数，二者关系为：

上式中，

因而，通常将大气层离散为有限数量的均匀薄层，并测量每层的视宁度参数，从而得到大气折射率结构常数。目前主流的基于波前斜率探测的大气湍流强度分层测量方法主要有：SLODAR(SLOpe Detection And Ranging，SLODAR，Butterley T,Wilson R W,SarazinM.Determination of the profile of atmospheric optical turbulence strengthfrom SLODAR data[J].Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,2006,369(2):835-845.)、S-DIMM+(S-DIMM+，Scharmer G B,VanWerkhoven T I M.S-DIMM+height characterization of day-time seeing using solar granulation[J].Astronomy&Astrophysics,2010,513:A25.)、增加分层数目的S-DIMM+方法(ZhiyongWang,Lanqiang Zhang,Lin Kong,Hua Bao,Youming Guo,Xuejun Rao,Libo Zhong,LeiZhu,Changhui Rao,A modified S-DIMM+:applying additional height grids forcharacterizing daytime seeing profiles[J],Monthly Notices of the RoyalAstronomical Society,Volume 478,Issue 2,August 2018,Pages 1459–1467,https://doi.org/10.1093/mnras/sty1097)。

上述几种方法都采用大视场自适应光学系统开环状态下采集到的大视场夏克-哈特曼波前传感器数据进行相应的大气湍流强度分布测量。需要直接采集到开环状态下的大气湍流波前数据，但是在大视场自适应光学系统闭环条件下，波前传感器只能采集到实时的波前校正残差，并不是真实的大气湍流波前数据。这给大气湍流强度分布测量造成了很大的困难，如果不能在闭环条件下测量出大气湍流的强度分布，就不能做到全时段实时监测大气湍流，不能满足大视场自适应光学系统协同调整的要求。因此，为满足大视场自适应光学系统的性能需求，目前亟需寻找一种在大视场自适应光学系统闭环条件下的实时大气湍流分层强度测量方法。

针对上述问题，本发明提出一种光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法，使之可以在大视场自适应光学系统闭环的条件下，测量出大气湍流的实时强度分布，为闭环条件下的大视场自适应光学系统提供实时准确的大气湍流强度分布信息输入。

发明内容

针对大视场自适应光学系统闭环条件下大气湍流强度分布测量的需求问题，提出一种光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法。

本发明采用的技术方案为：

一种光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法，所述方法通过实时获取大视场自适应光学系统的闭环数据并实时重建出开环数据，最终通过大气湍流强度分布测量算法得到实时的大气湍流强度分布信息，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：在大视场自适应光学系统闭环条件下，采集系统闭环数据，包括实时波前传感器探测到的波前数据、变形镜的校正电压、以及自适应系统中的各种参数，并将实时系统闭环数据传输至实时大气湍流测量程序中；

步骤(2)：利用开环数据重建方法将系统闭环数据重建为系统开环数据；

步骤(3)：利用实时大气湍流强度分布测量方法测量实时的大气湍流强度分布；

步骤(4)：输出大气湍流分层强度信息并实时显示。

进一步地，步骤(1)中，在大视场自适应光学系统闭环情况下，获取大视场自适应光学系统中的实时波前传感器采集的波前斜率、变形镜的实时波前校正电压、以及系统的各种参数作为所述实时系统闭环数据，然后将所述实时系统闭环数据逐帧传输给后端的实时大气湍流测量程序中以用于大气湍流强度分布的实时计算。

进一步地，步骤(2)中，所述开环数据重建方法包括基于模式法校正的畸变波前重建以及基于直接斜率法校正的畸变波前重建。

进一步地，步骤(3)中，所述大气湍流强度分布测量方法通过基于大视场夏克-哈特曼波前传感器的大气湍流强度分布测量方法实现，主要包括SLODAR方法、S-DIMM+方法、增加分层网格的S-DIMM+方法以及适应真实湍流的大气湍流强度分布测量方法。

进一步地，步骤(3)中，如图2所示，采用“栈”式数据存储方式保留一定时间的波前斜率数据：采用先进先出的窗口滑动式数据进出规则，当新的数据进入时，将在“栈”中保存最久的数据踢出。

本发明原理在于：本发明一种大视场自适应光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法，所述步骤(1)中，需要实时获取系统闭环数据。大视场自适应光学系统中，波前处理机作为系统的关键，承担着根据实时波前传感器探测的波前畸变控制变形镜的重要角色。利用波前处理机就可以获得所需的所有实时系统闭环数据，然后波前处理机将实时系统闭环数据一帧一帧的传输给大气湍流测量程序中。在步骤(2)中，需要将每一帧实时闭环数据重建为开环数据。波前处理机通过各种波前控制方法包括模式法和直接斜率法将实时得到的波前畸变信息转化为变形镜上的校正电压。利用这个逆过程可以将一帧系统闭环数据重建为系统开环数据。步骤(3)中，需要缓存一定帧数的开环波前数据，并对获取的开环波前数据进行计算。大气湍流强度信息是基于大气特性的统计结果，因此需要在积累一定时间后的计算结果才更具有可信度。在本发明中具体体现在：在积累一定帧数的开环波前数据后，再计算大气湍流强度分布信息。同时，为了更好的实时性效果，本发明中采用“滑窗”式的开环波前数据选择，即在一个时间点上，当该时间点的大气湍流墙布分布计算完成后，只将波前数据中时间相对较旧的部分数据踢出，并接收最新的波前斜率数据。

本发明预计取得的有益效果为：

(1)利用本发明大视场自适应光学系统闭环条件下，实时获取大气湍流强度分布信息，能够更好地监控大气湍流强度信息；

(2)利用本发明可以在闭环条件下为大视场自适应光学系统提供调整系统参数的重要依据，提升系统校正性能；

(3)利用本发明不需要增加其他硬件条件。本发明可以集成到大视场自适应光学系统的实时处理机中，且大部分大口径地基天文望远镜均配备大视场自适应光学系统。

附图说明

图1为本发明一种光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法主要的框架；

图2为本发明使用的“窗口滑动”结构示意图；

图3为本发明大视场自适应光学系统中大视场夏克-哈特曼波前传感器的子孔径排布；

图4为本发明大视场自适应光学系统中变形镜的驱动单元排布；

图5为本发明实现的大气湍流强度分布测量结果显示示意图。

具体实施方式

下面结合例图以及具体实施进一步说明本发明。

如图1所示为本发明所述一种光学系统闭环条件下的实时大气湍流强度分布测量方法的主要框架，所述方法通过实时获取大视场自适应光学系统的闭环数据并实时重建出开环数据，最终通过大气湍流强度分布测量算法得到实时的大气湍流强度分布信息，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：在大视场自适应光学系统闭环条件下，采集系统闭环数据，包括实时波前传感器探测到的波前数据、变形镜的校正电压、以及自适应系统中的各种参数，并将实时系统闭环数据传输至实时大气湍流测量程序中；

主要的数据参数包括波前斜率数据S(导星数×子孔径数×2个浮点数)、变形镜的控制电压V(驱动器单元个数个浮点数)、波前传感器子孔径的排布方式(子孔径位置信息、子孔径大小等等)、导引星区域的参数(导星位置和导星大小)。这些数据从实时的波前处理机中传输至实时的大气湍流测量程序中。

步骤(2)：利用开环数据重建方法将系统闭环数据重建为系统开环数据；

利用自适应光学系统中变形镜的驱动电压和大视场波前传感器斜率之间的交互矩阵Z(该矩阵中每一列对应一个驱动器在大视场波前传感器上的响应)，可以重建出变形镜闭环时被校正掉的波前信息。

S

式中S

S

式中S

步骤(3)：利用实时大气湍流强度分布测量方法测量实时的大气湍流强度分布；

大气湍流的强度分布信息属于统计信息，因此需要利用容器保存一定帧数的大气湍流信息，然后才能对大气湍流进行统计测量。如图2所示，本发明利用一个先进先出(FIFO)的容器来保存一定帧数的大气湍流数据。采用“栈”式数据存储方式保留一定时间的波前斜率数据：采用先进先出的窗口滑动式数据进出规则，当新的数据进入时，将在“栈”中保存最久的数据踢出。

在获得足够帧数的伪开环数据之后，便可以使用大气湍流强度分布的测量算法对数据进行分析。此处的方法主要包括SLODAR方法和S-DIMM+方法。

步骤(4)：输出大气湍流分层强度信息并实时显示。

具体实施例：采用中国科学院云南天文台1米新真空太阳望远镜研制的MCAO系统。整套MCAO系统可以视为一个地表层大视场自适应光学系统(GLAO)然后加上一个高层湍流的探测校正系统。由于大气湍流测量需要真实的大气斜率信息，所以只能从GLAO系统中获取大气湍流信息。

该GLAO系统使用9×9哈特曼波前探测器，有效子孔径个数为48个，如图3所示，由于其六边形的子孔径形状，实际中一行中只有8个子孔径。GLAO哈特曼具有约四十角秒的大视场，可以在这个视场中选择合适的导星，目前采用3×3导星排布，每个导星具有约十角秒的视场。该系统通过控制一个127单元的变形镜来实现对畸变波前的实时校正。如图4所示，127个驱动器单元在镜面上规则排布。

波前实时处理机获取波前探测器的探测斜率数据，然后根据相应的方法(模式法或者直接斜率法)计算得到变形镜的电压。在系统闭环条件下，波前探测器只能探测到校正后的参与波前信息，这并不能用于大气湍流的强度分布测量。在闭环条件下，可以获取相应的波前探测器数据和变形镜电压数据，并结合波前控制方法，重建出相应的开环波前信息。每一帧重建的开环数据都会被传输至大气湍流强度分布测量程序中。本实施例设置每秒重建的开环数据的帧数为200帧。

在本实施例的大气湍流测量程序中，设置了一个容纳2000帧数据的栈空间。当栈被填满时，会进行一次计算，计算得到相应的大气湍流强度分布结果。完成一次计算之后，栈会弹出200帧数据，然后继续接收200帧数据用于下一次计算。每一次计算之后，程序会显示出相应的测量结果，如图5所示，图5中展示了利用本发明的方法对云南天文台1米新真空太阳望远镜站址所在大气湍流进行测量的一组实时结果。测量结果为大气湍流的归一化强度分布(Turbulence Intensity Distribution)，横坐标为测量的高度(Height：单位为米)层。标题处显示了测量的大气相干长度(Total Seeing表示大气湍流的总强度)，单位为米。

本实施例每次计算的实时计算结果可以用于实时调整大视场自适应光学系统的相应参数，便于达到更好的校正效果，实现衍射极限分辨率的大视场天文观测，也可以将相应的结果记录或者传输至显示系统进行展示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，未详细阐述的部分属于本领域公知技术。但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。