高分辨分层大气湍流测量仪的研制及其应用研究

发布时间：2020-09-17 16:07

　　大气湍流是影响地基望远镜成像质量和分辨率的根源,进行大气湍流的定性测量,选出大气稳定的台址(天文选址)来充分发挥望远镜的功效对于任何规模的地基望远镜建设和运行都是极为重要的基础性工作。以往的天文选址中主要测量的是整层大气湍流的积分结果,而随着自适应光学的发展,高分辨率的分层大气湍流信息也越发重要。这是因为分层大气湍流信息为自适应光学系统的设计尤其是大视场自适应光学系统的设计提供不可或缺的参数。分层大气湍流测量技术研究是近几年天文选址工作的研究热点。目前大气分层大气湍流的测量主要是基于夜间对双星的观测来实现的,可用于白日分层大气湍流测量的设备很少,且现有的分层大气湍流测量设备基本都是基于大口径望远镜来实现的,体积比较大不适用于天文选址的工作。本论文根据大气湍流理论,分析研究了现有分层大气湍流测量设备的技术特性和局限性,研制了一套适用于白日及夜间的分层大气湍流测量的设备。通过对测量设备的误差分析及改进,有效地提高了设备的性能及测量精度,并对整个设备进行了自动化改进,使其很好的应用于稻城县无名山(海拔4800米)天文候选址点的监测上。本文首先简要叙述了大气湍流的特性及其对望远镜成像的影响以及自适应光学技术的概况,然后对近年来国内外在大气湍流测量领域取得的重要技术进展进行综述,并分析了分层大气湍流测量技术在中国的发展前景。其次,从现有的分层大气湍流测量设备分析与设计方法着手研究,分析其各自的优点及局限性;然后对基于夜间双星观测方法进行分析法与修正,提出了基于面源(太阳、月亮)的边缘波前到达角抖动来实现白日及夜间的分层大气湍流测量的方法,并对该方法进行了理论分析和仿真分析。仿真分析结果表明了该方法的可行性,同时根据论文提出的方法成功的在一个20cm口径的望远镜上实现了首次的分层大气湍流测量的测试。再次,为了得到高分辨率的分层大气湍流的测量,设计了一套50cm口径望远镜观测系统,对其后端光路进行设计改造使其能对面源进行高分辨率的差分成像,测量差分像边缘点波前到达角的自相关抖动及协方差,依据大气湍动模型的光学特性进行分层大气湍流的高分辨率测量。并将该设备应用于稻城无名山址点的实际监测中,首次得到了无名山址点实际的分层大气湍流信息。最后,对该设备进行自动化改进、误差源分析及处理、与其它类型的分层大气湍流设备的交叉对比。自动化改进主要包括望远镜的自动控制、圆顶的随动控制、远程控制等;误差源分析及处理主要有望远镜光学系统的误差、CCD读出噪声带来的误差、曝光时间带来的误差及处理、差分面源像的边缘点定位误差及处理等;在交叉对比中,主要与LUCIES、SHABAR等分层大气湍流测量设备进行了交叉对比。经过这些改进研究进一步的提高了设备的可靠性及测量精度。研究及测试结果表明此设备能够高分辨率(50m每层)地测量近地面到20km高空的大气湍流廓线,能很好的应用于天文选址工作中的分层大气湍流测量。本论文针对目前天文选址工作中分层大气湍流测量的迫切需求,开展了基于面光源边缘的分层大气湍流测量方法与技术的研究。成功研制了高分辨率的分层大气湍流测量仪器,并开展了一系列的实际应用的测量研究,极大地促进了无名山天文候选址点的选址工作。对我国的天文选址工作具有非常好的研究意义及参考价值。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH765.8

【参考文献】