基于大视场夏克—哈特曼波前传感器的白天大气视宁度和风速分层测量技术研究

发布时间：2020-05-24 04:58

【摘要】：为了满足天文学家对太阳等扩展目标的大视场高分辨力成像观测需求,太阳多层共轭自适应光学(MCAO:multi-conjugate adaptive optics)技术近年来成为自适应光学研究领域的热点之一,其利用大气湍流的垂直高度分布信息,控制多个变形镜对大气湍流进行分层校正,从而获得太阳活动区大视场高分辨力校正效果。因此,实现太阳MCAO的基础和前提是获得大气湍流分层统计特性,实质是获得与太阳MCAO系统校正带宽有关的大气湍流特性参数,包括大气等晕角、大气相干时间、Greenwood频率和Tyler频率等。进一步地,这些大气湍流特性参数又与大气湍流分层后不同高度的大气视宁度和不同高度的大气风速密切相关。因此,本文瞄准太阳MCAO技术的具体应用需求,基于云南天文台抚仙湖太阳观测站(FSO:Fuxian Lake Solar Observatory)的1米新真空太阳望远镜(NVST:new vacuum solar telescope),以及大视场夏克-哈特曼波前传感器(SHWFS:ShackHartmann Wavefront Sensor),开展白天大气视宁度分层测量技术和白天大气风速分层测量技术研究,重点开展大气视宁度和风速分层测量技术的算法改进、仿真验证以及实验分析工作。首先,介绍了大气湍流特性和大气湍流分层测量原理。介绍了在湍流问题研究中处于统治地位的Kolmogorov湍流统计理论,包括其折射率起伏统计特性和相位扰动统计特性。之后介绍了Kolmogorov湍流情况下的主流大气湍流分层测量技术,包括Scintillation Detection and Ranging(SCIDAR)、SLOpe Detection And Ranging(SLODAR)以及Solar Differential Image Motion Monitor Plus(S-DIMM+)。针对用于白天大气湍流分层测量的导星具有二维扩展结构的特性,提出将SDIMM+用于大气视宁度分层测量研究;考虑到S-DIMM+无法测量风速以及导星斜率数据获取的便利性,提出将SLODAR用于大气风速分层测量研究。接着,基于抚仙湖太阳观测站的一米太阳望远镜NVST和37单元大视场SHWFS,开展大视场SHWFS数据预处理及波前斜率提取提取技术研究。瞳面旋转是地平式望远镜Coudé焦点和折轴Cassegrain焦点必须面临的问题,使得SHWFS相机靶面图像发生旋转,进而引起用于计算白天大气湍流分层测量的导星存在发生旋转,导致不同时刻同一导星之间具有不同方向基准,最终对大气湍流分层测量算法造成潜在的不利影响。因此瞳面旋转补偿是大视场SHWFS数据预处理的必须步骤。根据地平式太阳望远镜NVST的光学系统设计,提出基于转台的瞳面旋转补偿。对瞳面旋转进行补偿后,在AO系统开环状态下SHWFS采集的太阳图像仍然会受到相机噪声以及光学系统中光的非均匀性等因素的影响,由此有必要进一步对太阳图像进行平暗场处理。此外,因为37单元大视场SHWFS采集的太阳目标图像具有二维扩展结构,如太阳黑子或太阳米粒,以及望远镜spider结构会导致SHWFS子孔径之间的对比度存在明显差异,因此互相关算法将被用于导星波前斜率提取。再次,基于S-DIMM+提出了一种改进的白天大气视宁度分层测量技术。SDIMM+能够用于白天大气视宁度分层测量,但是大气分层数目受到波前传感器子孔径排布限制而变得固定。子孔径阵列数量较少的波前传感器将导致一个稀疏的高度网格,进而导致强湍流层的位置无法被准确评估且每层湍流强度易被高估。为了解决这个问题,本文提出一种改进S-DIMM+方法,其通过迭代的方式对不同高度空间范围内的白天大气视宁度进行分层测量,每次迭代过程中大气分层数目固定,且后一次迭代测量的高度范围低于于前一次测量结果,最终所有迭代结果被结合为一个新的具有更密和更均匀分布高度网格的视宁度廓线。改进SDIMM+方法能够突破传感器硬件对大气视宁度分层数目的限制,减少稀疏高度网格导致的湍流强度高估,显著提高大气视宁度分层测量结果准确性。改进方法通过不同的大气湍流模型进行仿真测试,仿真结果表明改进S-DIMM+能够更为理想地评估输入大气模型。进一步地,基于NVST采集的AO系统开环状态下的太阳图像数据序列,评估云南抚仙湖观测站上空的大气视宁度垂直高度分布。7×7的大视场SHWFS用改进S-DIMM+产生了一个16层且高达15km的高度网格,相邻两层的垂直高度间隔为1km。基于改进方法的实验结果表明大气湍流可分为3个部分:位于0-2km的地表层、位于3-6km的中间层以及≥7km的高层。最后,基于SLODAR提出了一种改进的大气风速分层测量技术。SLODAR是一种基于导星波前斜率且被广泛应用于夜间大气视宁度分层测量的技术;此外,通过在时间延迟互相关图中追踪与湍流层相对应的互相关峰的移动快慢和方向,SLODAR能够测量对应湍流层的风速和风向。然而这种风速测量方法仅对可被单独分离的互相关峰有效,但在许多情况下,在时间延迟互相关图中很难被找到不同湍流层对应的孤立互相关峰,导致无法对每层风速和风向进行测量。为了解决这个问题,本文提出了一种测量每个湍流层风速和风向的改进方法,其通过追踪二维(2D)互相关图中不同方向上一维切片曲线上的一系列互相关峰,最后根据冻结流动假设来评估每个湍流层的风速和风向,改进方法甚至对于弱响应的互相关峰也有效。改进方法通过不同大气湍流模型进行仿真测试,仿真结果表明改进方法能够实现对每层大气的风速和风向测量。进一步地,进一步地,基于NVST采集的AO系统开环状态下的太阳图像数据序列,评估云南抚仙湖观测站上空的大气风速和风向垂直高度分布,测量高度范围为0 12km。实验结果表明,所有层的风速都具有一个相对较小的值(10m/s)。本文针对太阳MCAO技术的具体应用需求,重点开展白天大气视宁度分层测量技术和白天大气风速分层测量技术研究,在国内和国际上都属于开创性的成果,对推动我国大气湍流分层测量技术的发展具有重要研究意义和参考价值,为进一步开展多层共轭自适应光学系统的研究打下了基础。
【图文】：

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第 1 章绪论1.2.1 自适应光学基本原理一般地，地球大气湍流会使来自无限远处目标光源的平面波产生相位畸变：0iE E e …(1.1)式中 0表示波前复振幅，φ表示畸变波前相位。一种称为相位共轭补偿技术通过光路中特定的光学器件引入与湍流畸变波前共轭的相位，则目标平面波经过大气湍流后再经过光学系统后的波前畸变将被抵消，如图 1.1 所示，其也是自适应光学的基本原理。

示意图,自适应光学系统,示意图,目标平面

特定的光学器件引入与湍流畸变波前共轭的相位，则目标平面波再经过光学系统后的波前畸变将被抵消，如图 1.1 所示，其也是本原理。图 1.1 相位补偿技术示意图[17]Figure 1.1 Sketch of phase compensation technology
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TP212

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